Датчик скорости вращения – Датчик скорости автомобиля – где находится и как работает. Как проверить работу датчика скорости

Датчики скорости вращения

Наиболее распространенными датчиками скорости вращения являются аналоговые датчики — тахогенераторы и дискретные датчики — преобразователи скорости вращения в частоту импульсов.

Тахогенератор — это коллекторный генератор постоянного тока, статор которого изготовлен из хорошо стабилизированных постоянных магнитов, обеспечивающих погрешность воспроизведения индукции магнитного поля в зазоре до 0.05%. В этом поле вращается ротор с обмоткой, скорость которого равна измеряемой скорости вращения. В обмотке ротора возбуждается постоянное напряжение, пропорциональное скорости его вращения. Это напряжение через коллектор подается на выходные зажимы. В результате в условиях эксплуатации предельно достижимая погрешность тахогенератора может достигать значения 0.2%.

Принцип работы простейших дискретных датчиков скорости вращения заключается в счете числа оборотов N в единицу времени. Для измерения больших скоростей с удовлетворительной точностью этого достаточно. Однако для измерения малых скоростей с повышенной точностью применяются датчики, у которых частота импульсов на выходе — есть величина, кратная числу оборотов в минуту, а именно . Преобразование частоты в код выполняется с помощью АЦП, описанных ранее в п. 6.2.3.

Ввиду многообразия дискретных датчиков скорости вращения приведем лишь отдельные примеры оптических и магниторезистивных датчиков, представленные на рис. 82.

В простейшем оптическом датчике скорости вращения (см. рис. 82 а) используется диск 1 с K отверстиями или прорезями. Этот диск монтируется на вал, скорость вращения которого требуется измерить. По одну сторону диска устанавливается источник света 2, по другую — приемник света 3, в качестве которого может быть использован фотодиод или фототриод. При вращении вала, а вместе с ним и диска свет, попадающий на приемник, прерывается K раз за

один оборот, и частота следования импульсов от фотоприемника будет равна , где N — измеряемая скорость вращения. Эти импульсы от фотоприемника воспринимаются электронной схемой, усиливаются и формируются в виде потока однородных импульсов напряжения или тока.

При невозможности установить на вал подобный диск в датчике скорости вращения может использоваться отраженный свет, как, например, показано на рис. 82 б. На поверхность вала с помощью специальной краски или иного материала параллельно оси вращения с равномерным шагом наносятся K полос 1. Луч света от источника 2 направляется на поверхность вала, а фотоприемник воспринимает отраженный свет. Если вал темный, наносят светлые полосы, если вал отшлифован и хорошо отражает свет, полосы — темные. И в этом случае частота импульсов света, воспринимаемых фотоприемником, также равна , где  N  — измеряемая скорость вращения.

Для применения магниторезистивного датчика скорости вращения на вал устанавливается зубчатое колесо с K зубцами или используется имеющаяся на объекте шестерня из магнитного материала. На некотором расстоянии от этого зубчатого колеса монтируется магнит с полюсными наконечниками так, чтобы расстояние по дуге между ними было кратно шагу зубчатого колеса, как это показано на рис. 82 в. На полюсных наконечниках магнита устанавливаются магниторезисторы, сопротивление которых увеличивается при совпадении зубцов колеса с полюсами магнита. За один оборот колеса или шестерни количество таких совпадений будет равно K. При питании магниторезисторов постоянным током I на нем возникнет K импульсов напряжения, которые затем могут быть усилены, и из них сформируются импульсы одинаковой формы. Частота импульсов равна , где N — скорость вращения зубчатого колеса или шестерни.

Аналогичным образом может быть измерена скорость вращения турбинного расходомера, расположенного в трубе (или в специальной вставке) из немагнитного материала. Такой метод можно применять для измерения скорости движения v по трубе или расхода Q горючих жидкостей и газов. Для его реализации в немагнитную вставку или в трубу из немагнитного материала монтируется крыльчатка из магнитного материала с K лопастями. На наружной поверхности трубы устанавливается магнит с полюсными наконечниками и магниторезисторы МР, как показано на рис. 82 г. При движении по трубе жидкости или газа крыльчатка вращается со скоростью, пропорциональной скорости движения среды. Сопротивление тензорезисторов будет изменяться с той же частотой, то есть , где N — скорость вращения крыльчатки.

Для измерения экстремально малых скоростей могут быть полезными угловые индуктосины с малым шагом обмоток.

Для применения в многоканальных измерительных информационных системах наиболее удобными датчиками скорости являются тахогенераторы, поскольку их выходной сигнал есть постоянное напряжение, зависящее от измеряемой скорости. Этот сигнал того же вида, что и сигналы в других каналах системы.

students-library.com

Датчики скорости вращения для управления приводом (коробки передач)

Применение

Датчики управления приводом снимают показания числа оборотов вала в АТ-, ASG-, DSG- и CVT-приводах. Это показания числа оборотов турбин и приводов в приводах AT с гидродинамическим преобразователем крутящего момента, числа оборотов первичного и вторичного шкива в CVT-приводах и числа оборотов обоих валов и приводного вала в DSG-приводах. При наличии высоких требований к динамике регулирования разгона снимаются показания числа оборотов двигателя, ожидаемые на элементе разгона.

Для оптимизации управления сцеплением и предотвращения отката автомобиля назад может потребоваться датчик для определения направления вращения. Используются как: автономные датчики, так: и модели, интегрированные в электронные модули, которые устанавливаются как: внутри привода, так: и снаружи.

