Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2005 №2

Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Часть 1. Потенциометры и датчики Холла

Сысоева Светлана


В статье дается обзор автомобильных датчиков положения, назначение и принцип действия которых предусматривает получение линейной передаточной функции напряжения от входной характеристики механического положения объекта — дроссельной заслонки, педали акселератора, клапана системы рециркуляции отработавших газов и др. Первая часть статьи, предлагаемая сегодня вниманию читателей, содержит обзор популярных потенциометрических и магнитоуправляемых датчиков на эффекте Холла, широко применяемых в автомобиле для измерения абсолютного углового положения.

Все статьи цикла:

Введение

Развитие электронных систем управления различ ными автомобильными подсистемами и агрегатами, такими, как двигатель, коробка передач, тормозная система, противобуксовочная система, система ди намической стабилизации и адаптивный круиз-кон троль, многорежимность и многозадачность их ра боты создают необходимость в координации и со гласовании управляющих сигналов в отдельно взятый момент времени — все это объективные фак торы появления целого класса автомобильных ана логовых датчиков. Эти устройства, которые в насто ящем являются неотъемлемой частью каналов об ратной связи практически любой автомобильной системы, должны отвечать растущим потребностям рынка в надежных, прецизионных, линейных, ком пактных и недорогих датчиках, способных функци онировать в жестких условиях эксплуатации авто мобиля (повышенная температура, вибрация, загряз нения, влажность и т. д.) [1–5].

Например, необходимость в повышенном расхо де воздуха для осуществления экономичного непо средственного впрыска с послойным смесеобразова нием требует большего открытия дроссельной за слонки. Возникает необходимость в электронной системе управления положением дроссельной за слонки (ETCS — Electronic Throttle Control System) с датчиком обратной связи, которым в настоящее время оборудуется практически каждый автомобиль.

Датчик положения дроссельной заслонки (TPS — throttle position sensor) (рис. 1) преоб разует угловое положение дросселя в напря жение постоянного тока в пределах, ограни ченных двумя крайними положениями: от полного открытия дроссельной заслонки до ее полного закрытия (см. рис. 1а).

Типичный автомобильный аналоговый датчик
Рис. 1. Типичный автомобильный аналоговый датчик
(датчик положения дроссельной заслонки на эффекте Холла):
а — линейная выходная характеристика:
U — выходное напряжение; φ — механический угол поворота; Umax, Umin — ограничивающие уровни;
φlin — линейный участок кривой (рабочая зона); Φeff — эффективный электрический угол (полный диапазон);
φmax — максимальный механический диапазон угла вращения; U0q — среднеквадратическое напряжение;
1 — идеальная выходная характеристика; 2, 3 — границы допусков нелинейности;
б — внешний вид датчика:
1 — корпус датчика; 2 — установочная втулка; 3 — вал детектируемого объекта (привода заслонки)

Система управления двигателем (ECU — Electronic Control Unit или ECM — Electronic Control Modul) по информации с датчика рас считывает степень открытия дроссельной за слонки (дроссельного клапана) и осуществля ет основные функции управления двигателем на динамичных режимах разгона-торможения автомобиля:

  1. идентификация режима работы (частично открытая заслонка, широко открытая за слонка);
  2. регулирование соотношения воздуха и топ лива в смеси;
  3. коррекция увеличения мощности;
  4. автоматическое задание угла опережения за жигания.

Во многих автомобилях положение дроссель ной заслонки полностью определяется степенью нажатия механически связанной с ней пе дали газа. ECM в автомобилях, оборудованных «электронной» педалью газа (E-Gas), получает сигналы с двух датчиков — датчика положения педали акселератора (APPS — Accelerator Pedal Position Sensor) и положения дроссельной за слонки — и управляет сервоприводом заслон ки, выбирая наибольшее значение угла пово рота. Ряд других систем автоматического уп равления предназначен для уменьшения крутящего момента и частоты вращения дви гателя (ПБС — противобуксовочная система1), для чего E-Gas или система управления двига телем по сигналам от ПБС вырабатывает ко манды закрытия дроссельной заслонки, выби рая и отрабатывая из двух сигналов (с педали и от ПБС) меньшее значение угла поворота.

