Амперметр служит для контроля за величиной разрядного и зарядного тока аккумуляторной батареи. Он состоит из корпуса 1, латунной шины 6 с двумя контактами 3 и 5, постоянного магнита 2, стального якоря 4 со стрелкой 8 и шкалы 7.
Постоянный магнит установлен на пластине, по которой проходит зарядный или разрядный ток. Параллельно магниту на специальном П-образном кронштейне установлен стальной якорь, качающийся на оси. Под углом 90° к якорю неподвижно прикреплена стрелка.
При отсутствии тока в пластине на якорь действует магнитное поле магнита и якорь устанавливается параллельно магниту — указательная стрелка стоит на нуле.
Как только по пластине пойдет зарядный ток от генератора, вокруг нее образуются магнитные силовые линии, направленные, перпендикулярно магнитным силовым линиям магнита. Таким образом, якорь оказывается сразу под действием двух магнитных полей: одно из них стремится удержать якорь параллельно постоянному магниту, а другое — повернуть его на 90° влево. С увеличением силы зарядного тока возрастает магнитный поток пластины, который заставляет поворачиваться якорь, а вместе с ним и стрелку, указывающую силу зарядного тока. Так же реагирует амперметр и на разрядный ток, но его стрелка в этом случае отклоняется в обратном направлении.
Указатель давления масла
Указатель давления масла служит для контроля за давлением масла в системе смазки работающего двигателя. Он состоит из датчика и приемника. Датчик, устанавливаемый на корпусе фильтра грубой очистки или на блоке двигателя, состоит из корпуса 9, диафрагмы 10, пластины 11, соединенной с массой и имеющей выгиб на середине и контакт 12 на конце, и из изолированной от корпуса биметаллической пластины 1, имеющей обмотку 2. Обмотка соединена одним концом с контактом биметаллической пластины 1, другим — с выводным контактным винтом 3.
Приемник размещен на щитке приборов и имеет биметаллическую пластину 5 с обмоткой 6. Обмотка соединена последовательно через дополнительное сопротивление 8 с обмоткой 2 биметаллической пластины датчика. Один конец биметаллической пластины приемника через рычаг соединен со стрелкой 7, другой закреплен на корпусе прибора.
Работа указателя давления масла основана на принципе неодинакового линейного расширения двух различных металлов: при нагревании биметаллическая пластина изгибается, при охлаждении выпрямляется.
При включении зажигания ток проходит через обмотку 6 биметаллической пластины 5 приемника, дополнительное сопротивление 8, обмотку 2 биметаллической пластины 1 датчика и через замкнутые контакты 13 и 12 на массу. При этом биметаллическая пластина датчика, нагреваясь, изгибается, размыкает контакты, затем, охлаждаясь, вновь их замыкает и т.д. Замыкание и размыкание контактов происходит быстро, а поэтому величина тока, идущего по обмотке 6 пластины приемника, настолько мала, что не отклоняет стрелки от нуля.
В работающем двигателе давление масла вызывает изгиб диафрагмы. Пластина 11 отжимается, увеличивая тем самым время, в течение которого контакты датчика замкнуты. В результате этого увеличивается сила тока, поступающего в обмотку 6 биметаллической пластины приемника. Биметаллическая пластина 5 нагревается, изгибается и отклоняет стрелку, показывая величину давления масла.
Указатель температуры воды в головке блока двигателя
Указатель температуры воды в головке блока двигателя устроен и работает аналогично указателю давления масла. Указатель температуры воды состоит из датчика, установленного в головке блока, и приемника, смонтированного в щитке приборов.
При увеличении температуры воды нагревается и воздух внутри гильзы 13 датчика, а поэтому время нагрева биметаллической пластины 6 датчика сокращается, а время остывания возрастает. В результате нагрев биметаллической пластины 10 приемника уменьшается, стрелка 11 перемещается по шкале в зону более высокой температуры.
Указатель уровня горючего также состоит из датчика и приемника. Датчик расположен на топливном баке, его реостат 9 соединен с поплавком 12 так, что при опускании поплавка реостат ползуном 10 выводится (сопротивление уменьшается), а при поднимании вводится (сопротивление увеличивается).
Рис. Схема устройства указателя уровня горючего: 1 — выключатель зажигания; 2 — якорь; 3 и 6 — электромагниты; 4 — стрелка указателя; 5 — компенсаторная скоба; 7 — железная скоба; 8 — корпус реостата; 9 — реостат; 10 — ползун; 11 — рычаг поплавка; 12 — поплавок
Приемник указателя размещен на щитке приборов и состоит из двух электромагнитов (катушек) 3 и 6, соединенных последовательно, якоря 2 со стрелкой 4 и шкалы.
Начало обмотки электромагнита 6 соединено через выключатель 1 зажигания с источником тока, конец — с началом обмотки электромагнита 3, конец которой присоединен к массе. К концу обмотки электромагнита 6 присоединен реостат 9 датчика.
При включении зажигания магнитное поле электромагнита 3 остается постоянным, а магнитное поле электромагнита 6 меняется в зависимости от положения ползуна реостата (сопротивления реостата), связанного с поплавком. Изменение магнитного поля электромагнита 6 вызывает поворот якоря 2, а с ним и отклонение стрелки 4.
Предоставляет в систему управления зажиганием или ЭБУ двигателем информацию о фазовом положении распределительного вала.
ПРИНЦИП РАБОТЫ
Рассмотрим часто встречающиеся типы датчиков фазового положения распределительного вала.
Индукционные датчики или датчики генераторного типа более распостранены и представляют собой катушку индуктивности намотанную на каркасе, внутри которого расположен магнитный сердечник. При прохождении маркерного штифта мимо магнитного сердечника датчика в катушке наводится Э.Д.С.
Аналоговый сигнал преобразуется в ЭБУ и используется в качестве параметра для управления работой двигателя.
На рисунке изображен в разрезе такой датчик.
Рис. Индуктивный датчик: 1 — постоянный магнит, 2 — корпус, 3 — место крепления, 4 — сердечник, 5 — обмотка, 6 — диск с маркерным штифтом.
Рис. Датчик распредвала.
На рисунке ниже показана осциллограмма датчика распредвала. Некоторые производители используют одинаковые индукционные датчики распредвала и коленвала.
Рис. Осциллограмма датчика распредвала.
Магнитоэлектрический датчик Холла (Hall/MRE) используют для получения импульсов напряжения при прохождении стального цилиндрического экрана между постоянным магнитом с одной стороны и полупроводником, по которому протекает ток — с другой. Некоторые производители систем управления используют одинаковый сигнал, некоторые — сложный (форма экрана), по которому можно вычислить деффектный цилиндр при неравномерной работе двигателя.
Рис. Датчик распредвала.
Рис. Осциллограмма датчика распредвала.
На рисунке ниже приведена схема системы управления, в которой используется датчик распредвала, использующий эффект Холла.
Индукционные датчики располагаются над маркерным диском. Датчики Холла обычно расположены в непосредственной близости к распредвалу, на котором закреплена металлическая маркерная часть.
НЕИСПРАВНОСТИ
Первым признаком неисправности датчика распредвала или его цепей является переобогащение топливной смеси в бензиновых двигателях, т.к. ЭБУ двигателем переходит от режима фазированного, на режим одновременного впрыска топлива. В некоторых системах управления (Audi 100, 2.8 л, двигатель ААН) отключаются функции управления зажиганием.
Дизельные двигатели обычно работают до выключения зажигания.
В индукционных датчиках случаются обрывы обмотки, межвитковое замыкание, повреждение проводов или колодки соединения.
Датчики Холла выходят из строя из-за неисправности электрической части.
МЕТОДИКА ПРОВЕРКИ
Индукционные датчики имеют сопротивление от 200 до 900 Ом.
Датчики на эффекте Холла можно проверять в отсоединённом и в присоединённом к общей схеме состоянии. На сигнальном выводе при вращении должно появляться и исчезать питающее напряжение.
Датчик оборотов двигателя предоставляет в систему управления зажиганием или ЭБУ двигателем информацию об оборотах коленчатого вала (датчик синхронизации).
Принцип работы
Рассмотрим часто встречающиеся виды датчиков оборотов, которые расположены вне распределителя зажигания.
Индукционные датчики или датчики генераторного типа более распространены и имеют несколько типов конструктивного исполнения. На рисунке изображён в разрезе такой датчик.
На рисунке ниже показана осциллограмма датчика оборотов. Маркерный диск имеет строго определённое количество зубьев.
Рис. Осциллограмма датчика оборотов.
При прохождении зуба маркерного диска вблизи сердечника датчика, изменяется величина магнитного потока. Для синхронизации, т.е. точного определения верхней мёртвой точки и вычисления величины опережения зажигания, на диске отсутствует один зуб. На осциллограмме этот момент определяется отсутствием сигнала. Для ЭБУ двигателем это информация, что ВМТ через такой-то угол поворота коленвала (для ВАЗ — 19 зубьев), т.е. сели пропуск зуба поместить под датчиком оборотов, то сосчитав 19 зубьев в сторону вращения двигателя, мы должны оказаться под меткой ВМТ на блоке.
Магнитоэлектрический датчик Холла используют для получения импульсов напряжения при прохождении сильногоцилиндрического экрана между постоянным магнитом с одной стороны и полупроводником, по которому протекает ток — с другой.
В некоторых конструкциях крыльчатка-экран не используется, а магнит крепится на подвижном элементе и при прохождении магнита вблизи чувствительного элемента датчика Холла, на его выходе появляется импульс напряжения.
Примером может служить MRE/Hall датчик коленвала, осциллограмма которого приведена на рисунке ниже. Напряжение питания 5 В.
Расположение
Индукционные датчики располагаются над маркерным диском. Сам маркерный диск может располагаться в передней части двигателя на коленчатом валу совместно со шкивом привода вспомогательных агрегатов (ВАЗ, ГАЗ, БМВ, ЯГУАР); на коленвалу внутри блока цилиндров (ОПЕЛЬ, ФОРД); на маховике.
Правильно, если маркерные зубья на маховике предназначены для использования только для датчика оборотов и плохо, сели в качестве маркерных зубьев используются стартерпые зубья (АУДИ, ВОЛЬВО). Скол или искривление зуба маховика приводит к сбоям в системе зажигания и, обычно, на повышенных оборотах двигатель отказывается работать, наблюдается хаотическое искрообразование, т.к. ЭБУ двигателем ошибается в подсчёте количества зубьев и сдвигается момент искрообразования. Очень внимательно надо относиться при замене деталей двигателя, относящихся к системе искрообразования.
