УДК 681.3.06
Вадим Фридрихович Яковлев, доцент
Алексей Тимурович Субботин, студент 2-ЭТ-8
Самарский государственный технический университет
В некоторых автомобильных системах необходима информация об угловой скорости или угловом положении вращающегося вала, например, датчик положения коленчатого вала, датчик положения распределительного вала, датчик скорости вращения колес для ABS и т.д. При этом датчик углового положения вала должен выдерживать достаточно суровые условия работы в отсеке двигателя, обладать высокой надежностью, должен функционировать при очень низкой частоте вращения и иметь низкую стоимость. Известен ряд бесконтактных датчиков, в основу работы которых положены различные физические явления: магнитоэлектрические, на эффекте Холла, высокочастотные, оптоэлектронные, токовихревые, на эффекте Виганда, фотоэлектрические.
Исходя из стоимости производства, требований к точности, помехозащищенности, стойкости к внешним воздействиям два первых типа датчиков получили наибольшее применение и производятся у нас в стране и за рубежом крупносерийно.
Наиболее распространенным типом магнитоэлектрического датчика является генераторный датчик коммутаторного типа с пульсирующим потоком. Принцип действия такого датчика заключается в изменении магнитного сопротивления магнитной цепи, а, следовательно, и магнитного потока в ней, при изменении зазора с помощью распределителя потока (коммутатора). На рис. 1 показана принципиальная схема магнитоэлектрического датчика коммутаторного типа. При вращении зубчатого ротора в обмотке статора в соответствии с законом электромагнитной индукции возникает переменное напряжение.
Рис.1.Принципиальная схема коммутаторного датчика и осциллограмма выходного сигнала
Когда один из зубцов ротора 4 приближается к полюсу статора 1, в обмотке 2 нарастает напряжение. При совпадении фронта зубца ротора с полюсом статора (со средней линией обмотки) напряжение на обмотке достигает максимума, затем быстро меняет знак и увеличивается в противоположном направлении до максимума при удалении зубца. Датчики по схеме на рисунке 1 применяются в распределителях зажигания.
Распределитель потока, или зубчатый ротор, устанавливается на распределительный валик распределителя зажигания и изготавливается из мягкой стали. Число зубцов зависит от числа цилиндров двигателя. Необходимое поле создает постоянный магнит.
Благодаря развитию микроэлектроники широкое распространение получили датчики углового положения на эффекте Холла. Эффект Холла возникает в полупроводниковой пластине, внесенной в магнитное поле, при пропускании через нее электрического тока. Если поместить элемент толщиной h в магнитном поле таким образом, чтобы направление индукции В магнитного поля было перпендикулярно плоскости пластины, и пропустить ток I через пластину, то между противоположными гранями пластины возникает ЭДС Холла Ех = (k·I·B)/h, где k— постоянная Холла, м2/A.
Электродвижущая сила самоиндукции Холла очень мала и поэтому должна быть усилена вблизи кристалла для того, чтобы устранить влияние электромагнитных помех. Конструктивно элемент Холла и преобразовательная схема, содержащая усилитель, пороговый элемент, выходной каскад и стабилизатор напряжения, выполняются в виде интегральной микросхемы, которая называется магнитоуправляемой интегральной схемой.
Рис.2.Датчик Холла и зависимость напряжения чувствительного элемента Холла и напряжения на выходе датчика Холла от угла поворота.
Объединив магнитоуправляемую схему с магнитной системой в жестко сконструированный пластмассовый корпус, получают микропереключатель на эффекте Холла, который устанавливается в традиционный распределитель (рис. 2) на поворотный механизм вакуумного автомата. Замыкатель 1 (ротор), жестко связанный с валиком распределителя, выполнен из магнитопроводящего материала и содержит число полюсов-экранов, равное числу цилиндров двигателя. При прохождении экранов в зазоре между магнитоуправляемой схемой 3 и магнитом 2 происходит периодическое шунтирование магнитного потока, и на выходе микропереключателя формируется сигнал об угловом положении коленчатого вала двигателя в виде прямоугольных импульсов. Фронт сигнала практически не зависит от частоты вращения экрана и, следовательно, задержка совсем незначительна по сравнению с задержкой, например, генераторного датчика. Таким образом, на выходе датчика формируется сигнал, представленный на рис.2. Устанавливаемая в распределитель зажигания схема должна выдерживать жесткие требования для изделий автомобильного применения, устанавливаемых в моторном отсеке на двигателе.
Микросхемы с датчиками Холла выпускаются дискретными и аналоговыми. Дискретные ИС применяются в датчиках относительного положения и скорости. Аналоговые – в датчиках абсолютного положения вместо контактных потенциометрических. Дискретные датчики Холла имеют погрешность менее 0.5% в условиях подкапотного пространства и используются, как правило, в качестве датчиков положения коленчатого или распределительного вала. По такой информации ЭБУ может определить пропуск воспламенения или детонацию. Для этого требуется разрешающая способность не хуже 0.05°.
Рис.3.Датчик абсолютного углового положения с чувствительным элементом Холла
Выходное напряжение аналоговых датчиков Холла пропорционально магнитной индукции поля и напряжению питания, что упрощает их сопряжение с АЦП. На практике может применяться, например, такая конструкция для определения углового положения (Рис.3). При повороте кольцевого магнита относительно статоров, между которыми размещен датчик Холла, выходное напряжение датчика меняется. В диапазоне 150° характеристика линейна с погрешностью менее 1%. В подобных датчиках нет трущихся частей, кроме подшипников, они имеют большую надежность, чем контактные потенциометрические.
Температура влияет на чувствительность аналоговых датчиков Холла, обычно это порядок 0.001/°С. Стоимость – очень существенный фактор для датчиков типа положения дроссельной заслонки, поэтому здесь применяются магнитные материалы с низкой температурной стабильностью: ферриты и сплавы AlNiCo (0.002/°С…0.02/°С). Приходится вводить внешние компенсирующие элементы, программировать характеристики датчика через интерфейс.
Датчики подключаются к ЭБУ или средствам индикации для передачи информации о параметрах внешней или контролируемой среды. В автомобильных системах цена и надежность имеют огромное значение и при прочих равных условиях всегда следует выбирать датчик с наименьшим числом соединителей. Если к датчику следует подключить 5…6 проводов (например, ЛДТ), целесообразно разместить цепи обработки сигнала непосредственно на датчике и передавать данные контроллеру через последовательный интерфейс.
При подключении датчиков к ЭБУ следует иметь в виду, что шасси (масса) автомобиля не может быть использована в качестве измерительной земли. Между точкой подключения ЭБУ к массе и датчиком может падать напряжение до 1 В за счет токов силовых элементов по массе.
Литература
1. Соснин Д.А., Яковлев В.Ф.Новейшие автомобильные электронные системы. М.: Солон-Пресс, 2005. 256 с.
2. Ютт В.Е., Электрооборудование автомобилей, 2-е издание. М.: Транспорт, 2003. 365 с.
3. Ribbens W. B. Understanding automotive electronics.Burlington,USA: Newnes publications, 2009. 481 с.