Рекомендации производителям автомобильных цифровых датчиков скорости и положения. Часть 1. Постановка задач и общие конструкторские рекомендации

Все статьи цикла:

• Часть 1. Постановка задач и общие конструкторские рекомендации
• Часть 2. Новые рекомендации по разработке датчиков с магнитным ротором

Введение

Бесконтактные магнитоуправляемые автомобильные датчики скорости и положения в полностью бесконтактном исполнении, в котором отсутствует физический контакт не только между неподвижной электрической и подвижной механической частью, но и между ротором и статорными корпусными деталями, в настоящее время являются предметом повышенного интереса со стороны их разработчиков.

Сейчас наибольшее распространение в автомобилях получили три варианта полностью бесконтактных магнитоуправляемых датчиков (рис. 1):

• датчик скорости и (или) положения ферромагнитного зубчатого ротора с аксиальным магниточувствительным элементом — смещающим магнитом и цифровой магнитоуправляемой ИС с одноканальным тахометрическим или двухканальным выходом (функция направления) [1–3];
• аксиальный датчик скорости и (или) положения ротора с кольцевыми магнитными кодовыми элементами — инкрементальный или абсолютный энкодер с цифровой или аналоговой (для интерполяции положения в интерфейсной схеме) магнитоуправляемой ИС с одно-, двух- или многоканальным абсолютным выходом [1–4];
• датчик положения и (или) скорости дипольного магнитного ротора — абсолютный или инкрементальный магнитный угловой энкодер с многоканальным, двухканальным или одноканальным цифровым выходом, в котором статор размещен напротив торца ротора, ось симметрии статора и ось вращения магнитного ротора совпадают [4].

Конструкции такого рода позволяют в теории значительно повысить надежность устройства за счет практически полного устранения механического контакта, уменьшения трения и износа, понятия которых практически отменяются для статора. Тем не менее, сохраняется и даже усиливается (в связи с увеличением зазора между датчиком и ротором) проблема обеспечения надежности срабатывания — гарантированного переключения импульсного выхода датчика в условиях отрицательного влияния осевых и радиальных вибраций, механических допусков. Высокая надежность срабатывания цифровой системы без пропусков импульсов означает и более высокую точность устройства, но точность — более комплексная характеристика, включающая многие параметры.

Новые системы непрерывно формируют потребность в более точных, надежных, «интеллектуальных» сенсорных системах любого типа, в том числе и в цифровых датчиках скорости автомобиля, вопросы практического конструирования которых и являются основной темой данной статьи.

Задачи цифровых датчиков скорости и углового положения

Под датчиком скорости автомобиля (ДСА) обычно понимается цифровой бесконтактный датчик угловой скорости, или частоты вращения вращающегося вала с кодовым ротором, предоставляющий одноканальную цифровую информацию в виде последовательности импульсов, по временным интервалам между которыми может быть вычислено текущее значение частоты вращения вала или скорости автомобиля (рис. 2а,б).

Большинство автомобильных устройств этого типа представляют собой магнитоуправляемые датчики с импульсной выходной характеристикой в виде последовательности электрических импульсов с частотой ƒ, которая пропорциональна частоте следования фиксированного числа K кодовых элементов, равномерно размещенных по периферии ротора вращающегося вала, частоте вращения F и угловой скорости ω ротора вала:

Для измерения линейной скорости автомобиля ν_авт подбирается пропорциональность частоты импульсов данному измеряемому параметру:

где ƒ — частота вращения ротора, Гц; ƒ₀ — коэффициент пропорциональности или частота вращения ротора при скорости автомобиля 1 м/c, м^–1; ν_авт — скорость автомобиля, м/c.

Важнейшим показателем сигнала скорости является скважность, равная 2 (что эквивалентно рабочему циклу порядка 50%):

Импульсные датчики угловой скорости (частоты вращения) непосредственно применяются для измерения линейной скорости автомобиля, определения частоты вращения колес в антиблокировочных системах (АБС), считывания уникального углового положения коленчатого вала и распределительного вала.