Требования

Датчики числа оборотов привода подвергаются высоким нагрузкам вследствие

  • экстремальных температур от -40 до + 150°С;
  • агрессивной среды, обусловленной применением трансмиссионного масла;
  • высоких механических нагрузок с ускорениями до 30g, а также
  • образование металлических частиц вследствие износа деталей в коробке передач.

Эти нагрузки обусловливают высокие требования к электроники, используемой в датчиках. С помощью современной корпусов, не поддающихся воздействию масла, срок службы в трансмиссионном масле может достигать более 15 лет.

Из-за очень компактного исполнения коробок передач обычно невозможно стандартизировать геометрические размеры датчиков. Так, для каждой коробки передач требуются специальные модели датчиков, которые различаются по длине, направлению снятия показаний и монтажному фланцу в интегрированных модульных типах. В автономных датчиках еще одной переменной является положение монтажной втулки и модель штекера.

Рис. Модели датчиков:

  • а Нижнее считывание показаний
  • b Боковое считывание показаний
  • с Наклонное считывание показаний
  1. Направление считывания показаний

Для реализации всего спектра функциональных требований используются ASIC Холла (Application Specific Integrated Circuit — специализированные интегральные микросхемы) различной степени сложности алгоритмов обработки данных.

Рис. Сложность требований

Если для считывания числа оборотов используется ферромагнитное триггерное колесо или триггерная зона (с зубцами, с насечками или выштамповками) на вращающихся компонентах привода (коробки передач), то магнитное поле, необходимое для работы датчика Холла, создается магнитом с напряжением отрицательного смещения. Он расположен в датчике сразу за специализированной интегральной микросхемой.

Компактные модели коробок передач все больше нуждаются в возможности считывать показания числа оборотов на больших расстояниях (магнитные воздушные зазоры) через вращающиеся немагнитные компоненты или стенку корпуса. Для таких условий эксплуатации используются мультиполюсные кольца (магнитные кольца), в датчике не используется магнит с напряжением отрицательного смещения.

Конструкция

Рис. Датчик Холла с двухпроводным интерфейсом

Специальные интегральные микросхемы Холла, применяющиеся в датчиках скорости вращения привода, в зависимости от магнитного интерфейса фиксируются в держателе в присутствии магнита с напряжением отрицательного смещения или без него, электрический контакт создается посредством сварки, затем микросхемы устанавливаются в корпус, заливаются эпоксидной смолой или — в моделях, которые устанавливаются снаружи привода (коробки передач) — устанавливаются в оболочку, не пропускающую масло, посредством покрытия бесшовной оболочкой на экструдере. Датчик имеет двухпроводной интерфейс, сочетающий в себе оптимальные диагностические способности с минимальным числом электрических соединений. Два разъема служат как для питания интегральных микросхем Холла, так: и для передачи сигнала.

Принцип действия

Дифференциальные датчики Холла разработаны специально для измерения угловой скорости вращения. Датчик содержит два интегрированных элемента Холла, разнесенных на небольшое расстояние. Сигналы от двух элементов Холла алгебраически вычитаются в встроенном дифференциальном усилителе. Одновременно компенсируется большая часть помех.

Разностный сигнал дополнительно усиливается в некоторых типах интегральных схем и только затем преобразуется в цифровой.

При этом формируется сигнал с двумя уровнями тока (стандартно 7 мА при низком уровне и 14 мА при высоком уровне), частота которого соответствует частоте смены зубцов зубчатого колеса и таким образом рассчитывается число оборотов. Обработка сигнала осуществляется в блоке с помощью измерительного резистора Rm, который преобразует ток датчика Is в напряжение сигнала URM.

В целом принцип действия разностной интегральной микросхемы Холла зависит от того, установлен ли датчик на стальном триггерном колесе или мультиполюсном кольце (a и b).

Рис. Принцип действия датчика скорости вращения привода

  • а Расположение триггерного кольца
  • b Расположение мультиполюсного кольца
  • с Разностный сигнал между датчиками Холла R и С
  • d Разностный сигнал между датчиками Холла С и L
  • е Выходной сигнал для направления вращения вправо
  • f Выходной сигнал для направления вращения влево
  1. Триггерное кольцо
  2. Датчики Холла L и R (С опционно для определения направления вращения)
  3. Постоянный магнит (back-bias)
  4. Мультиполюсное кольцо
  5. Смещение фаз в зависимости от направления вращения

В некоторых коробках передач реализованы функции, для которых необходимо определение положения «стоп». Для такого использования датчик должен иметь максимально возможную невосприимчивость к изменениям воздушного зазора, обусловленным вибрациями, и вращательным колебаниям триггерного кольца. Свойство датчика — обозначенное как: невосприимчивость к вибрациям — при использовании дифференциальных датчиков, содержащих два интегрированных элемента Холла можно реализовать только очень ограниченно. Благодаря использованию трех датчиков Холла получаем два сдвинутых по фазе разностных сигнала. С их помощью можно определить направление вращения (рис. с..f) и повысить невосприимчивости к вибрациям.

Стандартные параметры датчиков «Value» (обычные датчики) и «High feature» (улучшенные датчики) отличаются величиной воздушного зазора (максимальное расстояние от датчика до зубчатого колеса), диапазоном частоты сигнала (оборотов колеса) и встроенными дополнительными функциями.