Маркерный диск и система управления двигателем — единое целое.
Датчики Холла редко используются в качестве датчиков оборотов — обычно это датчики фазы и расположены в непосредственной близости к распределительному валу.
Неисправности датчика оборотов двигателя
Первым признаком неисправности датчика оборотов или его цепей является отсутствие искры, отсутствие впрыска форсунками, не происходит включение бензонасоса при проворачивании двигателя стартером (нет управляющих сигналов и коммутации системных реле). Встречаются и исключения. При неисправности в цепях датчика оборотов ЭБУ двигателем переходит в аварийный режим работы и ориентируется по датчику распредвала (ОПЕЛЬ). Бывают случаи, когда при установке на автомобиль заведомо исправного двигателя, вместо неисправного, не даёт результат. Двигатель не запускается, т.к. система управления осталась от предыдущего двигателя, в котором зубчатый диск имеет другое количество зубьев (Пример установки мотора: Opel C20NE вместо механически аналогичного-20SE).
В индукционных датчиках случаются обрывы обмотки. Проверяются обычно на наличие сопротивления. При сбоях в системе искрообразования необходимо проверить количество и качество маркерных зубьев и сравнить со справочными данными, т.к. иногда без мысли меняются маховики, коленвалы и т.п., не обращая внимания на то, что на них присутствуют маркерные части.
Датчики Холла выходят из строя из-за неисправности электрической части.
Методика проверки
Индукционные датчики имеют сопротивление от 200 до 2000 Ом.
Датчики на эффекте Холла можно проверять в отсоединённом и в присоединённом к общей схеме состоянии. На сигнальном выводе при вращении должно появляться и исчезать управляющее напряжение.
Датчик отключения бензонасоса предназначен для отключения бензонасоса (размыкание цепи питания) при сотрясении (аварии).
Один из вариантов внешнего вида инерционного датчика отключения бензонасоса приведён на рисунке.
Рис. Инерционный выключатель
Принцип работы датчика
В нормальном состоянии контакты переключателя замкнуты. После удара или сотрясения автомобиля контакты размыкаются и насос обесточивается. Для повторного включения бензонасоса необходимо нажать кнопку включателя — цепь замкнётся. На рисунке приведён фрагмент электросхемы системы управления двигателем Форд «Мондео» 2.0, 16 v — NGC.
Рис. Фрагмент схемы системы управления двигателем автомобиля Форд «Мондео»: 3 — бензонасос, 91 — реле бензонасоса, 159 — контакты инерционного выключателя питания.
Расположение
Необходимо смотреть техническую документацию. Часто располагается под панелью со стороны водителя (Хонда «Аккорд»), иногда в багажнике (Форд «Таурус»), под водительским сидением (Форд «Эскорт»).
В нормальном состоянии контакты должны быть замкнуты. При сотрясении датчика — контакты размыкаются. При нажатии кнопки контакты должны быть снова в замкнутом состоянии.
Ремонт
Вскрыть и найти причину неправильной работы: загрязнены контакты, сломана пружина и т.п.
В автомобильных системах управления 80-х годов часто использовались датчики с полюсными магнитами (по числу цилиндров), поверх стержней которых, устанавливались катушки соединённые между собой. При вращении распредвала в обмотках возникает переменное напряжение. Когда один из зубьев якоря приближается к обмотке, напряжение в ней быстро возрастает и при совпадении зуба со средней линией обмотки достигает максимума, затем, при удалении зуба, быстро меняет знак и увеличивается в противоположном направлении до максимума. Нулевой переход между двумя максимумами используется для управления системой зажигания (t3).При вращении стартером амплитуда такого напряжения составляет 0,5 — 1 В и растёт с ростом частоты вращения коленвала. Моменту запирания выходного транзистора коммутатора соответствует момент перехода через 0.
На рисунке прсдставлена разновидность индукционного датчика генераторного типа. Использовался на а\м производства Японии (Сузуки).
Магнитоэлектрический датчик Холла используют для получения импульсов напряжения при прохождении стального цилиндрического экрана между постоянным магнитом с одной стороны и полупроводником, по которому протекает ток — с другой. Далее сигнал поступает в коммутатор или в ЭБУ. Если импульсы с датчика поступают в коммутатор, они обрабатываются, усиливаются, формируются и служат для управления током первичной обмотки катушки зажигания. Если в ЭБУ двигателем, то эти импульсы служат одной из информационных слагаемых, поступающих и обрабатываемых программами, заложенными в ЭБУ двигателем.
Внешний вид распределителя зажигания с встроенным датчиком Холла приведён на рисунке.
Рис. Встроенный датчик Холла.
Осциллограмма — на рисунке ниже.
Рис. Осциллограмма с датчика Холла.
На осциллограмме управляющий сигнал прямоугольной формы 12В, но может быть и 5 В. В каждом конкретном случае необходимо обращаться к справочной информации.
Из блока управления, пересчитанный на поправочные коэффициенты, управляющий сигнал передастся на катушку зажигания (если коммутатор расположен внутри блока управления) или на коммутатор. Ниже приведена электрическая схема системы управления сдатчиком Холла в системе зажигания а\м VW Пассат, дв. 1,8 л, K-Jetronic.
Рис. Электрическая схема системы управления двигателем K-Jetronic: 40 — датчик Холла, 10 — коммутатор, 103 — блок управления зажиганием, 102 — блок управления режимом холостого хода, 11 — катушка зажигания, 6 — регулятор холостого хода.
Сигнал с датчика Холла об оборотах двигателя поступает в блок управления зажиганием (103), пересчитывается с учётом положения датчика дросселя и температуры двигателя, формируется и передаётся на коммутатор, который является усилительным каскадом для управления током первичной обмотки катушки зажигания (иногда состоит из одного ключевого транзистора). Рассмотренная схема использовалась на а\м выпуска 80-х годов.
В некоторых конструкциях крыльчатка-экран не используется, а магнит крепится на подвижном элементе и при прохождении магнита вблизи чувствительного элемента датчика Холла, на его выходе появляется импульс напряжения.
Оптические датчики имеют большую разрешающую способность и компактные размеры програмного диска, что позволяет с высокой точностью определять положение коленчатого вала. Ниже приведена электросхема а\м NISSAN NX-100, дв. 1,6 л.
Рис. Электрическая схема системы управления двигателем автомобиля NISSAN
Принцип действия такого датчика заключается в периодическом прерывании светового потока, созданного излучателем (светодиодом) и регистрации изменений этого потока приёмником (фотодиодом). Прерывание осуществляется маркерным диском с большим количеством прорезей.
После усиления выходного напряжения с фотодиода на выходе датчика получается напряжение импульсной формы. На электросхеме оптические датчики расположены под номерами 178 и 179.
Это двухканальный оптический датчик. На одном канале формируется информация об угловом положении коленвала, а на другом — фазовое положение распредвала. На рисунке приведено изображение распределителя зажигания, в котором установлен двухканальный оптический датчик.
Рис. Распределитель зажигания
Осциллограмма углового положения коленвала приведена на рисунке. Видно, что все импульсы одинаковой формы и с одинаковой скважностью.
Рис. Сигнал угловой синхронизации.
На рисунках ниже приведены осциллограммы фазового положения распредвала. Каждый четвёртый импульс имеет отличную от трёх других форму (для 4х цилиндрового двигателя) для определения начала отсчёта.
Рис. Сигнал датчика фазы.
Осциллограммы могут быть и другими. В данном примере приведены два из возможных вариантов.
РАСПОЛОЖЕНИЕ
В распределителе зажигания.
НЕИСПРАВНОСТИ
В индукционных датчиках случаются обрывы обмотки. Проверяются обычно на наличие сопротивления.
Датчики Холла выходят из строя из-за неисправности электрической части (усилитель-ограничитель).
Оптические датчики выходят из строя из-за неисправности электроники или засорения щелевидных отверстий маркерного диска. На поверхность может попадать масло, проникающее через сальник распределительного вала, пыль.
МЕТОДИКА ПРОВЕРКИ
Индукционные датчики проверяются в отсоединённом от основной схемы виде, вращением рукой или стартером. Па выходе должно быть синусоидальное изменение напряжения с амплитудой от мах. «+» до мах. «-» 1 В при малых оборотах и возрастать до 5 — 7 В -на высоких оборотах работающего двигателя. При соединении датчика в общую схему, характеристика сигнала не должна изменяться (при отсутствии к. з.).
Датчики на эффекте Холла можно проверять в отсоединённом и в присоединённом к общей схеме состоянии. Если датчик присоединён к общей схеме, при включении зажигания на 1 и 3 выводе должно появиться напряжения 5 или 12 В (смотреть справочную информацию). На 2 м (сигнальном) выводе, во время вращения стартером, должно периодически появляться напряжение (5 или 12 В).
Если датчик отсоединён от общей схемы, то для проверки работоспособности датчика необходимо собрать небольшую схему изображённую рядом.
Рис. Небольшая схема
На разъёмы «+» и «-» подать питающее напряжение соответственно. При вращении ротора вручную на сигнальном выводе должно появляться и исчезать до нуля питающее напряжение.
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
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
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
Триггерное кольцо
Датчики Холла L и R (С опционно для определения направления вращения)
Постоянный магнит (back-bias)
Мультиполюсное кольцо
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.
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):
Постоянный магнит
Корпус датчика
Корпус двигателя
Полюсный контактный штифт
Обмотка
Воздушный зазор
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:
Зуб
Впадина
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
Магнит
Датчик Холла 1
Датчик Холла 2
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
Импульсное (активное) колесо
Сенсорный элемент
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.
Распределительный вал редуцирован по сравнению с коленчатым валом на 1:2. Их положение отображает, находится ли поршень двигателя, движущийся к верхней мертвой точке, в такте сжатия или такте выпуска. Датчик фазы на распределительном вале (также называемый фазовым датчиком) передает эту информацию на блок управления. Она необходима, например, для систем зажигания с одноискровыми катушками и для последовательного впрыска топлива (SEFI).