Количество поданного воздуха измеряется датчиком массового расхода воздуха, исполь зующим тот же принцип измерений.

Для нейтрализации отработавших газов в автомобилях применяется система рециркуляции (EGR — Exhaust Gas Recirculation), в ко торой необходимо контролировать высоту клапана. Датчик положения клапана EGR (VPS — Valve Position Sensor) закрепляется на EGR-клапане и определяет его высоту, пре образуя положение и перемещение клапана от его полного открытия до закрытия в элек трический сигнал.

Таким образом, в автомобиле существует множество датчиков (рис. 2), функциониро вание которых идентично датчику положения дроссельной заслонки и которые отличаются только по тому признаку, какой объект для них является активирующим (например, EGR VPS приводится во вращение клапаном EGR). Они называются датчиками положения: под этими датчиками понимаются именно аналоговые датчики линейного или углового абсолютно го положения (см. рис. 1а, рис. 2а–л), в отли чие от энкодеров, датчиков перемещений или близости, имеющих импульсную выходную характеристику (рис. 2м, н, o).

Массив современных автомобильных датчиков положения
Рис. 2. Массив современных автомобильных датчиков положения:
а, б — магнитоуправляемые датчики положения дроссельной заслонки Delphi SS10355 (а) и SS10553 (б);
в, г, д — датчики CTS Corporation: сборка педали акселератора серии 556 (в), многооборотный датчик положения сиденья 505 (г) и клапана EGR серии 564 (д);
е — датчики углового положения (подвески) American Electronic Components; ж — датчик педали акселератора Hella;
з — линейный датчик положения тормоза Hella; и — автомобильные LVDT компании Penny+Giles;
к — индуктивный датчик положения дросселя R60D RVIT Shaevitz;
л — емкостной датчик положения 0605 Trans-Tek;
м — датчик рулевого колеса серии 7000a BEI Duncan;
н — переключатели положения педали тормозных цилиндров и сцепления Tyco Electronics; о — датчик выбора передачи Texas Instruments

Принцип действия линейных датчиков положения

Основные понятия и определения

Аналоговые линейные датчики абсолютно го углового или линейного положения (пере мещения) обеспечивают одну и ту же функ циональную характеристику — линейную за висимость выходного напряжения, например в зависимости от угла поворота детектируе мого объекта (рис. 1а) или его линейного пе ремещения. Оба варианта широко использу ются в автомобильных системах, но, ввиду специфики многих функциональных задач (см. рис. 2), очевидно, угловые системы имеют перевес. В то же время между ними нет прин ципиальных отличий, так как вращательное и линейное движение описывают траектории, допускающие их взаимное преобразование: вращательное движение может рассматривать ся как линейное на бесконечно малых прира щениях угла и, наоборот, в дополнение к фи зическому преобразованию движения из одно го вида в другой, осуществление которого возможно с помощью автомобильных меха низмов. Например, известны датчики положе ния дроссельной заслонки, измеряющие ли нейные перемещения, датчики положения ци линдров сцепления вращательного типа и т. д.

При анализе свойств датчика, имеющего по добную выходную характеристику, принима ются во внимание следующие основные по нятия и определения:

  • Полный механический диапазон (угол по ворота) подвижной системы датчика.
  • Полный диапазон или полная шкала — ли нейный участок выходной характеристики (то же, что эффективный электрический угол поворота подвижной системы).
  • Функциональный диапазон — участок с наи большей линейностью, рекомендуемый в спецификации датчика.
  • Чувствительность к угловому или линейно му перемещению, определяемая как единич ное приращение (наклон или фактор мас штаба) кривой:

    S = ΔUвых/Δφ (1)