Многие современные автомобили снабжаются датчиками линейной скорости, прикрепленными к коробке передач или ведущему мосту, которые генерируют импульсный сигнал скорости, предназначенный для спидометра (одометра), систем круиз-контроля, маршрутных компьютеров автомобиля, а также локальных компьютеров двигателя (контроллера впрыска) и коробки передач (контроль входной и выходной скорости). Такие динамические алгоритмы управления, как, например, получение максимальной топливной эффективности или сохранение постоянного расстояния до следующего автомобиля, формируются при получении сигнала датчика скорости автомобиля (ДСА).

Антиблокировочная система (АБС) удерживает колеса (одно или более) от полной блокировки (проскальзывания) при значительном усилии торможения. Информация о замедлении одного из колес извлекается из сигналов датчиков скорости (частоты вращения) колес в соответствии с алгоритмом, локализующим минимальный сигнал колеса, включая полную остановку, в сравнении с некоторым опорным значением.

Системы контроля сцепления, известные как TCS (Traction Control System), или traction assist, и системы контроля динамики ESC (Electronic Stability Control) или ESP Bosch (Electronic Stability Program) оптимизируют сцепление колес на скользких поверхностях (TCS) или на поворотах (ESC) и, для уменьшения проскальзывания (быстрого вращения) колес и корректировки рулевого управления, используют электронное торможение на одном или более колесах.

В последнее время к ставшим классическими примерам добавляются новые применения, такие как контроль входного вала коробки передач.

Датчик частоты вращения может быть также использован для детектирования углового положения ротора по одному или нескольким пропущенным кодовым элементам, которые обеспечивают периодический пропуск электрического импульса в логическом выходе датчика в момент прохождения мимо датчика пропущенного зуба ротора.

Можно синхронизировать и сопоставлять временные рамки появления пропуска импульса с физической отметкой при определенном фазовом положении вала (рис. 2в,г). Например, верхней мертвой точке поршня соответствует пропуск зуба в профиле ротора коленчатого вала, обнаруживаемый бесконтактным датчиком и регистрируемый как пропуск импульса в выходной последовательности частотного электрического сигнала датчика.

Датчик коленчатого вала собирает информацию о скорости и угле поворота коленчатого вала для синхронизации зажигания. Датчик фазы обеспечивает информацию о скорости и точном положении распределительного вала для корректной синхронизации (таймирования) начала впрыска с возможностью работы на нулевых оборотах (состояние True power-on).

Оба датчика предоставляют информацию, необходимую для управления двигателем и автоматической коробкой передач.

Несмотря на схожесть задач, специфика функционирования различных автомобильных систем предполагает функциональные и конструктивные отличия цифровых датчиков, а также различным образом определяет их актуальность для будущих разработок.

Так, датчики скорости ферромагнитного зубчатого ротора, которые используют в качестве кодовых элементов зубцы недорогого штампованного ротора, идеально подходят для измерения частоты вращения выходного вала коробки передач, а также для АБС и коленчатого вала, благодаря наличию специализированных ASIC. Но требования больших рабочих зазоров и допусков обращают внимание разработчиков на многополюсные магнитные роторы, которые позволяют использовать те же датчики ферромагнитного ротора, но без смещающего магнита. Основные недостатки магнитных роторов — более высокая цена многополюсных кольцевых магнитов и подверженность магнитного ротора отрицательному влиянию высоких рабочих температур — предполагают поиск новых решений для встроенных исполнений.

Для АБС необходимо наиболее компактное решение — встраивание ротора и датчика в подшипники, что диктует важное направление развития и для прочих обсуждаемых здесь устройств. Кроме того, специализированная элементная база ASIC с двухканальным выходом для определения направления вращения, разработанная впервые для АБС, может обеспечивать удвоение разрешения и повышение функциональности других автомобильных систем (рис. 2д).