Конструкция и принцип действия
Стержневые датчики Холла
Рис. Стержневой датчик Холла:
а Позиционирование датчика и приводного импульсного (активного) колеса
b Прохождение выходного сигнала UA
Электрический разъем (штекер)
Корпус датчика
Корпус двигателя
Уплотнительное кольцо
Постоянный магнит
Интегральная схема Холла (1С Холла)
Импульсное (активное)колесо с зубчатым сегментом (Z) и просветом (L)
а Воздушный зазор
Ф Угол поворота
Стержневые датчики Холла используют эффект Холла: вместе с распределительным валом вращается ротор (поз. 7, импульсное (активное) колесо с зубцами или сегментами или перфорированной диафрагмой) из ферромагнитного материала. Интегральная схема Холла (1С) (6) находится между ротором и постоянным магнитом (5), который формирует магнитное поле перпендикулярно элементу Холла.
Рис. Поколения датчиков распределительного вала: TIM = twist intensive mounting (это означает, что датчик может вращаться вокруг любой оси, без ущерба для точности). ТРО = true power on (это означает, что датчик распознает непосредственно в момент включения, находится ли он напротив зубца или просвета. Это важно для короткого времени синхронизации между сигналом коленчатого и распределительного вала)
Если зубец (Z) попадает на сенсорный элемент, пропускающий ток, (полупроводниковую пластинку) стержневого датчика, напряженность магнитного поля изменяется перпендикулярно элементу Холла. За счет этого создается сигнал по напряжению (напряжение Холла), который не зависит от относительной скорости между датчиком и импульсным (активным) колесом. Интегрированная электроника, обрабатывающая данные в микросхеме Холла (1С) подготавливает сигнал и выдает его как: сигнал прямоугольной формы.
Контроль отдельных систем и датчиков в D-OBD выполняется аналогично алгоритмам OBD у бензиновых двигателей. Поэтому мы лишь кратко остановимся на некоторых деталях. Общий контроль прочих систем и датчиков зависит от типа автомобиля и уровня оснащения. Проверяется электрическая функция всех датчиков, исполнительных механизмов и выходных каскадов, а также правдоподобность сигналов. Каждый ЭБУ контролирует подключенные к нему датчики, исполнительные механизмы и выходные каскады по падению напряжения. Проверка выполняется по следующим критериям:
входные и выходные сигналы;
замыкание на массу деталей и/или сигнальную массу;
КЗ детали или сигнала;
обрыв цепи.
Отдельные датчики, как и в случае с OBD бензиновых двигателей, проверяются на три типа ошибок — правдоподобность сигналов датчиков, постоянно измеряемые значения и выходы за пределы диапазонов.
Диагностика CAN — шины
ЭБУ дизельного двигателя «знает» блоки управления, относящиеся к D-OBD и обменивающиеся данными по CAN — шине. При отсутствии ожидаемых сообщений от определенного электронного блока распознается и регистрируется неисправность. Примеры ЭБУ на CAN — шине, имеющих отношение к D-OBD:
ЭБУ с блоком индикации на панели приборов;
ЭБУ систем управления динамикой движения;
ЭБУ АКПП;
ЭБУсвечей накаливания;
ЭБУ системы восстановления фильтра или SCR.
Если CAN — шина исправна, то все подключенные к ней ЭБУ регулярно отправляют данные на блок управления двигателем. Тот распознает, что все ожидаемые сообщения получены, и обмен данными работает нормально. При обрыве CAN — шины один или несколько ЭБУ не будут отправлять данные. Эту ситуацию распознает ЭБУ двигателя, идентифицирует такой или такие ЭБУ и регистрирует соответствующую неисправность.
Для D-OBD важно, чтобы обмен данными по CAN — шине происходил нормально. По шине данных отправляются команды других ЭБУ на включение индикатора MIL. При наличии неисправности, к примеру, в ЭБУ АКПП через CAN — шину на блок управления двигателем должен быть отправлен сигнал активации индикатора MIL, поскольку неисправность в АКПП может иметь последствия и для системы выпуска ОГ.
Датчик температуры охлаждающей жидкости
Для проверки правдоподобности измеренных значений датчика температуры охлаждающей жидкости оценивается реальное время прогрева в заданном временном промежутке. Измеренные значения считаются правдоподобными, если датчик температуры ОЖ при работающем двигателе выдаст в течение заданного времени определенное пороговое значение или определенный рост температуры. При этом заданное время зависит от начальной температуры ОЖ.
Так, например, начальная температура ОЖ более 10 °С в течение 2 минут может превысить 20°С. Если при начальной температуре менее 10°С датчик в течение 5 минут распознает рост температуры ОЖ на 10°С, то сигнал также будет считаться правдоподобным. В этих случаях исходят из того, что датчик ОЖ исправен.
Если при начальной температуре менее 10°С в течение 5 минут она не вырастет до 20°С или на 10°С, значит значения неправдоподобны. Неисправен сам датчик или его цепь, регистрируется неисправность.
Датчик температуры топлива
Все системы впрыска дизельного топлива подают больше топлива, чем необходимо для работы двигателя. Излишек топлива возвращается в бак через возвратный трубопровод, датчик температуры топлива и радиатор охлаждения топлива. В современных системах впрыска высокого давления температура возвратного топлива достигает 140°С. Сигналы датчика температуры топлива используются также для подключения или отключения радиатора охлаждения топлива или нагревателя топлива. Датчик температуры топлива представляет собой датчик с отрицательным температурным коэффициентом (NTC). Он находится в возвратном трубопроводе, между топливным насосом и радиатором охлаждения топлива.
Вязкость дизельного топлива изменяется в зависимости от температуры. Таким образом, температура топлива непосредственно влияет на фактически впрыскиваемое количество топлива, что, в свою очередь, влияет на токсичность выхлопа двигателя. Чтобы учесть плотность топлива при различных температурах блоку управления двигателем требуется фактическая температура топлива — для расчета момента начала впрыска и объема впрыска. В системах Common Rail температура топлива влияет также на фактическое давление в магистрали. Необходим контроль работоспособности датчика. Диапазон измерения у датчика температуры топлива, как правило, составляет от -40 °С до 120°С. ЭБУ учитывает изменение вязкости путем коррекции времени открывания форсунок. Вообще, значения считаются правдоподобными, если в течение цикла движения температура топлива поднимается на определенное количество градусов — например, на 10°С или в течение нескольких часов работы регистрируется заметно больший рост температуры топлива, например, на 30°С.
Термоанемометрические пленочные датчики массового расхода воздуха
Датчики массового расхода воздуха особенно чувствительны к загрязнению маслом и к отложениям. На основе оборотов, давления наддува и температуры наддувочного воздуха блок управления двигателем вычисляет номинальную массу воздуха. Фактически измеренное датчиком массового расхода воздуха значение сравнивается с вычисленным, и образуется относительная величина. Если в течение заданного интервала времени относительная величина превышает определенное пороговое значение, то распознается неисправность. Если датчик массового расхода воздуха в порядке, то вычисленное относительное значение колеблется около нуля. С помощью проверки правдоподобности функции датчика массового расхода воздуха можно распознать следующие неисправности:
негерметичность в тракте забора воздуха двигателя;
загрязнение датчика массового расхода воздуха, поскольку измеренные значения не отражают фактический режим работы двигателя;
клапан рециркуляции, заклинивший в открытом положении;
неправильно работающую систему охлаждения наддувочного воздуха.
Лямбда-зонд и регулирование обогрева лямбда-зонда
У дизельных двигателей в сочетании с системами фильтрации частиц используются лямбда-зонды. В силу характеристики сигнала и всегда бедных смесей у дизельных двигателей для этого очень подходят широкополосные лямбда-зонды. Правдоподобность измеренной лямбда-зондом концентрации кислорода в ОГ можно проверить в двух рабочих точках. В диапазоне частичной нагрузки значение лямбда можно сравнить с концентрацией кислорода, вычисленной на основе расхода впрыска и поступившей массы воздуха. Разность между вычисленным и измеренным значениями допускается лишь в пределах узкого диапазона. В режиме принудительного холостого хода проверка правдоподобности выполняется в сравнении с концентрацией кислорода в окружающем воздухе (20,6%). Поскольку впрыск не выполняется, измеренная концентрация кислорода в ОГ должна примерно соответствовать концентрации кислорода в окружающем воздухе. Если ЭБУ двигателя в обоих случаях выявит слишком большую разность этих значений, то будет зарегистрирована неисправность, но индикатор MIL не загорится, поскольку неисправности лямбда-зонда у дизельных двигателей не приводят к увеличению выбросов и поэтому не контролируются системой D-OBD.
В рамках проверки электрической функции элементов систем фильтрации частиц контролируется и регулировка обогрева лямбда-зонда. При этом значение внутреннего датчика температуры лямбда-зонда сравнивается с температурой в нормальной рабочей точке. Если ЭБУ двигателя при проверке выявит слишком большое отклонение температуры от заданной номинальной, то ЭБУ зарегистрирует неисправность системы выпуска ОГ и загорится индикатор MIL.
Сигнал скорости
Сигнал скорости используется многими ЭБУ. Информация о скорости движения передается на электронику от датчиков ABS или отдельного датчика скорости. Датчики проверяются на наличие электрических неисправностей. Сигнал скорости косвенно сравнивается с фактическим расходом впрыскиваемого топлива и соответствующими оборотами двигателя. ЭБУ определяет правдоподобность сигнала скорости по сравнению с другими данными. Еще одной возможностью является прямая обработка фактического сигнала датчика скорости и проверка его правдоподобности. При выявлении неправдоподобных значений ЭБУ регистрирует неисправность и загорается индикатор MIL.
У турбонаддувных двигателей с регулируемой геометрией турбины особенно важно контролировать отклонения давления наддува. Для ограничения давления наддува блок управления двигателем активирует электромагнитный клапан и, в зависимости от выбранной скважности, в мембранном механизме вакуумного регулятора направляющей лопатки устанавливается разрежение. Таким образом, регулируется нужное давление наддува.
Рис. Электромагнитный клапан регулировки давления наддува
Контроль отклонения давления наддува происходит аналогично контролю отклонения рециркуляции ОГ. Контроль возможен только при определенных оборотах коленчатого вала и расходе впрыскиваемого топлива. Если отклонения в течение определенного времени выходят за пределы заданного диапазона, то в системе наддува диагностируется неисправность.
Если измеренное отклонение выходит за пределы диапазона лишь кратковременно, то неисправность не регистрируется. Если измеренное смещение выходит за пределы заданного диапазона в течение определенного времени, то регистрируется неисправность и загорается индикатор MIL.