    или

    S = ΔUвых/ΔS

  • Среднеквадратическое напряжение U0q — среднее из ограничительных уровней (сред нее из магнитного диапазона для магнито управляемых датчиков).
  • Смещение характеристики — отклонение по оси выходного напряжения от теорети ческого нулевого значения, например взя того при температуре T в сравнении со зна чением 25 °С:
    (2)
  • Линейность (то же, что нелинейность, или ошибка линейности) — отклонение от пропорциональной линейной функции (прямой линии), выраженное в процентах верхнего или нижнего предела измеритель ного диапазона (полной шкалы):
    (3)
  • Симметричность:
    (4)
  • Чувствительность к напряжению питания и ратиометричность («rail-to-rail») — про порциональность напряжению питания чув ствительности и среднеквадратического на пряжения:
    (5)
    и другие важнейшие характеристики, напри мер разрешение и повторяемость (особенно важно для датчиков с обратным ходом), маг нитная чувствительность (для магнитоуправ ляемых датчиков) SM = ΔUвых/ΔB, температур ная чувствительность или температурный дрейф смещения, для большинства магнито управляемых датчиков эквивалентный точно сти — см. (2), дрейфы чувствительности к пе ремещениям:
    (6)
    магнитной чувствительности (определяется аналогично) и т. д.

Конструкция автомобильных аналого вых датчиков положения

Очевидно, датчики положения не могут иметь такую простую конструкцию, как, на пример, бесконтактные датчики угловой ско рости (см. рис. 2). Как будет ясно далее из ана лиза имеющейся базы физических эффектов, конструктивная общность устройств этого ти па предполагает механическое задание нуле вого положения датчика и в ряде случаев ог раничение максимальной измеряемой вели чины (в том числе угла, если не требуется измерять угол поворота 360° в несколько обо ротов) [6–11, 15–22]. Эти признаки должны быть реализованы в корпусе датчика — на пример, нулевым считается положение по движной системы датчика, когда лыски оси дросселя совмещаются с выступами в устано вочной втулке датчика (см. рис. 1б).

Установочная втулка или установочный вал датчика в общем случае будут иметь ориен тирующие выступы, лыску или паз, которые при установке датчика совмещаются с лыска ми или выступами на оси вала детектируемо го объекта (типа дроссельной заслонки)2.

При вращении вала управляющего привода установочный компонент осуществляет вра щательное движение внутри неподвижного корпуса датчика, жестко закрепленного, на пример, на двух винтах; в датчиках линейно го положения предусмотрена аналогичная ме ханическая связь посадочного компонента с линейно перемещаемым объектом.

Поскольку не удается полностью избавить ся от механического контактирования, датчи ки положения не могут иметь теоретически бесконечный срок службы, как бесконтактные датчики угловой скорости ферромагнитного зубчатого ротора. Надежность устройства оце нивается в млн полных циклов работы датчи ка до его наработки на отказ и в системах с ог раниченным углом (<360°) составляет обычно более 1 млн циклов. Для повышения надежно сти движение установочного компонента под пружинивается — в корпус датчика вводится пружина, работающая на кручение (для про тиводействия крутящему моменту двигателя) или растяжение — сжатие (в линейных датчи ках), а для обеспечения строгих допусков край ние положения рабочего хода дублируются, например, ограничительными ребрами. Сле дует отметить, что в типичных конструкциях имеются существенные ограничения на допу стимый крутящий момент, прикладываемый к несущей части датчика в течение срока его службы (обычно не более 120 Н·мм), и возврат ный момент пружины (порядка 20–120 Н·мм).

Установочный компонент является несущей частью, на которой расположен активный элек трический компонент (движок потенциомет рического датчика) или бесконтактный маг нитный или другой компонент (бесконтакт ные датчики).

Потенциометрические и бесконтактные датчики положения

Для измерения положения в автомобильных системах подходят самые различные техноло гии, значительное распространение среди ко торых получили потенциометрические датчи ки (угла и линейных перемещений). Этот тип датчиков характеризуется наличием подвиж ных механических контактов, перемещение ко торых вдоль длины переменного резистора из меняет его сопротивление пропорционально положению контактов. До недавнего времени контактные датчики положения сохраняли ли дирующие позиции на автомобильном рынке, чему способствовали такие значительные до стижения потенциометрической технологии, как малые размеры корпуса и низкая цена.