Для прецизионного детектирования углового положения необходимо минимизировать (или учитывать в схеме обработки сигнала) абсолютную точность таймирования и динамические вариации электрического профиля сигнала, такие как повторяемость, относительная точность таймирования, динамические вариации скважности (которые должны находиться в пределах 5%).

Для коленчатого вала основным требованием к конструкции датчика и кодового ротора является обеспечение таймирования — согласованной синхронизации нарастающего фронта импульса с пропуском кодового элемента (решается схемотехнически). Конструкция распределительного вала использует большие кодовые элементы и самокалибрующиеся униполярные датчики Холла.

Для обоих датчиков существует также альтернатива применения абсолютных магнитных угловых энкодеров с дипольным магнитным ротором (рис. 1д,е).

Проблемы известных датчиков ферромагнитного зубчатого ротора

В статье [2] была опубликована конструкция классического датчика, разработанная на основании стандартных рекомендаций, которые предоставляют производители дифференциальных интегральных датчиков скорости. Согласно этим рекомендациям магнит клеится с обратной стороны ИС Холла, создавая смещающее магнитное поле, минимальная величина которого достигается в отсутствие ротора, а максимальная — при появлении ферромагнитного концентратора (зуба) (рис. 3). Для обеспечения необходимой для эффекта Холла перпендикулярности ИС и магнит размещаются в специальном фиксирующем корпусе.

Ферромагнитный зубчатый ротор с чередующимися зубьями и впадинами, проходящими мимо датчика Холла, модулирует смещающее магнитное поле датчика (рис. 4). Амплитудно-модулированный переменный магнитный сигнал считывается градиентными элементами Холла ИС датчика, физически разнесенными на расстояние, согласованное со средним шагом (механическим периодом) ротора так, чтобы пиковый сигнал одного элемента приходился на середину впадины, а пиковый сигнал другого элементана середину зуба. Применение дифференциального усилителя с математическим вычитанием позволяет удваивать сигналы от элементов Холла и, теоретически, отменять влияние величины обратного магнитного смещения. Пиковый дифференциальный сигнал тогда приходится на край зуба. После прохождения дифференциального сигнала через пороговый компаратор датчик вырабатывает логический выход частотой, пропорциональный числу прошедших мимо него зубьев (или впадин).

Можно предположить, что меньшие рабочие воздушные зазоры, большие смещающие поля и усиленные зубья обеспечивают более крутой дифференциальный сигнал. Эксперименты выявили, что статические свойства датчика более значительно зависят от значения обратно смещающего поля, чем вначале предполагалось [5]. Так, допустимый диапазон рабочего воздушного зазора зависит от приложенного магнитного поля. В области рабочих значений положение магнита влияет также на скважность Q выходного сигнала, причем это влияние неодинаково с различными рабочими зазорами d. Каждому значению d воздушного зазора, вплоть до максимального d_max в области возможных допустимых положений магнита, может быть поставлено в соответствие определенное оптимальное расположение магнита на расстоянии L с уникальным значением B, дающее ε < 1% и Q(B_opt) = 2. Наблюдалось, что по мере увеличения d область допустимых положений сужается до точки оптимальности. Внутри области любые статические и динамические аксиальные перемещения магнита позади датчика сопровождаются изменением скважности и, как следствие, точности. Это объясняется тем, что значительные допуски неоднородности магнитной поверхности вызывают ненулевое начальное смещение дифференциального магнитного сигнала. При уменьшении рабочего поля допуски также уменьшаются.

Известен бесконтактный датчик скорости автомобиля (ДСА), предназначенный для измерения угловой скорости зубчатого ротора, применяющий магнитопровод в составе магниточувствительного элемента на основе дифференциальной интегральной схемы (ИС) Холла для получения скважности, близкой к двум [6]. Недостатком данного устройства является необходимость компромисса между помехоустойчивостью и скважностью выходного сигнала и величиной максимального рабочего воздушного зазора, связанной с применением магнитопровода для выравнивания магнитного поля между элементами дифференциальной ИС Холла (рис. 5).