Таблица. Параметры

Сложность конфигурации привода, ограничения монтажного пространства, включая все конструкционные краевые условия и функциональные требования, вынуждают к использованию нестандартных вариантов решений. Для них характерны комбинации интегральных микросхем, варианта корпуса, механических и магнитных интерфейсов датчика, разработанных под конкретные системные требования.

ustroistvo-avtomobilya.ru

7.11. Датчики скорости вращения

Наиболее
распространенными датчиками скорости
вращения являются аналоговые датчики
тахогенераторы
и дискретные датчики — преобразователи
скорости вращения в частоту импульсов.

Тахогенератор —
это коллекторный генератор постоянного
тока, статор которого изготовлен из
хорошо стабилизированных постоянных
магнитов, обеспечивающих погрешность
воспроизведения индукции магнитного
поля в зазоре до 0.05%. В этом поле вращается
ротор с обмоткой, скорость которого
равна измеряемой скорости вращения. В
обмотке ротора возбуждается постоянное
напряжение, пропорциональное скорости
его вращения. Это напряжение через
коллектор подается на выходные зажимы.
В результате в условиях эксплуатации
предельно достижимая погрешность
тахогенератора может достигать значения
0.2%.

Принцип работы
простейших дискретных датчиков скорости
вращения заключается в счете числа
оборотов N
в
единицу времени. Для измерения больших
скоростей с удовлетворительной точностью
этого достаточно. Однако для измерения
малых скоростей с повышенной точностью
применяются датчики, у которых частота
импульсов на выходе — есть величина,
кратная числу оборотов в минуту, а именно
.
Преобразование
частоты в код выполняется с помощью
АЦП, описанных ранее в п. 6.2.3.

Ввиду многообразия
дискретных датчиков скорости вращения
приведем лишь отдельные примеры
оптических и магниторезистивных
датчиков, представленные на рис. 82.

В простейшем
оптическом датчике скорости вращения
(см. рис. 82 а) используется диск 1 с K
отверстиями
или прорезями. Этот диск монтируется
на вал, скорость вращения которого
требуется измерить. По одну сторону
диска устанавливается источник света
2, по другую — приемник света 3, в качестве
которого может быть использован фотодиод
или фототриод. При вращении вала, а
вместе с ним и диска свет, попадающий
на приемник, прерывается K
раз за

один оборот, и
частота следования импульсов от
фотоприемника будет равна
,
гдеN

измеряемая скорость вращения. Эти
импульсы от фотоприемника воспринимаются
электронной схемой, усиливаются и
формируются в виде потока однородных
импульсов напряжения или тока.

При невозможности
установить на вал подобный диск в датчике
скорости вращения может использоваться
отраженный свет, как, например, показано
на рис. 82 б. На поверхность вала с помощью
специальной краски или иного материала
параллельно оси вращения с равномерным
шагом наносятся K
полос
1. Луч света от источника 2 направляется
на поверхность вала, а фотоприемник
воспринимает отраженный свет. Если вал
темный, наносят светлые полосы, если
вал отшлифован и хорошо отражает свет,
полосы — темные. И в этом случае частота
импульсов света, воспринимаемых
фотоприемником, также равна
,
гдеN

измеряемая
скорость вращения.

Для применения
магниторезистивного датчика скорости
вращения на вал устанавливается зубчатое
колесо с K
зубцами
или используется имеющаяся на объекте
шестерня из магнитного материала. На
некотором расстоянии от этого зубчатого
колеса монтируется магнит с полюсными
наконечниками так, чтобы расстояние по
дуге между ними было кратно шагу зубчатого
колеса, как это показано на рис. 82 в. На
полюсных наконечниках магнита
устанавливаются магниторезисторы,
сопротивление которых увеличивается
при совпадении зубцов колеса с полюсами
магнита. За один оборот колеса или
шестерни количество таких совпадений
будет равно K.
При питании магниторезисторов постоянным
током I
на нем
возникнет K
импульсов
напряжения, которые затем могут быть
усилены, и из них сформируются импульсы
одинаковой формы. Частота импульсов
равна
,
гдеN

скорость вращения зубчатого колеса или
шестерни.

Аналогичным образом
может быть измерена скорость вращения
турбинного расходомера, расположенного
в трубе (или в специальной вставке) из
немагнитного материала. Такой метод
можно применять для измерения скорости
движения v
по
трубе или расхода Q
горючих
жидкостей и газов. Для его реализации
в немагнитную вставку или в трубу из
немагнитного материала монтируется
крыльчатка из магнитного материала с
K
лопастями.
На наружной поверхности трубы
устанавливается магнит с полюсными
наконечниками и магниторезисторы МР,
как показано на рис. 82 г. При движении
по трубе жидкости или газа крыльчатка
вращается со скоростью, пропорциональной
скорости движения среды. Сопротивление
тензорезисторов будет изменяться с той
же частотой, то есть
,
гдеN

скорость вращения крыльчатки.

Для измерения
экстремально малых скоростей могут
быть полезными угловые индуктосины с
малым шагом обмоток.

Для применения в
многоканальных измерительных
информационных системах наиболее
удобными датчиками скорости являются
тахогенераторы, поскольку их выходной
сигнал есть постоянное напряжение,
зависящее от измеряемой скорости. Этот
сигнал того же вида, что и сигналы в
других каналах системы.

203

studfiles.net

Датчики частоты вращения двигателя

Применения

Датчики частоты вращения двигателя используются в системах управления двигателем для:

  • измерения числа оборотов двигателя
  • определения положения коленчатого вала (положение поршня двигателя)

Число оборотов рассчитывается по интервалу между сигналами датчика скорости вращения.