В ответ на растущие требования надежности, с целью уменьшения износа и реструктуриза ции компонентов современные автомобильные датчики стремятся использовать бесконтактные конструкции, в которых электрическая и меха ническая части физически отделены друг от дру га. Наиболее известными из бесконтактных тех нологий датчиков являются:

  • твердотельные магнитоуправляемые датчики:
    – датчики Холла;
    – датчики, использующие эффекты изме нения магнитосопротивления (эффекта Гаусса, АМР, ГМР);
  • индуктивные преобразователи, в том числе:
    – дифференциальные трансформаторные датчики LVDT/RVDT;
    – индуктивные преобразователи (LVIT/RVIT);
    – индуктивные преобразователи с вихревы ми токами;
  • радиочастотные трансиверы с индуктивным аттенюатором;
  • магнитоиндуктивные датчики (MVIT);
  • емкостные трансиверы;
  • магнитостриктивные датчики;
  • оптические датчики.

Каждая из этих технологий имеет как свои преимущества, так и свои ограничения при ее использовании в том или ином автомобиль ном устройстве, оценка которых относится к задачам настоящей статьи.

Потенциометрические датчики

К движущейся части датчика, такой, как установочная втулка датчика угла3, жестко ме ханически связанной с валом управляющего привода или активатора клапана, прикрепля ется подвижный рычаг — токосъемник, одно временно осуществляющий скользящий эле ктрический контакт на специально нанесен ном резистивном слое, как правило, с помощью контактирующих щеток (рис. 3а).

Примеры современных автомобильных потенциометров:
Рис. 3. Примеры современных автомобильных потенциометров:
а — принцип действия датчика:
1 — скользящий контакт (движок или контактная щетка); 2 — резистивная дорожка; 3 — контактная дорожка;
φ — измеряемый угол поворота; R0 — максимальное сопротивление датчика;
R1, R2 — трассировочные резисторы; R3 — нагрузочный резистор;
Uпит, Uвых — напряжение питания и выходное напряжение соответственно; Iконт — выходной ток;
б — внешний вид датчиков 9850 BEI Duncan; в — датчики положения педали PPS 1029 Wabash;
г — датчики EGR серий 535/7/8/9/561 EGR CTS Corporation;
д , е, ж — датчики углового положения Bosch:
д — внешний вид датчиков Bosch DKG%1 0280122001 и 0280122201; е — выходная характеристика датчика
DKG-1 0280122001 BOSCH;
ж — конструкция датчиков Bosch:
1 — корпус датчика, 2, 3 — контактный элемент; 4 — провода движка; 5, 6 — контактные дорожки;
7 — провод движка; 8, 9 — проводящие пути;
10, 11, 12 — терминалы устройства; 13 — базовая плата (подложка); 14 — скользящий контакт; 15 — вал

При перемещении скользящего контакта по радиусу токопроводящего сектора поверх резистивного слоя потенциометра его выход ное сопротивление RΦизменяется в зависимо сти от угла поворота детектируемого объекта φ. Потенциометрическое напряжение благодаря пропорциональной связи между длиной про волоки или дорожки с ее электрическим со противлением и в соответствии с законом Ома представляет собой линейное напряжение по стоянного тока Uвых. Чем ближе находится движок к уровню напряжения питания Uпит, тем выше выходной сигнал датчика. Стандарт ное подключение подвижного контакта вы полняется с помощью второй контактной до рожки, состоящей из того же резистивного ма териала.

Наиболее известны две технологии датчи ков: проволочные потенциометры (wirewound — реохорд) и потенциометры с резис тивными дорожками, выполненными спосо бом нанесения резистивной пасты по радиусу токопроводящего сектора, контакт с которы ми осуществляется при помощи подвижных контактных щеток. Потенциометрические дат чики выпускаются известными фирмами Bosch, Novotechnik, CTS Corporation, Duncan, Wabash, Ruf Electronics и др. (некоторые примеры при ведены в таблице 1 и показаны на рис. 3).