Датчик давления наддува
Рис. Датчик давления наддува
Контроль давления наддува должен выполняться у всех дизельных двигателей, так как оно влияет на наполнение цилиндров и, помимо мощности и крутящего момента, особенно на выбросы частиц и оксидов азота. Проверка правдоподобности сигналов датчика давления наддува выполняется при неработающем двигателе между включением зажигания и пуском двигателя. Для проверки сравниваются значения, измеренные датчиком давления наддува и датчиком атмосферного давления. На основании этого сравнения получается дифференциальное давление, среднее значение которого не должно превышать заданного порогового значения. Если измеренное дифференциальное давление не превышает порогового значения, то датчик давления наддува считается исправным.
С 01.01.2004 г. легковые автомобили с дизельными двигателями также должны быть оснащены системой OBD (D-OBD). Общие требования, предписания и протоколы, такие как кодирование неисправностей, стандартизированный интерфейс, протоколы данных, обработка неисправностей и пр. такие же, как и для систем OBD бензиновых двигателей. Однако они имеют некоторые особенности и функции контроля систем, специфичные для дизельных двигателей.
Для некоторых систем дизельного двигателя можно использовать системы, уже известные по OBD бензиновых двигателей, без изменений либо с незначительными модификациями.
Таблица. Контролируемые системы
Контролируемые системы в D-OBD
ТНВД распределительного типа
Блок насос-форсунка
Система Common Rail
Функция регулирования начала впрыска
x
Регулирование BIP
x
Регулятор количества
x
Форсунки
x
Распознавание сбоев сгорания
x
x
x
Функция рециркуляции ОГ
x
x
x
Отклонение рециркуляции ОГ
x
x
x
Система преднакала и функция дополнительного накала
x
Давление в магистрали (клапан регулирования давления в топливной магистрали)
x
Контроль сажевого фильтра
x
x
Контроль катализатора
x
x
x
Функция регулировки давления наддува
x
x
x
Диагностика блоков управления
x
x
x
Диагностика CAN — шины
x
x
Контроль АКПП
x
x
Проверка всех датчиков и исполнительных механизмов, имеющих отношение к ОГ
x
x
x
Приведенные в таблице системы контролируются через D-OBD в зависимости от используемой системы впрыска. В новых дизельных двигателях топливные насосы распределительного типа используются все реже.
Наряду с известными деталями систем впрыска контролируются различные системы фильтрации частиц и новые катализаторы (SCR-катализаторы) на предмет эффективности, восстановления, аддитивности и срока службы. Контроль систем выполняется главным образом путем сравнения фактических параметров двигателя с заданными. При контроле фактические данные должны изменяться в пределах установленных параметров. При выходе значений за допустимые пределы загорается индикатор неисправностей MIL и регистрируется неисправность. Регистрация и обработка неисправностей происходят также, как и в системах с бензиновыми двигателями. В следующих разделах описаны важнейшие процедуры контроля и проверки систем.
Таблица. Контролируемые датчики D-OBD
Контролируемые датчики D-OBD
ТНВД распределительного типа
Блок насос-форсунка
Система Common Rail
Датчик частоты вращения коленвала
x
x
x
Датчик температуры ОЖ
x
x
x
Датчик давления наддува
x
x
x
Датчик температуры наддувочного воздуха
x
x
Датчик массового расхода воздуха
x
x
x
Датчик температуры всасываемого воздуха
x
x
x
Датчик температуры топлива
x
x
Датчик давления топлива
x
Датчик подъема иглы форсунки
x
Лямбда-зонды
x
x
x
Датчик скорости движения
x
x
x
Датчик NOx
x
x
Датчик присадки для сажевого
x
x
фильтра
x
x
Датчик дифференциального давления для сажевого фильтра
x
x
Датчик температуры перед катализатором и/или сажевым фильтром
x
x
В таблице перечислены датчики (если они установлены в двигателе), у которых контролируется функция и проверяется правдоподобность сигнала.
Слабым местом в электрической системе автомобилей является прокладка проводов и жгутов проводов в салоне. Из-за колебаний температуры, постоянной вибрации и механических нагрузок провода интенсивно изнашиваются. Система OBD в рамках комплексной диагностики компонентов (Comprehensive Components Monitoring) проверяет все электрические и электронные компоненты, детали и выходные каскады путем определения падения напряжения в соответствующей детале. Сигналы датчиков сравниваются с сохраненными значениями или другими сигналами, и проверяется их правдоподобность. Распознавать неисправности датчиков относительно сложно, так как для этого реальный, но отклоняющийся сигнал датчика должен выйти из заданного диапазона ожидаемых значений либо требуется рассчитать характеристики модели для сравнения. При этом сложно правильно определить старение деталей, возникающее, к примеру, из-за загрязнения маслом или из-за влаги, а также определить надежные пороговые значения, при которых начинается регистрация неисправностей и загорается индикатор MIL. Кроме того, проверяются токовые цепи, в частности:
входные и выходные сигналы;
замыкание на массу деталей и/или сигнальную массу;
КЗ детали или сигнала;
□ обрыв цепи или обрыв проводов.
КЗ на массу автомобиля часто возникает из-за плохой прокладки проводов по кузову. КЗ на плюс батареи (КЗ на +12 В) возникает при повреждении изоляции у двух лежащих друг на друге проводов. При разрыве провода из-за механических нагрузок возникает обрыв провода или токовой цепи. Эта неисправность часто возникает в точках соединения провода и датчика или провода и разъема. При этом общий контроль систем зависит от автомобиля и уровня оснащения. В рамках OBD проверяется электрическая функция всех датчиков, исполнительных механизмов и выходных каскадов. Решающим фактором вовлечения в контроль OBD является не отдельная система, а ее эффективность в плане нейтрализации вредных выбросов. Каждый ЭБУ контролирует подключенные к нему датчики, исполнительные механизмы и выходные каскады по падению напряжения. Отдельные датчики, как правило, проверяются по трем типам неисправностей.
1-й тип неисправностей. Являются ли измеренные датчиком значения правдоподобными?
При наличии конкретной неисправности в том или ином компоненте датчик отображает измеренное значение, не соответствующее реальным режимам работы. К примеру, датчик расхода воздуха при загрязнении может выдавать значения, находящиеся в допустимом диапазоне, но тем не менее некорректные. Фактические данные о режиме работы сравниваются с записанными в память номинальными значениями и анализируются.
2-й тип неисправностей. Нет ли постоянных неисправностей («stuck-faults»)?
В этом случае датчик, несмотря на изменяющиеся режимы работы, выдает все время одно и то же значение. Такое значение часто находится в пределах диапазона действительных значений, так что диагностировать неисправность оказывается сложно, и для проверки правдоподобности приходится использовать другие измеренные значения или вычислительные модели.
3-й тип неисправностей. Нет ли ошибки сигнала «выход за пределы диапазона»?
Если датчик выдает измеренное значение, выходящее за пределы диапазона значений для этого датчика, то регистрируется ошибка сигнала. Диапазон значений для данного датчика должен быть сохранен в ЭБУ.
Контроль давления наддува
Давление наддува проверяется на предмет соблюдения максимально допустимого давления. Изменения в подаче воздуха немедленно приводят к изменениям количества и состава ОГ. При превышении максимально допустимого давления наддува в течение заданного времени датчик давления во впускном коллекторе отправляет регулирующей электронике сообщение о неисправности. Турбокомпрессор выключается клапаном ограничения давления наддува во избежание повреждений двигателя. Как правило, ограничительный клапан открывается мгновенно. В регистратор событий записывается неисправность, и загорается индикатор MIL. При диагностике нужно проследить, чтобы все подсоединения шлангов и электромагнитный клапан проверялись тщательнейшим образом — во избежание дорогой замены турбокомпрессора, возможно ошибочно диагностированного как неисправный. Кроме того, должен осуществляться контроль за несанкционированным чип-тюнингом двигателей и несанкционированными манипуляциями с клапаном ограничения давления наддува.
Контроль сигнала скорости
Сигнал скорости подается либо блоком управления АВS на основании сигналов датчиков угловых скоростей колес, либо внешним датчиком скорости. В рамках комплексной проверки компонентов датчики проверяются на предмет электрических неисправностей. Сигнал скорости сравнивается с фактическим расходом впрыска и соответствующими оборотами двигателя. ЭБУ на основании определенных характеристик может определить правдоподобность сигнала скорости на фоне других данных. Еще одна возможность проверить правдоподобность — анализ отображаемого значения скорости. Может получиться так, что датчик скорости будет отображать слишком высокое для автомобиля значение(например, более 250 км/ч). В этом случае регистрируется неисправность и загорается индикатор MIL.
Контроль датчика массового расхода воздуха
Рис. Датчик массового расхода воздуха
Датчик массового расхода воздуха у бензиновых двигателей передает на ЭБУ информацию о количестве воздуха, всасываемого двигателем. Эти данные ЭБУ использует для оптимизации состава смеси и снижения расхода топлива за счет согласованного сгорания. Чтобы информация о количестве всасываемого двигателем воздуха была как можно точнее, расходомер воздуха распознает обратные потоки, вызываемые открыванием и закрыванием клапанов, и вычисляет массу воздуха с учетом этих потоков.
Значения, измеренные датчиком массового расхода воздуха, используются для вычисления и регулирования всех функций, зависящих от оборотов и нагрузки — например, времени впрыска, момента зажигания или системы вентиляции топливного бака. На основе фактических значений нагрузки на двигатель, оборотов двигателя и температуры воздуха ЭБУ дополнительно вычисляет номинальную массу воздуха. Отклонение номинального значения от фактически измеренного означает неправдоподобность массы воздуха, загорается индикатор MIL. Значения напряжения датчика массового расхода воздуха находятся в диапазоне 0,5-4,5 В. Если измеренные значения выходят за пределы диапазона, регистрируется неисправность. Однако чаще всего происходит лишь смещение значений напряжения вниз, без регистрации неисправности. Автомобиль больше не развивает максимальную мощность. В этом случае нужно считать измеренные значения в режиме 1 и сравнить их с номинальными. При необходимости нужно проанализировать значения напряжения датчика массового расхода воздуха путем регистрации сигналов в режиме движения. При отказе датчика ЭБУ вычисляет эквивалентное значение.
Контроль выключателя сигналов торможения и педали сцепления
При нажатии на педаль тормоза замыкается контакт в выключателе для активизации стопсигналов. Одновременно срабатывает второй контакт и по CAN-шине дает сигнал блоку управления двигателем на переключение в режим холостого хода при низких оборотах. Оба выключателя используются в резервном режиме и служат для вспомогательного контроля. В рамках внутренней диагностики проверяется правдоподобность сигналов.