Индуктивные датчики скорости вращения

Рис. Индуктивный датчик скорости вращения (конструкция):

  1. Постоянный магнит
  2. Корпус датчика
  3. Корпус двигателя
  4. Полюсный контактный штифт
  5. Обмотка
  6. Воздушный зазор
  7. Зубчатое колесо с точкой отсчета

Конструкция и принцип действия Датчик монтируется прямо напротив ферромагнитного зубчатого колеса (поз. 7) с определенным воздушным зазором. Он имеет сердечник из магнитомягкой стали (полюсный контактный штифт, поз. 4) с обмоткой (5). Полюсный контактный штифт соединен с постоянным магнитом (1). Магнитное поле распространяется через полюсный контактный штифт, проходя в зубчатое колесо. Магнитный поток, проходящий через катушку, зависит от того, попадает ли расположение датчика напротив впадины или зуба колеса. Зубец соединяет в пучок магнитный поток рассеяния, исходящий от магнита. Через катушку происходит усиление сетевого потока. Впадина, наоборот, ослабляет магнитный поток. Эти изменения магнитного потока при вращении зубчатого колеса индуцируют в катушке синусоидальное выходное напряжение, пропорциональное скорости изменения и числу оборотов двигателя. Амплитуда переменного напряжения интенсивно возрастает с увеличением числа оборотов (несколько мВ… > 100 В). Достаточная амплитуда присутствует, начиная с минимального числа оборотов от 30 в минуту.

Рис. Сигнал индуктивного датчика скорости вращения двигателя:

  1. Зуб
  2. Впадина
  3. Опорный сигнал

Активные датчики скорости вращения

Активные датчики скорости вращения работают по магнитостатическому принципу. Амплитуда выходного сигнала не зависит от числа оборотов. Благодаря этому можно измерять скорость вращения и при очень низком числе оборотов (квазистатическое определение числа оборотов).

Дифференциальный датчик Холла

На проводящей ток пластинке, по которой вертикально проходит магнитная индукция В, поперечно к направлению тока можно снимать напряжение UH (напряжение Холла), пропорциональное направлению тока.

Рис. Принцип работы дифференциального датчика Холла:

  • а Расположение датчика
  • b Сигнал датчика Холла
  • большая амплитуда при маленьком воздушном зазоре
  • маленькая амплитуда при большом воздушном зазоре
  • с Выходной сигнал
  1. Магнит
  2. Датчик Холла 1
  3. Датчик Холла 2
  4. Зубчатое колесо

В дифференциальном датчике Холла магнитное поле вырабатывается постоянным магнитом (поз. 1). Между магнитом и импульсным кольцом (4) находятся два сенсорных элемента Холла (2 и 3). Магнитный поток, который проходит сквозь них, зависит от того, находится ли датчик скорости вращения напротив зубца или паза. Благодаря созданию разности сигналов от обоих датчиков достигается снижение магнитных сигналов возмущения и улучшенное соотношение сигнала/ шума. Боковые поверхности сигнала датчика могут обрабатываться без оцифровывания непосредственно в блоке управления.

Вместо ферромагнитного зубчатого колеса используются также многополюсные колеса. Здесь на немагнитном металлическом носителе установлен намагничивающийся пластик, который попеременно намагничивается. Эти северные и южные полюсы принимают на себя функцию зубцов колеса.

AMR-датчики

Рис. Принцип определения числа оборотов с помощью датчика AMP:

  • а Размещение
  • в различные моменты времени
  • b Сигнал датчика AMP
  • с Выходной сигнал
  1. Импульсное (активное) колесо
  2. Сенсорный элемент
  3. Магнит

Электрическое сопротивление магнито-резистивного материала (AMP, анизотропный магниторезистивный) является анизотропным. Это означает, что оно зависит от направления магнитного поля, которое на него воздействует. Это свойство используется в AMP-датчике. Датчик находится между магнитом и импульсным кольцом. Линии поля изменяют свое направление, когда вращается импульсное (активное) колесо. В результате формируется синусоидальное напряжение, которое усиливается в схеме обработки данных и преобразуется в сигнал прямоугольной формы.

GMR-датчики

Усовершенствование активных датчиков скорости вращения отражено в использовании технологии GMR (ГМР) (Giant Magneto-Resistance). По причине высокой чувствительности по сравнению с датчиками AMP здесь возможны большие воздушные зазоры, за счет чего предполагаются использования в трудных сферах применения. Более высокая чувствительность производит меньше шумов фронта сигнала.

В ГМР-датчиках возможны также все двухпроводные порты, используемые ранее в датчиках скорости вращения Холла.

ustroistvo-avtomobilya.ru

Датчики частоты вращения колеса

Датчики частоты вращения колеса
Применение
Датчики частоты вращения колеса служат для определения скорости вращения колес автомобиля (числа оборотов колеса). Сигналы частоты вращения передаются по кабелю в блок управления ABS, ASR или ESP автомобиля, который индивидуально управляет силой торможения каждого колеса. Этот контур регулирования предотвращает блокирование (при наличии ABS) или прокручивание колес (при наличии ASR или ESP) и гарантирует устойчивость и управляемость автомобиля. Системы навигации также нуждаются в сигналах частоты вращения колеса, чтобы рассчитывать пройденный путь (например, в туннелях или при отсутствии сигналов спутника).