Обе технологии являются контактными, что означает непосредственный механический контакт движущейся части, осуществляющей формирование электрического сигнала, и, сле довательно, подвержены износу. Работа кон тактов сопровождается акустическим, а также электромагнитным шумом, поскольку нет ни какой обрабатывающей электроники. Во из бежание износа и погрешности измерений ток в зоне контакта минимизируют (Iконт < 1 мА). Напряжение на измерительной дорожке обыч но трассируется несколькими последовательными резисторами R1, R2 для защиты от пере грузок [11].

В то же время обе они подходят для высо котемпературной работы, обеспечивают стабильный линейный выход (см. рис. 3е) и до пускают большой диапазон угловых измере ний (даже более 360° для проволочных потен циометров). Известны также линейные потенциометры, предназначенные для измерения линейных перемещений (см. табл. 1).

Таблица 1. Сравнительные технические данные некоторых автомобильных потенциометров
Сравнительные технические данные некоторых автомобильных потенциометров

Проволочные потенциометры могут при нимать самые разнообразные формы, завися щие от количества витков, но обычно имеют более высокий профиль и значительные раз меры, что ограничивает их применение в ка честве автомобильных датчиков.

Потенциометры, снабженные контактны ми дорожками из резистивной пасты, имеют более низкий профиль, линейный выход с умеренными шумовыми свойствами, вслед ствие чего получили широкое распростране ние среди автомобильных устройств. Специ альные технологические приемы позволяют избавиться от их недостатков. Например, эти датчики в принципе измеряют углы только менее 360°, поэтому для увеличения точно сти и расширения углового диапазона приме няются двухдорожечные потенциометры (как 9850 BEI Duncan или PPS 1029 Wabash). Тем не менее щеточные потенциометры с кон тактными дорожками чувствительны к загряз нениям (пыли) и имеют особенно короткий срок службы по сравнению со всеми осталь ными потенциометрическими устройствами, но этот недостаток полностью компенсирует ся низкой ценой датчика; известны новые раз работки в этой области, ориентированные на снижение цены (см. рис. 3ж) [12].

Линейные датчики Холла

Классический датчик положения на эффек те Холла использует наработанную техноло гию самого популярного физического эффекта, в которой магниточувствительный статор определенно реализует весь потенциал эле ментной базы интегральных датчиков, что позволяет упрощать, улучшать измеритель ные системы и удешевлять их [13, 14]. Бескон тактные, магнитоуправляемые ИС Холла, снабженные интегрированными средствами компенсации, позволяют делать точные изме рения в жестких условиях автомобильной ок ружающей среды (температура, вибрация, за грязнения), отличаются низкой ценой компо нентов и материалов, технологичностью монтажа, функционируют при температурах от –40 до 150 °C и выше (хотя для большинст ва автомобильных датчиков положения прак тически достаточно 125 °C), обеспечивают ин терфейс, адаптированный к автомобильному электронному оборудованию, и требуют ми нимум обрабатывающей электроники без ус тановленного на плате микроконтроллера, ко торый в настоящее время интегрируется не посредственно в ИС.

Удобный путь для создания рабочего маг нитного поля в датчиках положения обеспе чивают подвижные постоянные магниты (рис. 4–6), механически соединенные с детек тируемым объектом. За счет собственной вы сокой линейности эффекта Холла в первом приближении для получения аналоговой вы ходной характеристики требуется только уси ление слабого первичного сигнала (в выраже нии Uн = ρB чувствительность ρ эффекта Хол ла составляет всего 0,4–0,7 мВ/кА/м).

Таким образом, эффект Холла особенно широко используется ведущими производи телями автомобильных датчиков, такими, какBEI Duncan, American Electronic Components, Delphi Technologies, Hitachi, CTS Corporation, Siemens VDO, Wabash и другими. Некоторые примеры приведены в таблице 2 и показаны на рис. 4.