Известен бесконтактный датчик скорости автомобиля, предназначенный для измерения угловой скорости зубчатого ротора, применяющий технику разнесения дифференциальной ИС Холла и постоянного магнита обратного смещения по разные стороны печатной платы ДСА для получения скважности, близкой к двум, без компромисса с получением величины максимального воздушного зазора (рис. 6) [7].

Устройство характеризуется совокупностью следующих конструктивных и функциональных ограничений его применения за пределами раскрытой в описании оптимальной компоновки.

Так, конструкция и габариты корпуса, согласуемые с заказчиком, не всегда позволяют использовать оптимальное расстояние L, которое может также и существенно варьироваться в случае значительных погрешностей при определении однородности намагниченности полюсов магнита. Устройство конструктивно регламентирует расположение платы между ИС и обратно смещающим магнитом, а не рассматривает такое расположение как один из вариантов.

Увеличение расстояния L влияет на функциональность датчика. Большее L соответствует обратно пропорциональному уменьшению величины рабочей магнитной индукции B, что в рабочем диапазоне магнитного поля означает ухудшение динамических свойств датчика — уменьшение максимального рабочего воздушного зазора в динамике, сужение допусков монтажа, снижение характеристик виброустойчивости и температурной стабильности (при меньшем рабочем поле более заметно влияние температуры на свойства магнита).

Оба устройства [6, 7] отличаются следующими недостатками. Поскольку малая чувствительность эффекта Холла и слабый уровень первичного выходного сигнала предполагают невысокую устойчивость к электромагнитным помехам, вариациям температуры, механической вибрации, динамическим механическим напряжениям и т. д., для увеличения рабочего воздушного зазора очевидна необходимость применения сильных редкоземельных магнитов с высокой остаточной намагниченностью.

Увеличение остаточной намагниченности часто означает и увеличение всех геометрических размеров магнита, что противоречит концепции миниатюризации устройства. Больший по диаметру магнит, особенно со специальным ротором уменьшенной геометрии (малым, средним шагом), будет оказывать заметное влияние на соседние зубья, способствовать рассеиванию рабочего магнитного поля и т. д. Магнит с большей высотой, которая суммируется с расстоянием L, может не вписаться в габариты датчика.

Типичные устройства [6, 7], которые рассчитаны на применение обычных дифференциальных ИС Холла, не учитывают, хотя и не исключают, возможность применения схемотехнических способов оптимизации (к ним относятся интегрированная начальная самокалибровка ИС для вычитания магнитных сдвигов, пикоопределение, динамическое определение порогов, переключение на нулевом пересечении) совместно с механическими средствами.

В случае применения динамических дифференциальных ИС Холла в устройствах диапазон измеряемых частот ограничивается снизу, что приводит к невозможности измерения малых угловых скоростей, близких к нулевой, и индикации статического углового положения. Вероятно также сужение рабочего частотного диапазона сверху (в связи с усиливающимся при частоте влиянием магнитного поля вихревых токов в роторе на слабое рабочее магнитное поле).

Для датчиков Холла и любых градиентных датчиков (с двумя физически разнесенными элементами) существует необходимость применения роторов определенной геометрии с согласованным средним шагом, что уменьшает возможность унификации пар датчик/шестерня. Причем для дальнейшего повышения технологичности устройства и производственной гибкости желательна унификация конструкции датчика не только с расчетом на ее применение с ферромагнитными зубчатыми роторами с большим шагом, но и с магнитным ротором (многополюсным кольцевым магнитом или ротором на основе магнитной резины), который самостоятельно обеспечивает рабочее магнитное поле (смещающий магнит не требуется), и позволяет получать более высокую надежность и точность, а также использовать больший рабочий воздушный зазор и разрешать большие допуски монтажа.

Совокупность многих конструктивных и функциональных ограничений типичных известных устройств в конечном итоге означает необходимость учета большего числа ограничивающих факторов и поиск новых компромиссов для достижения области оптимальных решений.