Конструкция и принцип действия
Сигналы для датчика частоты вращения колеса формируются с помощью стального импульсного датчика, жестко соединенного со ступицей колеса (для пассивных датчиков), или мультиполюсного магнитно-импульсного датчика (для активных датчиков). Этот импульсный датчик имеет такую же скорость вращения, что и колесо, и проходит бесконтактно чувствительную зону головки датчика. Датчик «считывает» без прямого контакта через воздушный зазор величиной до 2 мм (рис. 2).
Воздушный зазор (с небольшими допусками) служит для того, чтобы обеспечить процесс получения сигнала без помех. Возможные помехи, такие как колебания, вибрации, температура, влажность, условия установки на колесе и пр. исключаются.



  Рисунок № 1 Пассивные (индуктивные) датчики частоты вращения
 

а Резцовый контактный штифт (плоский индуктор)

b Ромбовидный контактный штифт (крестовидный индуктор)

С 1998 г. вместо пассивных (индуктивных) датчиков частоты вращения в новейших разработках используются практически исключительно активные датчики частоты вращения колеса. Пассивные (индуктивные) датчики частоты вращения состоят из постоянного магнита (рис. 2, поз. 1) и соединенного с ним магнитомягкого полюсного контактного штифта (3), который вставлен в катушку (2). Таким образом, создается постоянное магнитное поле.
Полюсный контактный штифт находится прямо над импульсным колесом (4), зубчатым колесом, жестко соединенным со ступицей. Во время вращения импульсного колеса существующее постоянное магнитное поле «нарушается» из-за постоянной смены зубца и впадины. За счет этого изменяется магнитный поток, проходящий через полюсный контактный штифт, а вместе с ним и магнитный поток, проходящий через витки катушки. Смена магнитных полей индуцирует в обмотке переменное напряжение, которое снимается на концах обмотки.
Как частота, так и амплитуда переменного напряжения пропорциональны числу оборотов колеса (скорости вращения) (рис. 3). Когда колесо не движется, индуцируемое напряжение также равно нулю.
Форма зубцов, воздушный зазор, крутизна скачка напряжения и входная чувствительность прибора управления определяют минимальную измеряемую скорость автомобиля, а также минимально возможную для использования ABS чувствительность срабатывания и скорость переключения.



  Рисунок № 2 Чертеж принципа действия пасивного датчика скорости вращения
 

1 Постоянный магнит
2 Магнитная катушка
3 Полюсный контактный штифт
4 Импульсное колесо из стали
5 Магнитные линии поля

Поскольку условия монтажа на колесе не везде одинаковые, существуют различные формы полюсных контактных штифтов и различные варианты монтажа. Наиболее распространены резцовый полюсный контактный штифт (рис. 1а, также называемый плоским индуктором) и ромбовидный контактный штифт (рис. lb, также называемый крестовидным индуктором). Оба полюсных контактных штифта при монтаже должны быть точно направлены к импульсному кольцу.



  Рисунок № 3 Выходное напряжение сигнала пассивного датчика скорости вращения
 

а Пассивный датчик скорости вращения с импульсным кольцом

b Сигнал датчика при постоянной скорости вращения колеса

с Сигнал датчика при возрастающей скорости вращения колеса

Активный датчик скорости вращения
Сенсорные элементы
В современных тормозных системах используются практически исключительно активные датчики скорости вращения (рис. 4). Обычно они состоят из герметично залитой пластиком кремниевой интегральной микросхемы, распложенной в головке датчика.
Наряду с магниторезистивными интегральными микросхемами (изменение электрического сопротивления при изменении магнитного поля) фирма «Bosch» все еще использует в больших объемах сенсорные элементы Холла, которые реагируют на малейшие изменения магнитного поля и поэтому могут использоваться при воздушных зазорах большего размера по сравнению с пассивными датчиками скорости вращения.
Активное (импульсное) кольцо
В качестве импульсного кольца активного датчика скорости вращения используется мультиполюснное колесо. Речь идет о поочередно расположенных постоянных магнитах, расположенных в форме кольца на немагнитном металлическом носителе (рис. 6 и рис. 7а). Северный и южный полюса этих магнитов выполняют функцию зубцов импульсного кольца. На интегральную микросхему датчика воздействует постоянно изменяющееся магнитное поле. Поэтому магнитный поток, проходящий через интегральную микросхему, также изменяется при вращении мультиполюсного кольца.



 Рисунок № 4 Активный датчик скорости вращения
  

В качестве альтернативы мультиполюсному кольцу можно использовать стальное зубчатое колесо. В этом случае на интегральную микросхему Холла устанавливается магнит, вырабатывающий постоянное магнитное поле (рис. 7b). Во время вращения импульсного кольца существующее постоянное магнитное поле подвергается воздействию «помех» из-за постоянной смены зубца-выемки. В остальном принцип измерения, обработки сигнала и интегральная микросхема идентичны таковым в датчике без магнита.



  Рисунок № 5 Экспозиционный чертеж с мультиполюсным импульсным датчиком
 

1 Ступица колеса
2 Шарикоподшипник
3 Мультиполюсное кольцо
4 Датчик скорости вращения колеса

Характеристики
Типичное явление для активного датчика скорости вращения — интеграция измерительного элемента Холла, усилителя сигнала и подготовки сигнала в интегральной микросхеме (рис. 8). Данные о скорости вращения передаются в виде подводимого тока в форме прямоугольных импульсов (рис. 9). Частота импульсов тока пропорциональна числу оборотов колеса, а считывание показаний возможно почти до остановки колеса (0,1 км/ч).