У автомобилей с АКПП и в некоторых странах функция пуска становится доступной только при задействовании выключателя.
В датчике положения педали сцепления имеется размыкающий контакт, отключающий функцию темпомата при нажатии педали сцепления и активизирующий стабилизацию холостого хода. У некоторых автомобилей дополнительно разблокируется стартер. В рамках самодиагностики проверяется правдоподобность сигналов и электрическая функция датчика. На рисунке показано расположение датчиков на педальном узле.
Рис. Датчики на педальном узле
Датчик положения педали сцепления
Выключатель сигналов торможения
Датчик положения педали тормоза
Контроль положения распределительного вала
Все новые двигатели оснащаются более или менее сложными системами регулировки распределительного вала/фаз газораспределения и хода клапанов. Эти системы регулируют фазы газораспределения в широком диапазоне нагрузок и оборотов. Регулировка фаз газораспределения позволяет использовать динамические потоки во впускном коллекторе для улучшения наполнения цилиндров, повышения мощности и крутящего момента и уменьшения выбросов ОГ. Можно улучшить внутреннюю рециркуляцию ОГ. Эта регулировка также имеет отношение к системе выпуска и должна включаться в проверку OBD.
Регулировка (поворот) происходит в основном бесступенчато для впускного и выпускного распределительных валов. В некоторых системах регулируется положение только впускного распределительного вала. Почти у всех систем давление масла направляется через электромагнитный клапан на механизм регулирования фаз газораспределения, который поворачивает распределительные валы относительно коленчатого вала.
Системы регулировки распределительных валов представляют собой замкнутые контуры регулирования. Через проверку электрической функции электромагнитного клапана (обрыв проводов или КЗ) осуществляется самодиагностика. Для проверки функционирования так-же проверяется правдоподобность сигналов датчика положения распределительного вала. Может выполняться проверка положения и направления регулировки (опережение/запаздывание). При обнаружении неисправностей в контуре регулирования они записываются в регистратор событий. Для точной диагностики неисправностей нужно обязательно соблюдать инструкции изготовителя по диагностике. Для этого требуются диагностические системы с достаточной глубиной проверки.
Двухкамерные датчики служат для того, чтобы распознавать концентрацию оксидов азота в выхлопе и передавать измеренные значения для восстановления катализаторов оксидов азота. Различные изготовители используют накопительные катализаторы, удерживающие NOx до тех пор, пока не заполнится накопитель. Когда накопитель «заполняется», система управления двигателем обогащает топливовоздушную смесь. Более высокая доля топлива приводит к увеличению концентрации СН, СО и Н2 в выхлопе. Газы обеспечивают преобразование оксидов азота в накопительном катализаторе в безопасные N2, Н2O и СO2.
Для этого требуется два датчика:
традиционный лямбда-зонд для определения концентрации кислорода в выхлопе перед накопительным катализатором
двухкамерный датчик после катализатора для измерения значения Л и концентрации оксидов азота
Сильное повышение концентрации оксида азота в выхлопе указывает на то, что накопительный катализатор заполнен и больше не может принимать оксиды азота.
Содержащаяся в ОГ смесь из NOx и O2 после катализатора проходит систему из двух камер. Поскольку кислород отрицательно сказывается на измерении концентрации NOx, нужно сначала удалить кислород. Это достигается путем подачи напряжения на первую камеру. Напряжение разлагает молекулы кислорода на ионы, которые вытесняют полупроводниковый электролит из оксида циркония. Во второй камере остающийся оксид азота электрически расщепляется на N2 и O2. При этом протекает ток, пропорциональный концентрации NOx в выхлопе. Точность измерения составляет порядка 100 промилле. Поскольку накапливающая способность катализатора известна, то можно определить момент, при котором необходимо начать восстановление катализатора.
Магнитостатические датчики измеряют магнитное поле постоянного тока. В отличие от магнитных индуктивных (катушечных) датчиков они лучше подходят для миниатюризации и экономично производятся с помощью средств микросистемной технологии. Поскольку поля постоянного тока легко проникают через стенки корпуса из пластика, а не из ферромагнитного металла, преимущество магнитостатических датчиков состоит в том, что стационарную деталь можно хорошо защитить от вращающегося проводника с помощью капсулы — обычно постоянного магнита или магнитомягкого проводника — а также от воздействий окружающей среды. В первую очередь используются гальваномагнитные эффекты (эффект Холла и Гаусса) а также магниторезистивные эффекты (AMR и GMR).
Угловой датчик, разработанный фирмой «Неllа», не относится ни к одной из перечисленных технологий, но больше всего похож на индуктосинный датчик. На рисунке 10 изображен датчик, например, с 6-значной полюсной структурой (n = 6), который с электрической точки зрения преобразует угол поворота ф = 60° в смещение фазы амплитуды светового сигнализатора а =360°. Все необходимые структуры токопроводящих дорожек нанесены на многослойный материал токопроводящей пластины в стационарном статоре. Роторная часть может быть также выполнена в форме штампованной детали, свободнонесущей или закрепленной на пластиковом носителе (путем горячей штамповки).
На статоре находится круглая спираль с токопроводящими дорожками, которая наводит вихревой ток в зависимости от угла поворота в меандровую спираль, замыкающуюся в себе, имеющую такой же наружный диаметр и рабочую частоту 20 МГц. Такой вихревой ток, естественно, вырабатывает, так: же как и спираль возбуждения, вторичное магнитное поле, которое накладывается на поле возбуждения в таком виде, что пытается погасить была бы только одна равная круглая токопроводящая дорожка, сравнимая со спиралью статора, то она бы просто полностью гасила первичное поле. Однако за счет меандровой структуры в результате возникает многополюсное поле, которое позволяет осуществлять вращение вместе с ротором, и весь его поток магнитной индукции почти равен нулю.
Это многополюсное переменное поле считывается концентрическими приемными катушками или меандрами, находящимися на статоре. Они смещаются в ходе полюсного шага (например, 60°) на, соответственно, 1/3, т.е. электрически в их сигнальной амплитуде на 120° за шаг.
Приемные катушки распространяются через все п полюсных пар (серийное подключение) и используют сумму всех полюсных полей.
Рис. Датчик фирмы «Hella»:
а схематическая конструкция
b Монтаж (проводка)
с Выходные сигналы
Согласно рисунку 10 с приемные катушки соединены в звезду. Их сигналы для определения электрического фазового угла а или механического угла поворота ф подводятся ASIC, который осуществляет необходимое (правильное) выпрямление, отбор и формирование соотношения. Версия ASIC 1 получает необходимые для этого цифровые сигналы управления от микроконтроллера, расположенного в непосредственной близости. Другая версия ASIC 2 имеет возможность полностью независимо (stand-alone) использовать датчик. ASICS позволяют совершать в ходе изготовления конечную корректировку механических и электрических допусков. Для использования при повышенных требованиях к мерам безопасности существует возможность создания дублирующей системы с двумя гальванически разделенными цепочками сигналов и двумя ASIC. Принцип действия датчика можно описать в «разрезе» как: принцип датчика скорости.
Наряду с незначительными затратами на производство основными преимуществами этого датчика являются:
контакт и не вызывающий износа принцип осуществления измерений;
полная независимость от температуры (до 150 °С);
высокая точность (при диапазоне измерений от 360° до ±0,09°);
гибкость (согласуется со всеми угловыми диапазонами до 360°);
возможность создания дублирующей конструкции;
высокая ЭМС-безопасность;
исключительное использование стандартных материалов без необходимости применения ферромагнитных деталей;
плоская конструкция.
По этим причинам датчик можно использовать в автомобиле в большом количестве мест.
Используя катушки, питание которых осуществляется за счет переменного тока с угловой частотой со или устройства подобные катушкам (подобные извилистым токопроводящим структурам) можно размещать двух- и многополюсные структуры переменного тока как контурно, так: и линейно. Эти полюсные структуры с постоянной фазовой проводкой можно смещать относительно комплекта приемных катушек, чаще всего стационарных, имеющих одинаковую фазовую проводку, за счет движения измеряемой системы — будь то роторная или трансляционная система. При этом во время движения амплитуды поступающих сигналов изменяются по синусоиде. Если, приемные катушки перемещаются на определенную часть проводки Т относительно друг друга (например, T/4 пли T/3), то синусоида смещается по фазе на соответствующий угол (например, на 90° или 120°). Таким образом создаются напряжения, например:
U1 = U*sinф-sinwt U2 = U*sin(ф — 90°)*sinwt= U*cosф*sinwt
После выпрямления на основании этих напряжений можно очень точно рассчитать угол поворота а. Так работают датчики, описанные в классической измерительной технологии как датчики, использующие методы синхронизации, резольвера и индуктосина и преимущественно являющиеся угломерными датчиками.
При простом биполярном расположении механическому углу поворота а соответствует также непосредственно электрический фазовый угол. При использовании п объединенных пар механический полный угол ф = 2п преобразуется в смещение фаз а = n*2п, так что смещение фазы а соответствует углу поворота только ф/n, что значительно увеличивает разрешение измеритель ной системы. Если диапазон измерений больше, однозначность измерительного сигнала обеспечивается за счет дополнительных средств, например, с помощью простого угломера.
Эффект Холла, определяется прежде всего с помощью полупроводниковых пластин. Если через такую пластинку, по которой проходит ток, вертикально пропустить магнитную индукцию В, то носители заряда будут отклоняться от прямого пути за счет силы Лоренца вертикально по отношению к полю и к току I на угол ф. Таким образом перпендикулярно направлению тока между двумя крайними противоположными точками пластинки пропорциональное напряжение UH будет сниматься напряжение, пропорциональное полю В и току I (эффект Холла):
UH = RH*I*B/d mit RH = коэффициент Холла, d = толщина пластинки
Рис. Гальваномагнитные эффекты:
а Схема
b Процесс создания напряжения Холла UH
с Рост сопротивления пластинки R (эффект Гауса)
В Магнитная индукция
I Ток пластинки
IН Ток Холла
Iv Питающий ток
UR Продольное напряжение
а Отклонение электронов за счет магнитного поля
Одновременно продольное сопротивление пластинки увеличивается независимо от направления поля по параболе (эффект Гаусса, магниторезистор).
Коэффициент RH , являющийся определяющим для измерительной чувствительности пластинки, при использовании кремния сравнительно мал. Поскольку толщину пластинки d можно уменьшить с помощью диффузионной технологии, напряжение Холла опять достигнет величины, технически пригодной для использования. Применяя кремний в качестве основного материала, одновременно на пластинку можно интегрировать переключатель для подготовки сигнала, благодаря чему производство таких датчиков может стать очень выгодным.
В отношении измерительной чувствительности и температурного режима кремний является далеко не самым подходящим полупроводниковым материалом для производства датчиков Холла. Лучшими характеристиками обладают, например, полупроводники III-V, такие как арсенид галлия или антимонид индия.
Переключатель Холла
В самом простом случае напряжение Холла подается на пороговую электронику, интегрированную в датчик (Schmitt-Trigger), которая производит цифровой выходной сигнал. Если магнитная индукция В существующая на датчике, находится ниже определенного нижнего порогового параметра, то выходное значение соответствует, например, логическому «О» («release»-состояние); если оно выше определенного верхнего порогового параметра, то выходной сигнал соответствует логической «1» («operate»-состояние). Поскольку такой процесс гарантирован для всего диапазона рабочей температуры и для всех экземпляров одного типа, оба пороговых значения относительно далеки друг от друга. Поэтому для включения переключателя Холла требуется значительный индукционный ход АВ.
Рис. Заграждения Холла:
Заглушка шириной b
Магнитомягкие проводники
Холл-IC
Воздушный зазор
а Беспрепятственный Магнитный поток
b короткозамкнутый Магнитный поток
U0 Питающее напряжение
Us Напряжение датчика
Такие датчики, производимые еще по биполярной технологии, использовались, например, в заграждениях Холла, которые были встроены в корпус распределителя зажигания, приводящегося в движение распределительным валом. Это заграждение Холла кроме датчика имеет еще постоянные магниты и магнитомягкие проводники. Магнитный контур имеет U-образную или вилкообразную форму, так что благодаря открытому концу можно использовать замыкатель из мягкомагнитного материала, который попеременно экранирует или разблокирует магниты, благодаря чему датчик Холла выполняет переключения между состояниями operate и release. Следующий способ применения — в цифровом датчике угла поворота рулевого колеса LWS1.
Датчики Холла такого типа достаточно недорогие, однако хороши только для переключающего режима работы и слишком неточны для анализа аналоговых величин.
Датчики Холла, работающие по принципу «Spinning Current»
Рис. Датчик Холла, работающий по принципу «Spinning-Current»:
Полупроводниковая пластинка
Активный Электрод
Пассивный Электрод
а Фаза поворота ф1
b Фаза поворота ф2 = ф1 + 45°
I Ток питания
UH Напряжение Холла
Недостатком в простом кремниевом датчике Холла является одновременная чувствительность к механическим напряжениям (пьезоэффект), которые неизбежны при сборке и приводят к нежелательным температурным смещениям характеристик. Используя принцип «Spinning Current», в сочетании с переходом к технологии CMOS, этот недостаток удалось преодолеть. Хотя пьезоэффект и появляется, он компенсируется временным усреднением сигнала, поскольку появляется при быстрой, регулируемой электронным способом смене электродов (ротации) с различными знаками. Если есть необходимость в экономии трудозатрат на изготовление сложной электроники для переключения электродов, можно интегрировать несколько датчиков Холла (два, четыре или восемь) с соответственно разными направлениями тока, расположив их близко друг к другу, а их сигналы суммировать в контексте сообщения. Принцип Hall-ICs очень хорошо подходит для использования в аналоговых датчиках. Температурные воздействия, оказывающие частично отрицательное влияние на измерительную чувствительность не уменьшаются за счет этого.
Такие интегрированные Hall-ICs подходят преимущественно для измерения малых отрезков, в ходе которого они считывают изменяющиеся показания напряженности поля аппроксимирующего постоянного магнита (например, датчик усилия iBolt, он считывает показания веса пассажира на переднем сидении для оптимального срабатывания подушки безопасности). Подобные хорошие результаты до сих пор были получены только благодаря использованию отдельных элементов Холла, например, сочетания соединений III-V с гибридным последовательно включенным усилителем (например, датчики ускорения Холла).
Дифференциальные датчики Холла
Рис. Дифференциальный датчик Холла:
Зубчатый венец
Дифференциальный IС Холла
Гомогенизирующая пластина (мягкое железо)
Постоянный магнит
а Конструкция
b Движение поля (1,5-кратное инкрементное расстояние)
с Движение сигнала для ширина воздушного зазора L
В двойном датчике Холла (дифференциальный датчик Холла) на определенном расстоянии на чипе расположены две полноценные системы Холла. Электроника определяет разницу обоих напряжений Холла. Эти датчики обладают преимуществом, которое состоит в том, что их выходной сигнал не зависит от абсолютного значения магнитной напряженности поля, и они определяют только пространственные изменения магнитной индукции как: дифференциальный датчик, т.е. градиенты поля (поэтому они также часто называются градиентными зондами).
Такие датчики в большинстве случаев используются для измерения числа оборотов, поскольку полярность их выходного сигнала не зависит от воздушного зазора между ротором и датчиком. Если для сканирования зубчатого колеса используется только один простой датчик Холла, он не может распознать, изменяется ли магнитный поток за счет продолжения вращения зубчатого колеса или за счет изменения расстояния (например, вибраций, монтажных допусков). Это приводит к серьезным ошибкам сканирования, поскольку сигнал должен подводиться к детектору порогового значения. У дифференциальных датчиков принцип работы другой. Они оценивают только разницу сигналов двух расположенных на нужном расстоянии друг от друга датчиков Холла. Если разница сигналов, например, положительная, расстояние между зубчатым колесом и датчиком можно изменять как угодно; разница будет оставаться положительной, если, даже в сумме она станет меньше. Знак может измениться только в случае продолжения вращения ротора. Последовательно подключенный детектор порогового значения также не имеет проблем с определением изменения расстояния и вращением.
Для достижения максимального выходного сигнала выбирают расстояние между двумя — зачастую установленных по краям (продольно) чипа — датчиков Холла, составляющее около половины инкрементного расстояния (расстояние между зубьями). Этот максимум сигнала очень широкий, т.е. он покрывает широкий диапазон вибрации инкрементного расстояния.
Большие отклонения от инкрементного расстояния требуют более сложного изменения конструкции датчика. В качестве градиентного зонда датчик нельзя устанавливать в произвольном положении, он должен максимально точно устанавливаться в направлении вращения инкрементного ротора.
С помощью вращающегося магнитного кольца («Movable Magnet»), а также нескольких стационарных магнитомягких проводников можно получить прямой линейный выходной сигнал для углов большего диапазона. При этом двухфазное поле магнитного кольца проводится через датчик Холла, расположенный между полукруглыми проводниками с прямой проводимостью. Эффективный магнитный поток, проходящий через датчик Холла, зависит от угла поворота ф.
Этот принцип применяется в датчиках педали газа.
Производную форму основного принципа «подвижного магнита» представляет собой угловой датчик Холла типа ARS1 с измерительным диапазоном 90°. Магнитный поток постоянно намагниченного диска полукруглой формы отводится к магниту через полюсный башмак, два проводника с прямой проводимостью и ферромагнитную ось. При этом в зависимости от положения угла поток проводится в большей или меньшей степени через оба проводника с прямой проводимостью, в магнитном пути которых также находится датчик Холла.
Рис. Угловой датчик Холла ASR 1 (мобильный магнит). Линейная графическая характеристика для угла до 90°:
Роторный диск (постоянно магнитный)
полюсный башмак
Проводник с прямой проводимостью
Воздушный зазор
Датчик Холла
Ось (магнитомягкий)
а Конструкция
b Графическая характеристика в рабочем диапазоне А
Таким образом магнитный диапазон позволяет достичь линейной характеристики. При упрощенном расположении в модели типа ARS2 отсутствуют магнитомягкие проводники. Здесь магнит движется по дуге окружности вокруг датчика Холла. Образующийся при этом синусоидальный ход графической характеристики только на относительно коротком отрезке имеет хорошую линейность. Если датчик Холла расположен немного за пределами середины круга, характеристика значительно отклоняется от синусоидальной формы.
Рис. Угловой датчик Холла ASR2 (мобильный магнит). Линейный график для угла более 180°:
IС Холла, расположен в центре круговой направляющей
IС Холла, смещен от центра (линеаризация)
Магнит
а Принцип
b Графическая характеристика
Она демонстрирует только короткий измерительный диапазон 90° и длинный отрезок с хорошей линейностью чуть более 180°. Недостатком является незначительное экранирование от посторонних полей, остающаяся зависимость от геометрических допусков магнитного контура и колебания интенсивности магнитного потока в постоянных магнитах в зависимости от температуры и старения.
Угловые датчики в диапазоне до 360°
Рис. Аналоговый датчик Холла для угла 360°:
Сигнальная электроника
Распределительный вал
Управляющий магнит
а Конструкция дискретного IС Холла
b Конструкция из планарного интегрированного IС Холла
В Индукция
I Ток
U Spannung
UA Напряжение
Ф Выходное напряжение
Аналоговый угловой датчик с диапазоном измерений до 360° означает, что постоянный магнит вращается, как изображено, над ортогональным расположением двух датчиков Холла. Чтобы не слишком зависеть от допуска положения магнита, магнит должен быть достаточно большим. При этом оба датчика Холла должны быть расположены максимально близко друг к другу в части того же направления постоянного магнитного поля рассеяния, которое отображает положение угла ф постоянного магнита. Они направлены под прямым углом относительно друг друга и параллельно оси вращения постоянного магнита, таким образом считывают показания компонентов х- и у- вектора напряженности поля В, вращающегося над ними:
UH1 = Ux = B*sinф UH2 = Uy = B*cosф
На основании этих двух сигналов можно рассчитать угол ф по тригонометрическому соотношению ф = arctg (UH1/UH2) в чипе для обработки данных, который можно приобрести в продаже и с помощью которого оцифровывается сигнал.
Такое расположение датчика Холла позволяет осуществлять интеграцию с вертикальными устройствами Холла (Vertical Hall Devices) в таком виде, как изображено на рисунке, так, чтобы площадь сенсорного чипа располагалась вертикально по отношению к оси вращения, а датчик, в отличие от обычного, планарного датчика Холла, обладал чувствительностью в плоскости вращения. Монолитная интеграция гарантирует высокую точность необходимого расположения под прямым углом, а также желаемую компактную конструкцию обеих систем Холла. Компания «Sentron» («Melexis»), Швейцария работает над созданием таких датчиков и в будущем представит их на рынке. Угловые датчики такого типа рассматривались, например, для реализации пусковых систем мгновенного старта, в которых абсолютного положение вращения распределительного вала должно измеряться в диапазоне 360°.