Постановка задач

Основными задачами, стоящими перед разработчиками автомобильных цифровых датчиков угловой скорости и углового положения вращающегося вала, являются повышение чувствительности, точности и надежности устройств, а также статическая и динамическая функциональная оптимизация устройства, включающая:

• увеличение диапазона рабочего воздушного зазора для гибкости монтажа;
• расширение радиальных, вертикальных (по оси Z ротора) и угловых допусков монтажа;
• повышение виброустойчивости — расширение динамического диапазона зазора и допусков по всем трем осям;
• расширение оптимизированной рабочей области устройства со скважностью выходного сигнала, близкой к двум;
• расширение рабочего частотного диапазона (до скорости, максимально близкой к нулевой, расширение динамического диапазона угловой скорости ротора);
• улучшение повторяемости, точности таймирования, фазовой точности переключения (уменьшение джиттера);
• конструктивная оптимизация, миниатюризация устройства, упрощение технологии сборки и монтажа.

Обобщенное конструкторское решение на основе дифференциального датчика

Обобщенное конструкторское решение представляет собой автомобильный цифровой бесконтактный магнитоуправляемый датчик (БМД) угловой скорости и углового положения вращающегося вала, включающий (рис. 7):

1. ферромагнитный или магнитный ротор с периодическим двоичным кодированием;
2. совокупность механических и электронных средств для считывания двоичного кодирования ротора, заключенная в отдельный корпус БМД.

Между двумя этими частями существует значительный физический зазор d (рис. 7б).

В корпусе БМД размещаются следующие обязательные элементы (рис. 7а–в):

• магниточувствительный элемент (например, на основе дифференциальной ИС Холла);
• печатная плата с электронной схемой обработки сигнала (при необходимости) и запаянными ИС и элементами электрического интерфейса БМД, служащая также основой для крепления магниточувствительного элемента.

Аксиально намагниченный постоянный магнит будет включаться в корпус БМД и в состав магниточувствительного элемента для работы датчика с ферромагнитным ротором — обратного смещения ИС (может применяться и с магнитным ротором — для увеличения эффектов Push-Push или Push-Pull).

Для выравнивания магнитного смещения интегрированных чувствительных элементов дифференциальной ИС Холла между ее обратной стороной и ближайшей полюсной поверхностью обратно смещающего магнита вводится необходимое для этого расстояние L, в общем случае большее или равное нулю (L>0) и заполняемое любыми диамагнитными материалами или средами — внутрикорпусными деталями БМД, клеем или воздушной прослойкой (рис. 7д–ж). Это означает, что при удовлетворительной однородности одной из полюсных магнитных поверхностей, примыкающей к обратной стороне ИС, конструктивно выбирается расстояние L=0 (рис. 3), но расстояние L при этом фактически может быть ненулевым, так как может присутствовать воздушная, клеевая или корпусная прослойка, причем значения L даже в 0,3 мм влияют на функциональность устройства.

С обратной стороны ИС в пределах габаритов корпуса БМД для устранения неоднородностей или повышения чувствительности устройства (усиления рабочего магнитного поля) допускается включение плоского ферромагнитного концентратора, повторяющего, подобного или приближающегося по форме к смещающему магниту и, по возможности, к торцу кодового элемента, симметричного относительно оси (осей) симметрии чувствительных элементов и магнита. Число магнитопроводов может быть обобщено до одномерного массива размерностью m концентраторов общей суммарной толщиной 0≤L_m≤L, но в схеме с обратным смещением m>1 целесообразно только при L>>0 и одновременно при L>>D_М, где D_М — диаметр или ширина магнита (соответствующая ширине зуба или кодового элемента ротора), что позволит улучшить эффекты концентрации магнитного потока.

Магнитопровод может применяться и с магнитным ротором без обратного магнитного смещения в пространстве позади ИС — для улучшения эффектов концентрации и выравнивания неоднородностей полюсов (рис. 7з,и).