  Рисунок № 6 тивный датчик скорости вращения в разрезе 
 

1 Сенсорный элемент
2 Мультиполюсное кольцо со сменным
намагничиванием север-юг



 Рисунок № 7 Чертеж принципа работы при определении скорости вращения 
 

а Интегральная микросхема Холлас мультиполюсным импульсным датчиком

b Интегральная микросхема Холла со стальным
импульсным кольцом и магнитом в датчике


1 Сенсорный элемент
2 Мультиполюсное кольцо
3 Магнит
4 Стальное импульсное колесо

Питающее напряжение находится в диапазоне между 4,5 и 20 Вольт. Уровень прямоугольного выходного сигнала составляет 7 мА (низкий) и 14 мА (высокий). При такой форме передачи цифровых сигналов, например, индуктивное напряжение помех является неэффективным по сравнению с пассивным индуктивным датчиком. Связь с блоком управления осуществляется двухпроводным кабелем.



  Рисунок № 8 Блок-схема интегральной микросхемы Холла
 

Компактная конструкция и небольшой вес позволяют монтировать активный датчик скорости вращения на подшипнике колеса или в нем (рис. 10). Для этого подходят различные стандартные формы головки датчика.



 Рисунок № 9 Преобразование сигнала в интегральной микросхеме Холла 
 

а Исходный сигнал

b Выходной сигнал

0S1 Верхний порог переключения

US1Нижний порог переключения



  Рисунок № 10 Подшипник колеса с датчиков скорости вращения
 1 Датчик скорости вращения 

Цифровая обработка сигнала позволяет передавать кодированную дополнительную информацию с помощью широтноимпульсно-модулируемого выходного сигнала (рис. 11).
Определение направления вращения колес: это особенно необходимо для функции «Hill Hold Control», предотвращающей откат автомобиля назад во время подъема на гору. Определение направления вращения также используется для навигации автомобиля.
Определение состояния остановки: эти данные также обрабатываются в функции «Hill Hold Control». Дальнейшая обработка данных входит в раздел самодиагностики.
Качество сигнала датчика: можно передавать данные о качестве сигнала датчика. Посредством этого водитель в случае ошибки может получить информацию о необходимости своевременно обратиться в сервисную службу.



  Рисунок № 11 Кодированная передача данных с помощью широтно-импульсно-модулируемых сигналов

 

а Сигнал скорости при движении назад
b Сигнал скорости при движении вперед
с Сигнал, когда автомобиль стоит
d Качество сигнала датчика, самодиагностика

 

sto-universal.org.ua

Датчики скорости вращения управления КПП

Применение датчика

Датчики управления приводом снимают показания числа оборотов вала в АТ-, ASG-, DSG- и CVT-приводах. Это показания числа оборотов турбин и приводов в приводах АТ с гидродинамическим преобразователем крутящего момента, числа оборотов первичного и вторичного шкива в CVT-приводах и числа оборотов обоих валов и приводного вала в DSG-приводах. При наличии высоких требований к динамике регулирования разгона снимаются показания числа оборотов двигателя, ожидаемые на элементе разгона.

Для оптимизации управления сцеплением и предотвращения отката автомобиля назад может потребоваться датчик для определения направления вращения.

Используются как автономные датчики,так и модели, интегрированные в электронные модули, которые устанавливаются как внутри привода, так и снаружи.

Требования к датчику

Датчики числа оборотов привода подвергаются высоким нагрузкам вследствие

  • экстремальных температур от -40 до + 150°С;
  • агрессивной среды, обусловленной применением трансмиссионного масла;
  • высоких механических нагрузок с ускорениями до 30g, а также
  • образование металлических частиц вследствие износа деталей в коробке передач.

Эти нагрузки обусловливают высокие требования к электроники, используемой в датчиках. С помощью современной корпусов, не поддающихся воздействию масла, срок службы в трансмиссионном масле может достигать более 15 лет.

Из-за очень компактного исполнения коробок передач обычно невозможно стандартизировать геометрические размеры датчиков. Так, для каждой коробки передач требуются специальные модели датчиков, которые различаются по длине, направлению снятия показаний и монтажному фланцу в интегрированных модульных типах (рис. 1). В автономных датчиках еще одной переменной является положение монтажной втулки и модель штекера.


Рисунок № 1 Модели датчиков
 
  1. Нижнее считывание показаний
  2. Боковое считывание показаний
  3. Наклонное считывание показаний

1 Направление считывания показаний

Для реализации всего спектра функциональных требований используются ASIC Холла (Application Specific Integrated Circuit — специализированные интегральные микросхемы) различной степени сложности алгоритмов обработки данных (рис. 2).


Рисунок № 2 Сложность требований
 

Если для считывания числа оборотов используется ферромагнитное триггерное колесо или триггерная зона (с зубцами, с насечками или выштамповками) на вращающихся компонентах привода (коробки передач), то магнитное поле, необходимое для работы датчика Холла, создается магнитом с напряжением отрицательного смещения. Он расположен в датчике сразу за специализированной интегральной микросхемой.

Компактные модели коробок передач все больше нуждаются в возможности считывать показания числа оборотов на больших расстояниях (магнитные воздушные зазоры) через вращающиеся немагнитные компоненты или стенку корпуса. Для таких условий эксплуатации используются мультиполюсные кольца (магнитные кольца), в датчике не используется магнит с напряжением отрицательного смещения.