Таблица 2. Сравнительные технические данные автомобильных линейных датчиков Холла
Сравнительные технические данные автомобильных линейных датчиков Холла
Примеры современных автомобильных линейных датчиков Холла
Рис. 4. Примеры современных автомобильных линейных датчиков Холла: а — датчик углового положения серии RPN Honeywell;
б — датчики положения серии 581 CTS;
в — датчики Холла с вертикальными элементами Холла RSC2200 U.S. Novotechnik;
г — программируемый датчик 9900 BEI Duncan;
д — датчики положения (педали акселератора, сцепления, подвески и т. д.) RPS 1047 Wabash Technologies;
е — программируемый датчик серии HRS100 Invensys (Honeywell);
ж — программируемые датчики углового положения серии NCR SHLR-0008 AEC

При вращении магнита датчик генери рует первичное синусоидальное напряже ние пропорционально изменению углово го положения ротора, но именно в связи с применением магнитов линейный диапа зон датчика угла на практике составляет не более 120°, а линейность датчиков Хол ла колеблется в пределах 2%, и даже до 3% — из-за их повышенной температур ной чувствительности (см. табл. 2). Если требуется измерять углы 360° и более, потребуется несколько чувствительных эле ментов (см. рис. 4–6)4.

Особо следует отметить уникальную техно логию вертикальных элементов Холла VERT-X от Novotechnik для угловых измерений, преодо левающую этот недостаток. Один из уникаль ных признаков этой технологии — измерение углов в 360° в совокупности с прочими досто инствами эффекта Холла, другой — ее исклю чительная надежность в 360-градусном диа пазоне (см. табл. 2).

Но на практике конструирование датчика положения на эффекте Холла является дале ко не простой задачей.

Известно множество конструкций, приме няющих различные комбинации активного (в схеме обработки сигнала) и пассивного усиления (с применением ферромагнитных концентраторов магнитного потока), и раз личные средства компенсации [15–18, 20, 21]. Например, достаточно сложные магнитные системы с массивными магнитопроводами, в зазоре между которыми размещается датчик Холла, описаны патентами [15, 16, 17]. Во мно гих случаях применяется более одного магни та (как минимум, два) [20], с концентратора ми магнитного потока [21].

Практический интерес представляют наи более простые устройства [21, 22], показанные на рис. 5.

Классические примеры конструкций линейных датчиков Холла
Рис. 5. Классические примеры конструкций линейных датчиков Холла

Измерительное устройство Bosch (рис. 5) для бесконтактного определения угла вращения [22] отличается особенной простотой и отсутстви ем ферромагнитных концентраторов, но обес печивает линейный участок кривой порядка 80°.

В большинстве автомобильных систем с ог раниченным угловым перемещением автомо бильный датчик должен эффективно измерять углы порядка 110–120°. Специально для таких систем разработан вариант конструкции датчи ка (новая разработка автора для автомобилей ВАЗ 2112), показанный на рис. 6. Устройство ре ализует классический режим вращения диполь ного магнита (рис. 6а) [14, 19] и в ограниченном угловом диапазоне φ образует однородный си нусоидальный магнитный сигнал без присутст вия характерных плоских участков (рис. 6б).

Программируемый датчик Холла с магнитопроводом
Рис. 6. Программируемый датчик Холла с магнитопроводом

Предлагаемый датчик отличается от ряда уже существующих вариантов применением ферромагнитного концентратора (магнито провода) специальной формы совместно с программируемым датчиком Холла. За счет применения концентратора, других функциональных и конструктивных особенностей (см. рис. 6в–е) устройство отличается увели ченной чувствительностью и надежностью. Это означает, при прочих стандартных воз можностях в конструкции можно использо вать большие воздушные зазоры, применять более слабые (по величине остаточной намаг ниченности) и меньшие по размеру магниты.