Поэтому в рассматриваемом обобщенном конструкторском решении расстояние L вводится для рассмотрения вне зависимости от наличия обратно смещающего магнита. При отсутствии такового оно может приниматься, в зависимости от контекста, равным габаритам корпуса, расстоянию от обратной стороны ИС до крайней торцевой поверхности магнитопровода, нулю или бесконечности.

Расстояние L вводится вне зависимости от расположения платы в корпусе БМД, хотя таковое учитывается и влияет на внутреннюю конструкцию корпуса БМД и общее количество внутрикорпусных деталей, размеры и допуски монтажа магниточувствительного элемента.

Практически во всех конструкциях желательно осуществлять предварительную фиксацию взаиморасположения ИС, магнита, магнитопровода и ненулевого расстояния L — предварительное корпусирование магниточувствительного элемента.

В магниточувствительном элементе на основе эффекта Холла, который считывает перпендикулярные составляющие переменного магнитного поля, действующего на датчик, дифференциальная ИС и аксиально намагниченный постоянный магнит обратногосмещения жестко устанавливаются так, что ось симметрии чувствительных центров ИС и легкая ось намагниченности магнита совпадают, при этом легкая ось перпендикулярна плоскости ИС. Магниточувствительный элемент затем устанавливается в корпусе перпендикулярно заданной диаметральной оси ротора. Между ИС и магнитом может размещаться тонкий магнитопровод или диамагнитная среда, составляющие фиксированное расстояние L. Для облегчения операций сборки устройств и минимизации сумм допусков применяется специальный фиксирующий корпус, изготавливаемый таким образом, что в него вмещаются все перечисленные выше компоненты.

Магниточувствительный элемент, предварительно закорпусированный перед его установкой в корпус БМД и (или) на плату, представляет собой интегральный модуль. Помимо минимизации допусков, такой прием позволяет гибко осуществлять взаимозаменяемость модулей в унифицированной конструкции корпуса БМД как для различных ферромагнитных, так и магнитных роторов (рис. 7д–и). В фиксирующем корпусе магниточувствительного элемента может размещаться только одна ИС (без магнита обратного смещения и даже без магнитопровода), но изготовление модуля при большой номенклатуре изделий по-прежнему целесообразно, так как облегчает операции последующей сборки — установку в готовые посадочные места на плате, при этом внутренняя конструкция модуля упрощается.

Исполнения модулей могут быть унифицированы для встраивания как в радиальные, так и в аксиальные исполнения БМД (рис. 8), которые могут детектировать частоту вращения различных типов роторов, но с вариациями среднего шага в допустимых пределах и сравнимого диаметра в пределах рабочего воздушного зазора (особенно важно для радиальных исполнений), или аксиальные корпуса БМД переменной длины.

В однокомпонентных решениях допускается отсутствие даже платы, тогда можно припаивать контакты непосредственно к выводам ИС модуля — этот вариант вполне приемлем для магнитных роторов, но без фиксирующего корпуса сложнее выдержать допуски и проконтролировать фактические погрешности монтажа.

Могут применяться варианты модулей, изготавливаемые в условиях собственного производства изготовителя, а также покупные, например ATS625 или другие Allegro Microsystems (рис. 9).

Существуют также исполнения БМД, выполненные с применением ИС поверхностного монтажа (рис. 10). Фиксирующий корпус в этом случае для ИС не применяется, но тогда, очевидно, обязательно присутствие платы вне зависимости от наличия схемы обработки сигнала. Наиболее простое размещение — микросхема запаивается с одной стороны ИС, магнит клеится с другой. Если оптимальным является расстояние L<1,5 мм (типичная толщина платы), в плате под магнит и (или) магнитопровод выдалбливается паз — вплоть до минимальной толщины, допускающей запайку ИС. Плата в этом случае выполняет функции фиксатора ИС и магнита, расстояния L и электрического соединителя ИС с контактами. Если же расстояние L>1,5 мм, может использоваться фиксирующий корпус только для магнита и магнитопровода, размещаемый с обратной стороны платы.

Продолжение следует