Конструкция датчика скорости вращения для управления приводом

Специальные интегральные микросхемы Холла, применяющиеся в датчиках скорости вращения привода, в зависимости от магнитного интерфейса фиксируются в держателе в присутствии магнита с напряжением отрицательного смещения или без него, электрический контакт создается посредством сварки, затем микросхемы устанавливаются в корпус, заливаются эпоксидной смолой или — в моделях, которые устанавливаются снаружи привода (коробки передач) —устанавливаются в оболочку, не пропускающую масло, посредством покрытия бесшовной оболочкой на экструдере (рис. 3). Датчик имеет двухпроводной интерфейс, сочетающий в себе оптимальные диагностические способности с минимальным числом электрических соединений. Два разъема служат как для питания интегральных микросхем Холла, так и для передачи сигнала.


Рисунок № 3 Датчик Холла с двухпроводным интерфейсом
 

Принцип действия

Дифференциальные датчики Холла разработаны специально для измерения угловой скорости вращения. Датчик содержит два интегрированных элемента Холла, разнесенных на небольшое расстояние. Сигналы от двух элементов Холла алгебраически вычитаются в встроенном дифференциальном усилителе. Одновременно компенсируется большая часть помех.

Разностный сигнал дополнительно усиливается в некоторых типах интегральных схем и только затем преобразуется в цифровой. При этом формируется сигнал с двумя уровнями тока (стандартно 7 мА при низком уровне и 14 мА при высоком уровне),частота которого соответствует частоте смены зубцов зубчатого колеса и таким образом рассчитывается число оборотов. Обработка сигнала осуществляется в блоке с помощью измерительного резистора R M , который преобразует ток датчика IS в напряжение сигнала URM.

В целом принцип действия разностной интегральной микросхемы Холла зависит от того, установлен ли датчик на стальном триггерном колесе или мультиполюсном кольце (рис. 4а и 4b). В некоторых коробках передач реализованы функции, для которых необходимо определение положения «стоп». Для такого использования датчик должен иметь максимально возможную невосприимчивость к изменениям воздушного зазора, обусловленным вибрациями, и вращательным колебаниям триггерного кольца. Свойство датчика — обозначенное как невосприимчивость к вибрациям — при использовании дифференциальных датчиков, содержащих два интегрированных элемента Холла можно реализовать только очень ограниченно. Благодаря использованию трех датчиков Холла получаем два сдвинутых по фазе разностных сигнала. С их помощью можно определить направление вращения (рис. 4c..f) и повысить невосприимчивости к вибрациям.


Рисунок № 4 Принцип действия датчика скорости вращения привода
 
  1. Расположение триггерного кольца
  2. Расположение мультиполюсного кольца
  3. Разностный сигнал между датчиками Холла R и С
  4. Разностный сигнал между датчиками Холла С и L
  5. Выходной сигнал для направления вращения вправо
  6. Выходной сигнал для направления вращения влево


  1. Триггерное кольцо
  2. Датчики Холла L и R (С опционно для определения направления вращения)
  3. Постоянный магнит (back-bias)
  4. Мультиполюсное кольцо
  5. Смещение фаз в зависимости от направления вращения

Стандартные параметры датчиков «Value» (обычные датчики) и «High feature» (улучшенные датчики) отличаются величиной воздушного зазора (максимальное расстояние от датчика до зубчатого колеса), диапазоном частоты сигнала (оборотов колеса) и встроенными дополнительными функциями (таблица 1).






Таблица № 1 Параметры
МодельValueHigh feature

Максимальный воздушний зазор на

триггерном кольце На индуктор

2,5mm

5mm

3,5mm

7mm

Частота сигнала

0 …8kHz

012kHz

Определение направления вращения

нет

дп

Вибрация тригерного кольца

±1,5°

Сложность конфигурации привода, ограничения монтажного пространства, включая все конструкционные краевые условия и функциональные требования, вынуждают к использованию нестандартных вариантов решений. Для них характерны комбинации интегральных микросхем, варианта корпуса, механических и магнитных интерфейсов датчика, разработанных под конкретные системные требования.

sto-universal.org.ua

10.2 Центробежный датчик скорости вращения

Для
создания датчика скорости необходимо
использовать физический процесс,
результат которого зависит от скорости
движения. Одним из таких физических
процессов является возникновение
центробежной силы при вращении тела.

Величина центробежной
силы определяется выражением

, (54)

где
m
– масса тела, ω
угловая
скорость вращения, r
– расстояние до оси вращения.

Датчик
скорости вращения вала центробежного
типа был использован Уаттом в системе
управления скоростью вращения паровой
машины (регулятор Уатта), обеспечившей
устойчивую работу паровых машин. Схема
регулятора Уатта показана на рис. 100.

Рис. 100

Центробежный
датчик скорости вращения регулятора
Уатта.

В
регуляторе Уатта центробежные силы,
действующие на грузы через систему
рычагов, уравновешиваются силой пружины.
Поэтому каждому значению скорости
вращения соответствует величина сжатия
пружины и положение нижней шайбы
регулятора. Статическая характеристика
центробежного датчика скорости вращения
показана на рис. 101.

Рис. 101

Статическая
характеристика центробежного датчика
скорости вращения.

Поскольку
величина центробежной силы пропорциональна
квадрату угловой скорости вращения,
статическая характеристика является
нелинейной и однотактной.

Благодаря
простоте конструкции и надежности
центробежные датчики скорости вращения
применяются достаточно широко, но только
в тех случаях, когда направление вращения
в процессе работы не изменяется.

К
недостаткам рассмотренного варианта
датчика следует отнести большое
количество шарнирных соединений и
получение результирующего сигнала
(перемещение нижней шайбы) на подвижном
элементе конструкции.