Бесконтактный датчик положения (рис. 6в) состоит из неподвижного корпуса 1, роторно го узла 2 с диаметрально намагниченным по стоянным магнитом 3, интегрального датчика Холла 4, печатной платы 5, контактов разъема 6, пружины 7, ферромагнитного концентрато ра 8 (магнитопровода) и крышки 9. Ротор 2, со стоящий из двух частей5 (позиция 2 указывает на верхнюю втулку), механически связан с вра щающимся валом детектируемого объекта (цели) и имеет возможность поворота в осно вании корпуса 1. С обратной стороны ротора 2 (рис. 6г) в нижней втулке 10 имеется паз для ус тановки устройства на вал с заданной началь ной ориентацией, определяемой внутренними ребрами паза. Корпус 1 жестко крепится двумя винтами 11 к неподвижной части объекта.

Для механического ограничения осевых пе ремещений роторного узла в корпусе 1 выпол нено двойное днище. Верхнее днище 12 (рис. 6д) фиксируется поверх роторного узла 2 на оп лавляемых штырях и приклеивается к днищу корпуса 1. Механический угол φ ограничива ется упорами 14 в основании корпуса и высту пами 15 втулки 10 ротора 2.

Постоянный магнит 3 жестко устанавливает ся (запрессовывается и вклеивается) в верхней втулке ротора 2 поверх пружины кручения 7, расположенной вне рабочей зоны бесконтакт ного взаимодействия магнита 3 и датчика 4. Осевое перемещение верхней втулки ротора 2 механически ограничивается кольцевым вы ступом на внутренней стороне верхней крыш ки 9 датчика.

В конструкции особенно важным является начальное размещение магнита 3: в нулевом по ложении должны быть совмещены механичес кая плоскость симметрии датчика 4 и магнит ная плоскость симметрии магнита 3 с нулевым значением магнитной индукции поля (или сред ним из магнитного диапазона датчика). Это по ложение показано на рис. 6а, е и соответствует среднеквадратическому напряжению выходной характеристики (см. рис. 1 и 6б). Начальная ори ентация магнита 3 относительно датчика 4 обес печивается в процессе сборки: непосредствен но перед его жесткой установкой определяется по результатам измерений магнитного поля, на пример, тесламетром, гауссметром, калибро ванной линейной ИС Холла или с помощью специальных аппаратно-программных средств.

Повышение чувствительности датчика до стигается только за счет использования фер ромагнитного концентратора 8, но при оп тимальном подборе других параметров маг нитной системы. Следует отметить, что в системах на эффекте Холла с постоянным магнитом из обычного материала типа NdFeB (в промышленности обычно выпускаются магниты с намагниченностью 1000–1200 мТл) можно использовать рабочие зазоры поряд ка 5–8 мм и нет смысла максимально прибли жать датчик к магниту. Оптимальный наклон выходной характеристики под углом поряд ка 45° (чувствительность) рассчитывается с ис пользованием средств программирования дат чика.

Дальнейшее увеличение линейного участ ка, показателя линейности, повышение точ ности, повторямости и надежности реализу ется через схемотехнику датчика. Развитие адаптационных признаков к конкретным ус ловиям работы, упрощение конструкции, тех нологии сборки и монтажа обеспечиваются с применением современной элементной ба зы программируемых ИС Холла, текущее со стояние рынка которой отражено в одной из статей автора [14], а особенности примене ния будут рассмотрены во второй части статьи.

Заключение

Растущий спрос на надежные и точные эле ктронные системы управления в последние годы приводит к увеличению числа бескон тактных датчиков положения, используемых в автомобильных системах. Производители автомобильного оборудования исследуют все новые пути для разработки надежных, ком пактных, недорогих и более точных электрон ных датчиков, а также обрабатывающих бло ков управления с целевым интерфейсом.

Рассмотренные датчики широко использу ются в настоящее время, но благодаря устой чивым темпам научных исследований и кон структорских разработок в недалеком будущем будут вытеснены множеством новых ус тройств, наследующих их лучшие признаки и разрабатываемых уже сегодня.