Рис. Вертикальное устройство Холла в поперечном разрезе: Потоки I, направленные внутрь чипа, отклоняются за счет сил Лоренца по причине магнитной индукции В, направленной параллельно поверхности чипа, таким образом, что между поверхностными электродами А и А’ снимается напряжение Холла UH
В принципе, существует еще один способ, с помощью которого обычному планарному датчику Холла (дополнительно) можно придать чувствительность в плоскости вращения. При методе, используемом компанией Melexis-Sentron (например, тип 2SA-10) для измерения компонентов поля, появляющиеся в плоскости вращения Вх и Ву на одинаковом чипе вместе с четырьмя датчиками Холла, смещенными по отношению друг к другу на 90°, располагаются на узкой окружности. При этом каждый датчик состоит по указанным выше причинам из пары элементов Холла, повернутых на 90°. После завершения изготовления чипа на его поверхность устанавливается круглый диск из магнитомягкого материала с диаметром ок. 200 мкм, как: показано на рисунке таким образом, чтобы датчики Холла четко попали под край диска.
Рис. Комплект 4×2 планарных датчиков Холла с IMC: IMC — интегрированный магнитный концентратор. Элементы Холла расположены на чипе попарно под углом 90° друг к другу прямо под краем маленькой ферромагнитной шайбы. Благодаря их присутствию магнитная индукция B2 параллельная поверхности чипа преобразуется в магнитную индукцию В1, перпендикулярную его поверхности, для того, чтобы быть распознанной датчиками Холла
На основании их высокой относительной магнитной проницательности этот диск действует как: концентратор потока (IMC, встроенный магнитный концентратор) и вынуждает все линии поля вертикально входить в его поверхность. За счет этого линии поля, проходящие горизонтально без концентратора потока (в плоскости вращения) в месте расположения датчиков Холла., вынужденно направляются в вертикальном направлении (вне плоскости вращения) и поэтому могут модулировать элементы Холла. Поскольку элементы, расположенные диагонально друг к другу, «видят» противоположные направления поля, то для. считывания одного компонента поля будет определяться разница обеих противоположных одинаковых напряжений Холла. Одновременно за счет этого существующие вертикальные компоненты Bz взаимно устраняют свой эффект.
За счет дополнительного анализа суммарных сигналов элементов, расположенных по диагонали друг к другу, можно определить также параметры вертикальных компонентов поля Bz; поскольку на них ферромагнитный диск не оказывает воздействия, и элементы из-за их расположения не утрачивают свою обычную чувствительность вне плоскости вращения. Таким образом, благодаря такому расположению индукционный вектор В, действующий в месте расположения датчика, считывается во всех трех компонентах. Электронные переключающие средства, необходимые для анализа сигнала, вкмочая цифровой сигнальный процессор, который используется для расчета функции арктангенса, базирующийся на базе микроконтроллера (DSP), и средства, необходимые для конечной корректировки датчика (EEPROM), могут быть интегрированы вместе с датчиком на тот же чип без особых затрат.
Для измерения углов до 360° достаточно, чтобы над чипом датчика с интегрированным анализатором сигнала вращался постоянный магнит, преимущественно круглой формы, намагниченный параллельно чипу. Поскольку угол поворота образуется с помощью функции арктангенса из соотношения обоих возникающих синусоидальных и косинусоидальных сигналов датчика, интенсивность магнитного поля, а стало быть, и старение магнита, его температурная зависимость и расстояние до поверхности датчика не играют никакой роли. Датчик определяет только положение вращения своего возбуждения.
Рис. Измерение угла больше 360° с помощью четверного датчика Холла: Измерение угла в конце вала вращения с помощью четверного датчика Холла фирмы Melexis, в состав которого входит интегрированный концентратор потока (IMC) для переключения поля.
а Измерительное устройство
b Первичные выходные сигналы
Максимальная собственная погрешность датчика указана производителем в диапазоне 360° в размере + 2°. Ее можно уменьшить при калибровке датчика пользователем. В этом случае точность цифрового выхода составит 10 бит при разрешающей способности 12 бит. На основании времени обработки сигнала процессором кратчайшая частота дискретизации для частоты такта 20 МГц составляет 200 мкс. Выход сигнала, модулированный частотой пульсации, можно использовать при максимум 1 кГц. Для инициализации датчику требуется 15 мс. Стандартный параметр силы электромагнитного поля составляет ок. 40 mТ. При плотности потока выше 0,7 Т пластинка концентратора переходит в состояние насыщения.
Датчик преимущественно можно программировать также для любого диапазона измерений < 360°, при этом создается дополнительная эксплуатационная надежность за счет контроля выхода за пределы диапазона (использование, например, в качестве углового датчика в режиме работы педали газа FPM2.3).
Углы до 360° можно определять также с помощью самых простых устройств IС Холла (переключателей Холла), которые также используются для измерения числа оборотов (применение в датчиках угла поворота рулевого колеса типа LWS1). Для этого датчики Холла n располагаются однолинейно и равномерно на окружности для считывания n бит.
Рис. Цифровой угловой датчик Холла с n переключателями Холла. Измерение угла до 360° при равноудаленном расположении простых переключателей Холла по окружности:
Корпус с постоянными магнитами
Кодовый диск
Проводниковая пластина с переключателями Холла
Магнитомягкий кодовый диск блокирует поле отдельных расположенных над ним постоянных магнитов или разблокирует его так, чтобы датчики Холла в случае продолжение вращения диска последовательно выдавали различные кодовые слова (серийный код). Во избежание серьезных ошибок в показаниях в моменты перехода целенаправленно используется код Грея. Код Грея разработан таким образом, что кодовые слова для двух соседних позиций — в отличие от двоичного кода — различаются только на 1 бит, чтобы возможный ошибочный показатель при переходе от одной позиции к следующей не превышал шаг угла.
Для создания датчика угла поворота рулевого колеса кодовый диск, например, соединяется с валом рулевого управления, а оставшаяся часть датчика с шасси. Сложность этого датчика состоит в том, что магнитомягкий кодовый диск должен монтироваться на подшипниках в плавающем состоянии, что приводит к выполнению сложного и объемного крепления с помощью гибких пластиковых манжет. Кодовый диск из соображений допусков по воздушному зазору между верхним и нижним дисками должен проходить впритирку. Соответствующее оптоэлектронное решение с использованием фотоячеек не является полностью удовлетворительным, поскольку в связи с чувствительностью элементов датчика к загрязнению нет возможности обеспечить их качественную защиту.
Многократное число оборотов можно считывать с помощью дополнительного простого 3-битного устройства, кодовый диск которого движется над понижающим редуктором. Разрешающая способность таких устройств зачастую не выше 2,5°.
В отличие от датчика вихревого тока катушка кольцевого датчика с короткозамкнутой обмоткой всегда имеет магнитомягкий, луженый сердечник прямой или изогнутой U-образной или Е-образной формы. Подвижный спойлер сконструирован как короткозамкнутое кольцо из материала, являющегося хорошим проводником, например, меди или алюминия, который подвижно расположен на одной или всех цапфах сердечника. Благодаря железному сердечнику такие датчики обладают большей индуктивностью, чем датчики вихревого тока и более высокой эффективностью измерений из-за очень концентрированной проводимости магнитного потока железным сердечником. Таким образом, они могут работать при низких частотах и не обязательно нуждаются в сигнальной электронике в месте расположения на датчике. Железный сердечник защищает измерительное пространство между цапфами сердечника от внешних полей помех.
Рис. Принцип измерения короткозамкнутого кольцевого датчика. Изображение двух различных измеряемых отрезков:
Короткозамкнутое кольцо
Магнитомягкий сердечник
Катушка
I Ток
Iw Вихревой ток
L(s) индуктивность
Ф(s) магнитный поток при измеряемом отрезке s
В переменное поле, которое создает ток катушки в железном сердечнике и вокруг него, невозможно проникнуть через короткозамкнутое кольцо, поскольку вихревые токи компенсируются в короткозамкнутом кольце практически до нуля. Вихревые токи в короткозамкнутом кольце выступают таким образом — как: «магнитный изолятор» — распространение магнитного потока Ф пространством между катушкой и короткозамкнутым кольцом (отсюда англ: shading ring) и делают его зависимым от положения х короткозамкнутого кольца, Ф = Ф(х).
Индуктивность определяется как:
L = Ф/I
Поэтому положение х короткозамкнутого кольца оказывает непосредственное влияние на индуктивность L катушки обмотки возбуждения. Взаимосвязь L = L(х) в широком диапазоне явятся положительно линейной. Для измерения можно использовать почти всю длину датчика. При этом не требуется механической узкой направляющей короткозамкнутого кольца. Масса короткозамкнутого кольца, которое следует передвигать, очень мала. Создание очертаний (придание формы) расстояния между цапфами влияет на форму графической характеристики: сужение расстояния от цапфы до конца измерительного диапазона улучшает заданную хорошую линейность. В зависимости от материала и конструкции чаще всего эксплуатация осуществляется в диапазоне 5…50 кГц. Датчик используется также в самых жестких условиях эксплуатации, например, в дизельных топливных насосах.
Из-за режима работы в переменном токе сердечники луженые (например, NiFe-лужение, 0,2 мм толщина). Для получения нужной механической стабильности, которая удерживает щитки в устойчивом к ускорению состоянии, они не только склеиваются обычным способом, но и дополнительно «перфорируются». Для этой цели на щитках в определенных местах делаются утолщения, с помощью которых они еще до мягкого отжига соединяются изнутри (как в конструкторе ЛЕГО), не разрушая при этом электроизоляцию между щитками.
Полудифференциальный кольцевой датчик с короткозамкнутой обмоткой с подвижным измерительным и эталонным жестким короткозамкнутым кольцом является очень точным; он выполняет анализ данных как индуктивный делитель напряжения (анализ данных индуктивности L1/L2 или (L1-L2)/(L1+L2) или как член генераторной схемы, определяющий частоту, в целях создания частотно-аналогового сигнала (прекрасно защищен от помех, легко оцифровывается).
Фмах Область угла опережения зажигания вала регулирующей заслонки
Рисунок отображает конструкцию полудифференциального кольцевого датчика с короткозамкнутой обмоткой (КДКО) для дизельных распределительных ТНВД. На каждой цапфе сердечника крепятся одна измерительная катушка и одна эталонная катушка. Если по катушкам проходит электрический переменный ток, исходящий от прибора управления, образуются переменные поля. Эталонное короткозамкнутое кольцо неподвижно, в то время как: измерительное короткозамкнутое кольцо закреплено на вале регулирующей заслонки (угол опережения зажигания (ф). При смещении измерительного короткозамкнутого кольца изменяется магнитный поток, а вместе с ним и напряжение на катушке, поскольку прибор управления поддерживает постоянный ток (подводимый ток). Переключатель, обрабатывающий сигналы, формирует соотношение выходного напряжения UA на измерительной индуктивности L1 к эталонному напряжению URef на эталонной индуктивности L2. Оно пропорционально отклонению измерительного короткозамкнутого кольца и может анализироваться прибором управления.
Если электропроводящая, ровная или искривленная мембрана (пластина) (например, из алюминия или меди) приближается к катушке, запитанной высокочастотным вихревым током (обычно не содержащей железа), это влияет как на ее активное сопротивление, так и на ее индуктивность. Причиной этого становятся вихревые токи, возникающие в демпферной пластине (спойлере) из-за возрастающего магнитного взаимодействия. Положение этой демпферной пластины отражает отрезок измерений s.
Рис. Принцип демпфирования и вихревого тока HF:
Диск амортизатора
Вихревые токи
Воздушная катушка
Автогенератор различной амортизации
Демодулятор
s — Измеряемый путь
A(s) — Напряжение генератора
UA(s) — Выходное напряжение
В целом высокая рабочая частота (диапазон MHz, низкочастотное питание поглощало бы слишком много электротока из-за низкой индуктивности катушки) требует прямого подчинения электроники датчику или экранированного соединения — часто даже переносного. Для преобразования измерительного эффекта в электрическое выходное напряжение может использоваться также эффект демпфирования (эффективное сопротивление) и эффект замещения поля (индуктивность). В первом случае подходит, например, осциллятор изменяемой амплитудой колебаний, в другом случае, осциллятор изменяемой частоты или индуктивный делитель напряжения, получающий питания путем постоянной частоты (различное расположение).
Принцип вихревого тока позволяет различными способами приспосабливаться к задаче по выполнению измерений. Он хорошо подходит как: для определения больших отрезков или углов (уже существовала почти серийная разработка, например, для дроссельной заслонки и педали газа), так: и очень маленьких величин (например, датчики крутящего момента). Поскольку датчики вихревого тока принципиально можно производить как микромеханические, с точки зрения их преимуществ нельзя исключить их применение в будущем. Широкое использование находит принцип датчика в измерительной технике, используемой в производстве и контроле качества, как для точного определения малых отрезков/расстояний, так и для толщины слоев в диапазоне мкм.
Из всех датчиков, которые выполняют измерение положения бесконтактно, магнитные датчики являются самыми чувствительными к помехам и прочными. Это касается в первую очередь датчиков, работающих на основе переменного тока, т.е. магнитной индукции. Необходимые для этого способы расположения катушек нуждаются в наличии большего места в сравнении с микромеханическими датчиками, т.е. возможность установки дублирующих датчиков (осуществляющих измерения параллельно) отсутствует. Кроме того, необходимый контакт с катушкой является фактором, отрицательно влияющим на затраты и надежность.
Из большого числа известных устройств такого типа в автомобиле в основном используются два из них, которые имеют очень похожий принцип действия. Однако в настоящее время они не применяются в макромеханическом исполнении в сфере производства автомобильных датчиков в новых разработках компании «Bosch».
Шлейфовый потенциометр — чаще конструируемый как угловой датчик — использует соответствие между длиной провода — или пленочным резистором (из «Cermet» или «Conductive Plastic») для своего электрического параметра сопротивления в измерительных целях.
В настоящее время самым бюджетным вариантом является датчик скорости/угла поворота. Благодаря очерчиванию (приданию формы) ширины измеряемой дорожки (также возможно выполнение частями) можно влиять на форму графической характеристики. Подключение скользящего контакта осуществляется зачастую с помощью второй контактной дорожки с такой же поверхностью, под которой, однако, проложен проводниковый материал с низким электрическим сопротивлением. Для защиты от перегрузки в большинстве случаев напряжение питания подается на измерительную дорожку через меньшие предварительные сопротивления RV (также для обнуления и коррекции уклона).
Износ и искажение измерительных характеристик можно уменьшить за счет минимально нагруженного отвода (IA < 1 мА) и заключения в пыле- и водонепроницаемую капсулу. Условием меньшего износа является также подбор скользящего контакта и дорожки, обеспечивающий оптимальное трение; при этом скользящие контакты могут иметь форму «ложки» или «скребка», быть одинарными или сложно составными, и даже иметь форму «веника».
Однако целому ряду значительных преимуществ, противопоставлено большое количество серьезных недостатков.
Преимущества потенциометрических датчиков
Низкие затраты;
простая, наглядная конструкция;
большая измерительная эффективность (измерительный прогон = напряжение питания);
нет необходимости в электронике;
хорошее противостояние напряжению помех;
широкий диапазон рабочих температур (< 250 °С);
высокая точность (на 1% лучше конечного параметра измерительного диапазона);
широкий диапазон измерений (возможно почти на 360°);
беспроблемный ввод дублеров;
корректируемость (лазерная абляция и пр.);
гибкая графическая характеристика (изменяемая ширина дорожки);
гибкий монтаж (ровная или искривленная поверхность);
большое количество производителей;
быстрый отбор образцов.
Недостатки потенциометрических датчиков
Механический износ из-за истирания;
погрешности в измерениях из-за следов истирания;
проблемы при работе в жидкостях;
переходное сопротивление, изменяющееся от скользящего контакта к измерительной дорожке;
отсоединение скользящего контакта при сильном ускорении или вибрации;
сложные испытания;
ограниченные возможности выполнения в миниатюрной форме;
помехи (шум).
Применение
Примеры потенциометрических датчиков:
датчик педали газа или модуль педали газа для определения желаемого момента поворота для управления двигателем;
датчик уровня заполнения топливного бака;
потенциометр порога гидродинамической муфты (КЕ- и L-Jetronic) для определения объема воздуха, который всосал двигатель;
датчик угла дроссельной заслонки для определения ее положения в бензиновых двигателях (рисунки 3…5).
Рис. Потенциометрический датчик уровня заполнения топливного бака:
Электрические подключения
Поля контактов скольжения
Контактная заклепка
Плата сопротивления
Штифт подшипника
Двойной контакт
Рычаг поплавка
Поплавок
Дно топливного бака
Рис. Датчик дроссельной заслонки (конструкция):
Вал дроссельной заслонки
дорожа сопротивления 1
дорожка сопротивления 2
Цапфа скользящего контакта со скользящими контактами
Измерение значения лямбда теперь также применимо к дизельным двигателям. Эта новая технология позволяет сделать автомобили более чистыми и экономичными. В концепции управления с замкнутым контуром для дизельных двигателей Bosch теперь также применяет кислородный датчик.
Рис. Применение кислородного датчика в дизельной системе (Источник: Bosch Press): 1 — Дизель; 2 — Инжектор; 3 — Дроссельная заслонка; 4 — Массовый расходомер воздуха с пленочным термоанемометром; 5 — Турбокомпрессор; 6 — ЭБУ двигателя; 7 — Широкополосный кислородный датчик (Х-зонд); 8 — Клапан системы рециркуляции ОГ.
Новая система позволяет произвести точную настройку предварительного впрыска необогащенной смеси и параметров двигателя. Это уменьшает потребление топлива и загрязнения от дизельных двигателей.
В отличие от предыдущей концепции контроль на основе лямбда-показателя теперь оптимизирует качество выхлопного газа через рециркуляцию выхлопного газа, давление подаваемого воздуха и начало впрыска. Эти параметры существенно влияют на выбросы дизельных двигателей. Широко-диапазонный лямбда-датчик измеряет содержание кислорода в выхлопном газе и дает важную информацию относительно процесса сгорания в двигателе, которая может использоваться для управления двигателем.
По сравнению со стандартным управлением дизелем, новая система Bosch позволяет осуществить более строгое соблюдение низких значений выбросов. Благодаря новой системе двигатели лучше защищены от дефектов. Например, может быть обнаружено и скорректировано неправильное сгорание в автомобилях, работающих в режиме предельных оборотов двигателя. В двигателях, работающих с предельной нагрузкой, система обеспечивает более эффективное подавление дыма.
Кислородный датчик будет также контролировать каталитические конвертеры, аккумулирующие NOx (будущие системы очистки продуктов выхлопа). Датчик выдает данные для управления каталитическим конвертером, который должен очищаться через регулярный интервал времени, чтобы восстановить его способности по предохранению от выбросов.
Компания Bosch сегодня внедряет лямбда-датчик в концепцию замкнутого контура управления для дизельных автомобилей. Новая система делает возможной точную предварительную настройку на необогащенное топливо инжектора и двигателя, что дополнительно уменьшит потребление топлива и вредные выбросы от дизельных машин.
Разница между предыдущей концепцией и новой системой заключается в том, что управление на базе лямбда-датчика от Bosch теперь оптимизирует количество выхлопных газов благодаря рециркуляции выхлопа, регулировке давления наддува воздуха и начала впрыска. Эти параметры принципиально влияют на выхлопы дизельных машин. Лямбда-датчик с широким рабочим диапазоном измеряет содержание кислорода в выхлопных пазах и восстанавливает важную информацию о процессах горения в двигателе, которая может быть использована для регулировки двигателя.
По сравнению со стандартным регулированием дизельных двигателей, система управления Bosch позволяет строго соблюдать низкие значения уровня выбросов. Таким образом, двигатели будут лучше защищены от дефектов, поскольку «неправильное» сгорание в двигателе (например, при обгоне) можно обнаружить и откорректировать. В двигателях, работающих на полной нагрузке, эта система предлагает более эффективное, чем предыдущие системы, подавление дыма. Лямбда-датчик также контролирует наполнение каталитических преобразователей окислами азота для будущих систем очистки выхлопа — он снабжает автомобиль информацией, необходимой для определения периодичности регулировки каталитического преобразователя в целях сохранения его работоспособности.