Разновидностью
центробежного датчика скорости вращения
является миниатюрный центробежный
насос с манометром для измерения давления
(рис. 102). При вращении ротора датчика
жидкость увлекается лопастями ротора
и участвует во вращательном движении.
За счет центробежных сил на периферии
ротора увеличивается давление в жидкости,
которое регистрируется манометром.

Рис. 102

Датчик скорости
вращения с центробежным насосом.

Достоинством
такого датчика можно считать отсутствие
подвижных частей (кроме самого ротора
насоса) и получение сигнала на неподвижной
части датчика.

Общим
недостатком датчиков с использованием
центробежных сил является вид выходного
сигнала – механический или гидравлический.
В современных системах наибольшее
распространение имеют электрические
сигналы, поэтому потребуется соответствующее
преобразование сигналов центробежных
датчиков скорости.

10.3 Электромагнитные датчики скорости перемещения

В
электромагнитных датчиках скорости
перемещения используются физические
эффекты, приводящие к изменению выходного
напряжения или тока, что удобно для
дальнейшего преобразования и использования.

Одним
из таких физических эффектов является
электромагнитная индукция. При изменении
магнитного поля пронизывающего обмотку
в ней наводится ЭДС

,
(55)

где
Ф – магнитный поток через обмотку, w
– число витков обмотки.

Изменение
магнитного потока Ф через обмотку может
быть вызвано перемещением деталей,
составляющих магнитную цепь датчика.
Пример такого датчика показан на
рис.103а. Датчик состоит из трехстержневого
сердечника, подвижного якоря и обмоток.
По своему устройству рассматриваемый
датчик подобен трансформаторному
датчику перемещения, рассмотренному
выше.

а б

Рис.103

Индукционный
датчик скорости линейного перемещения.

Обмотка
на среднем стержне подключена к источнику
постоянного
тока и создает намагничивающую силу
М=J0w0.
Эта намагничивающая сила возбуждает
магнитный поток Ф0,
разветвляющийся на потоки Ф1
и Ф2,
протекающие через боковые стержни
сердечника. Величины этих потоков и их
зависимость от перемещения якоря
определяются соотношениями (40). При
неподвижном положении якоря потоки Ф1
и Ф2 остаются
постоянными и ЭДС в обмотках w1
и w2
не возникает.

При
перемещении якоря происходит изменение
потоков Ф1
и Ф2
и в обмотках w1
и w2 генерируются
ЭДС пропорциональные скорости изменения
магнитных потоков
и,
которые, в свою очередь, пропорциональны
скорости перемещения якоря.

Выходной
сигнал датчика формируется последовательным
соединением обмоток w1
и w2.

Статическая
характеристика рассмотренного датчика
двухтактная (реверсивная).

С
точки зрения динамики процесс генерации
ЭДС на выходных обмотках можно считать
безынерционным, но при подключении
нагрузки и расчете токов следует
учитывать индуктивность обмоток. В
результате датчик совместно с цепями
приемника сигнала следует считать
инерционным звеном с постоянной времени
,
гдеL
– индуктивность обмотки, R
– эквивалентное активное сопротивление
обмотки и входной цепи приемника сигнала.

Поскольку
магнитный поток возбуждается в магнитной
цепи датчика постоянной
намагничивающей
силой обмотки возбуждения J0w0
, можно
для возбуждения магнитного потока
использовать постоянный магнит,
размещенный в качестве среднего стрежня
сердечника (рис.103б).

Другой
способ использования явления
электромагнитной индукции состоит в
генерации ЭДС при перемещении проводника
в магнитном поле. Если проводник,
находящийся в постоянном равномерном
магнитном поле с индукцией В,
за время Δt
перемещается на расстояние Δx
перпендикулярно
направлению проводника, то изменение
магнитного потока, пересекающего
проводник, составит

,

где
lАКТ
– активная длина проводника (часть
проводника находящаяся в пределах
магнитного поля). В соответствии с
законом электромагнитной индукции в
проводнике возникнет ЭДС равная

(56)

Рассмотрим
пример конструкции датчика скорости
перемещения, использующего этот принцип,
показанный на рис. 104.

Рис.104.

Схема датчика
скорости линейного перемещения.

Датчик
содержит постоянный магнит 1, магнитопровод
2 и обмотку 3. Магнитопровод 2 образует
кольцевой воздушный зазор, в котором
размещена кольцеобразная обмотка,
средний диаметр которой равен dСР,
толщина h,
длина b.
Среднее значение индукции в кольцевом
магнитном зазоре равно В.

При
перемещении обмотки вдоль оси со
скоростью
в ней наводится ЭДС

(57)

Число
витков обмотки w
определяется «окном» обмотки QОК=
b h
, диаметром
обмоточного провода dМ
и коэффициентом заполнения кЗМ
(дается
в справочниках), зависящим от диаметра
провода, толщины изоляции и вида намотки.

Статическая
характеристика двухтактная (реверсивная)
и близка к линейной. Динамические
свойства, как и у предыдущего датчика,
зависят от индуктивности обмотки и
сопротивления цепи и могут быть описаны
передаточной функцией апериодического
(инерционного) звена.

Рассмотренные
электромагнитные датчики скорости
перемещения могут измерять скорость
только в ограниченном интервале
перемещения объекта. Для измерения
скорости при неограниченном перемещении
необходимы другие датчики. Наиболее
распространенное неограниченное
перемещение – вращение. Датчики скорости
вращения с неограниченным углом поворота
объединяются общим названием –
тахогенераторы.

studfiles.net