Литература

  1. Bannatyne R. The Sensor Explosion and Automotive Control Systems. Sensors Magasine. www.sensorsmag.com.
  2. Frank R., Krohn N., Shukman H. The Role of Semiconductor Sensors in Automotive Power Train and Engine Control. www.sensorsmag.com.
  3. Prosser Stephen J., Lucas Control Systems, Schaevitz Sensors. The Evolution of Proximity, Displacement, and Position Sensing. www.sensorsmag. com
  4. Madni Asad M., Vuong Jim B., Wells Roger F. The Next Generation of Position Sensing Technology. Part 1: Theory and Design. www.sensorsmag.com.
  5. Kanelas G., AlmanD. New Sensors help put pedal into metal. www.sensorsmag.com
  6. Electronic throttle control. United States Patent 6 289 874. Опубл. 18.09.2001. (BorgWarner, Inc.).
  7. Accelerator pedal module. 6 834 564. Опубл. 28.12. 2004. (Robert Bosch GmbH.)
  8. Sensor assembly with a universal sensor module for sensing angular position of an object. United States Patent 6 836 111. Опубл. 28.12. 2004. (Delphi Technologies, Inc.)
  9. Pedal with integrated position sensor. United States Patent 6 809 512. Опубл. 26.10.2004. (CTS Corporation.)
  10. Throttle assembly for internal combustion engine, and throttle sensor. United States Patent Application 20040123838. Опубл. 1.07.2004. (Hitachi Ltd.)
  11. Автомобильный справочник компании Robert Bosch GmbH.
  12. Potentiometer. United States Patent 6 838 973. Опубл. 4.01.2005. (Robert Bosch GmbH.)
  13. Graham C., Feltus J., Allegro Microsystems, Inc. Position Monitoring with Hall Effect Sensors. Sensors Magasine. 2002. No. 9.
  14. Сысоева С. Новые интегральные датчики Холла специального назначения. Компо ненты и технологии. 2004. № 9.
  15. Magnetic rotational position sensor with improved output linearity. United States Patent 5 444 369. Опубл. 22.08.1995.
  16. Magnetic rotational position sensor. United States Patent 6 310 473 Опубл. 30.10.2001. (Kearney-National, Inc.)
  17. Non-contact rotational position sensor and throttle valve assembly including non-contact rotational position sensor. United States Patent 6 559 637. Опубл. 6.05.2003. (Hitachi, Ltd.)
  18. Magnetic position sensor. United States Patent 6 703 829. Опубл. 9.03.2004.
  19. Rotational position sensor with a Hall Effect device and shaped magnet. United States Patent 5 159 268. Опубл. 27.10.1992. (Honeywell Inc.)
  20. Angular position sensor including rotor with spaced bar magnets. United States Patent 6 518 750. Опубл. 11.02.2003. (Delphi Technologies, Inc.)
  21. Magnetic rotational position sensor having a peripherally interrupted outer pole piece. United States Patent 6 417 664. Опубл. 9.07.2002. (Wabash Technologies, Inc.)
  22. Measurement device for the non-contact detection of an angle of rotation. United States Patent 6 534 971. Опубл. 18.03.2003. (Robert Bosch GmbH).

Список некоторых производителей автомобильных датчиков:
American Electronic Components, Inc., www.aecsensors.com
Bourns Sensors GmbH (Ruf Electronics), www.ruf-electronics.com
СTS Corporation, www.ctscorp.com
Delphi Technologies, Inc., www.delphi.com/am, go.delphi.com
Duncan Electronics Division, BEI Technologies, Inc., www.beiduncan.com
Hitachi Automotive Products (USA), Inc., www.hap.com
Honeywell Inc., content.honeywell.com/sensing/
Robert Bosch GmbH, www.bosch.com, http://www.boschusa.com
Novotechnik U. S., Inc., www.novotechnik.com/
Wabash Technologies, www.wabashtech.com
ООО «Автокомплект», www.2a2.ru
АО «Счетмаш», www.schetmash.ru

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке