Датчики скорости и частоты вращения

Датчики скорости и частоты вращения

 

Датчики скорости и частоты вращения измеряют количество оборотов или расстояние, пройден­ное за определенное время. Применительно к автомобилестроению в обоих случаях — это измеряемые переменные, возникающие между двумя компонентами или относительно поверх­ности дороги либо другого автомобиля. Однако иногда необходимо измерить абсолютную ско­рость вращения в пространстве, т.е. вокруг осей автомобиля (скорость вращения вокруг верти­кальной оси). Например, для системы динами­ческой стабилизации (ESP) скорость вращения автомобиля вокруг вертикальной оси должна вычисляться путем «считывания». Вот о том, какими бываю датчики скорости и частоты вращения, мы и поговорим в этой статье.

 

 

 

Регистрация относительной частоты вращенияВ инкрементном определении относитель­ной скорости вращения вокруг вертикальной оси, в зависимости от количества и размера сканируемых периферийных меток ротора, различают следующие типы датчиков (рис. «Регистрация относительной частоты вращения» ):

  • Простой датчик оборотов, только с одной сканируемой меткой на оборот, что позво­ляет определить только среднюю скорость вращения;
  • Сегментный датчик, лишь с небольшим количеством сканируемых периферийных сегментов (например, эквивалентных ко­личеству цилиндров двигателя);
  • Инкрементный датчик с близко располо­женными периферийными метками.

Что измеряют датчики скорости и частоты вращения

 

До определенного момента эта форма дат­чика позволяет измерять мгновенную скорость в точках на окружности и, соот­ветственно, регистрировать очень мелкие угловые доли.

Примерами относительной частоты враще­ния являются частота вращения коленчатого или распределительного вала двигателя, частота вращения кулачкового вала топлив­ного насоса высокого давления дизеля, ча­стота вращения колес автомобиля (ABS, TCS, ESP). Измерения в основном выполняются с помощью системы инкрементных датчиков, состоящей из шестерни и датчика частоты вращения.

 

 

Формы датчиков скорости

 

Различные формы датчиковИспользуются различные формы датчиков (рис. «Различные формы датчиков» ): стержневые, вильчатые и кольцевые (внутренние и внешние). Благодаря простоте монтажа, самым распространенной формой датчика является стержневая. Стержневой датчик размещается рядом с ротором, зубья которого приближаются к нему и проходят в непосредственной близости. Однако датчики такой формы имеют самую низкую чувстви­тельность измерений. В некоторых случаях допускается использование вильчатых датчи­ков, нечувствительных к осевому и радиаль­ному люфту. В установленном состоянии этот датчик должен быть примерно совмещен с ротором. Тип датчика, в котором датчик окру­жает вал ротора в форме кольца, уже практи­чески не используется.

Требования к новым датчикам скорости

 

Во многих отношениях более ранние тра­диционные датчики индуктивного типа по­казывают очень неудовлетворительные ре­зультаты. Схема расположения датчиков, нечувствительных к колебаниям воздушного зазораОни выдают амплитуду, зависимую от частоты вращения, и поэтому непригодны для низких оборотов, допускают лишь от­носительно небольшие допуски воздушного зазора, и большей частью неспособны отли­чить колебания зазора от импульсов частоты вращения. По крайней мере, конец датчика- из-за своей близости к тормозу (в случае с датчиками скорости вращения колес), дол­жен быть стойким к высоким температурам. Эти недостатки находятся позади дополни­тельных функций, на которые нацелено но­вое поколение датчиков:

  • Статическое определение (т.е. при нуле­вой скорости: сверхмалые обороты колен­чатого вала или частота вращения колес);
  • Эффективное измерение в больших зазорах (не совмещенный монтаж с зазорами> 0);
  • Небольшой размер;
  • Эффективная работа независимо от колебаний зазора;
  • Термостойкость до 200 °С;
  • Определение направления (опция для системы навигации);
  • Определение опорной метки (зажигание).

Магнитостатические датчики (датчики Холла, магниторезисторы, AMR) очень хорошо отвечают первым двум требованиям. И, как правило, они также обеспечивают соответствие второму и третьему требованиям.

На рис. «Схема расположения датчиков, нечувствительных к колебаниям воздушного зазора» показаны три, в принципе, прием­лемые формы датчиков, обычно нечувстви­тельные к колебаниям зазора. Здесь следует различать датчики с радиальным и танген­циальным считыванием. Это означает, что, независимо от зазора, магнитостатические датчики всегда смогут отличить северный и южный полюса магнитноактивного полюс­ного колеса или роторного кольца. В случае с магнитнопассивными роторами знак выход­ного сигнала уже не будет зависеть от зазора при регистрации напряженности тангенци­ального поля (хотя тот факт, что зазор часто увеличивается из-за ротора, является здесь недостатком). Однако часто используются также радиально измеряющие градиентные датчики, которые по сути лишь регистрируют градиент радиального поля, изменяющий свой знак не при изменении зазора, а только при изменении угла поворота.

 

 

Роторы

 

Ротор имеет ключевое значение для измере­ния скорости вращения; однако он обычно поставляется автопроизводителем, в то время как сам датчик приходит от постав­щика. До недавних пор почти исключительно использовались магнитнопассивные роторы, состоящие из магнитомягкого материала, обычно железа. Они дешевле магнитотвер­дых полюсных колес и проще в обращении, поскольку не намагничиваются, и нет опас­ности взаимного намагничивания (например, во время хранения). Как правило, при оди­наковых инкрементной ширине и выходном сигнале, внутренний магнетизм полюсного колеса (полюсное колесо определяется как магнитноактивный ротор) допускает значи­тельно больший зазор.

Современные датчики скорости

 

Гоадиентные датчики

 

Содержат постоянный магнит, полюс ко­торого обращен к зубчатому колесу. Его поверхность гомогенезирована тонкой ферромагнитной пластиной, на которой расположены два гальваномагнитных эле­мента на расстоянии примерно половины зубчатого интервала. Таким образом, один из элементов всегда находится напротив межзубного промежутка, а другой — напротив зуба. Измеряется различие в напряженности поля в двух смежных местоположениях на окружности. Выходной сигнал приблизи­тельно пропорционален отклонению силы поля как функции угла на окружности, поэ­тому полярность не зависит от зазора.

Тангенциальные датчики

 

Датчик оборотов AMR в виде датчика тангенциального поляТангенциальные датчики отличаются от их аналогов градиентного типа способом по­лучения вариаций в полярности и напря­женности магнитного поля, в компонентах, расположенных касательно к окружности ро­тора. Варианты конструкции включают тон­копленочную технологию AMR (вытянутые резисторы с поперечными полосками) или резисторы из одного сплава, по полу- или полной мостовой схеме. В отличие от гради­ентных датчиков, их не требуется адаптиро­вать к конкретному шагу зубьев ротора, и они могут выполнять считывание в данной точке. Требуется локальное усиление, хотя их изме­рительный эффект на 1-2 порядка выше, чем у кремниевых датчиков Холла (рис. «Датчик оборотов AMR в виде датчика тангенциального поля» ).

При использовании интегрированного в подшипник датчика частоты вращения коленчатого вала, на общей рамке с вы­водами устанавливаются тонкопленочный анизотропный магниторезистивный датчик (AMR-датчик) и монолитная интегральная схема, производящая вычисления. С целью экономии пространства и защиты от влияния температуры, интегральная схема устанавли­вается под углом 90°.

 

 

Колебательные гирометры

 

Позволяют измерять абсолютную частоту вращения при поворотах автомобиля (от­клонения вертикальной оси). В частности, это требуется в системах контроля динамики автомобиля VDC, стабилизации заноса и на­вигации. Создание ускорения КореолисаПринцип действия базируется на свойствах механических гироскопов; при из­мерении используется ускорение Кориолиса, сопутствующее колебательному движению:

aCoriolis = ax = 2·vу · ΩZ

Скорость vy изменяется синусоидально, в со­ответствии с колебательным движением:

vу = v’у·sinω·t

При постоянной скорости вращения вокруг вертикальной оси Ωz создается синусои­дальное ускорение Кориолиса с такими же частотой, положением и фазовым углом, а значение амплитуды будет следующим:

a’Coriolis = 2 v’у · Ωz

Это ускорение можно измерить блоком на­блюдения, также движущимся на матери­альной точке т (рис. «Создание ускорения Кореолиса» ). Чтобы определить скорость вращения вокруг вертикальной оси, используется подходящий орган управления для эффективного поддержания амплитуды колебаний на постоянном уровне и выпрям­ления ускорения Кориолиса, измеренного на колеблющейся массе т с выбором фазы и частоты (например, с помощью синхронизи­рующего усилителя). В этом процессе удаля­ется нежелательное ускорение извне, напри­мер, ускорение кузова.

 

Микромеханический датчик скорости вращения вокруг вертикальной оси ММ1 с электродинамическим приводом

 

Микромеханические кремниевые датчики скорости вращения автомобиля вокруг вер­тикальной оси обеспечивают недорогую и компактную альтернативу использующимся в настоящее время прецизионным пье­зоэлектрическим датчикам. Объединение технологий позволяет достигать высокой точности, необходимой для динамических систем автомобиля (рис. «Микромеханический датчик скорости вращения вокруг вертикальной оси ММ1 с электродинамическим приводом» ). Две толстые пастированные пластины, изготовленные из платы посредством объемной микромеха­ники колеблются в двухтактном режиме на своей резонансной частоте, которая опреде­ляется их массой и жесткостью сцепляющей пружины (> 2 кГц). Каждая плата снабжена располагаемым на поверхности микромеханическим емкостным датчиком ускорения, который служит для измерения ускорения Кориолиса (поворотного ускорения) Ωz в плоскости кристаллической пластины, расположенной перпендикулярно к направ­лению колебаний, когда кристалл датчика поворачивается вокруг своей вертикаль­ной оси с угловой скоростью. Получаемые сигналы пропорциональны произведению угловой скорости и скорости возвратно­-поступательного движения, которая регули­руется электроникой до установления по­стоянной величины. На колеблющейся плате имеется изготовленный печатным способом простой проводник, на который действуют силы Лоренца в поле постоянного магнита, направленном перпендикулярно поверхно­сти кристалла. Таким образом, проводник используется для измерения частоты ко­лебаний как напрямую, так и индуктивным способом при том же магнитном поле. Раз­личные физические характеристики приво­дных и сенсорных систем предупреждают недопустимые перекрестные помехи. Для того чтобы исключить внешнее ускорение (сигнал общего режима), два противопо­ложных сигнала датчика вычитаются один из другого (суммирование используется для определения внешнего ускорения). Точная микромеханическая структура помогает по­давить эффект большого колебательного ускорения, которое на несколько порядков выше ускорения Кориолиса нижнего уровня (поперечная чувствительность значительно ниже 40 дБ). Приводные и измерительные системы в понятиях механического и элек­трического действий являются строго изо­лированными.

Если кремниевый датчик скорости враще­ния вокруг вертикальной оси изготавливать в полном соответствии с поверхностной микромеханикой (SMM), а магнитный привод и систему управления заменить электроста­тической системой, это изолирование может быть реализовано менее последовательно: установленный по центру роторный генератор, работающий по законам электростатики, слу­жит для получения колебаний с амплитудой, которая постоянно регулируется емкостным измерительным преобразователем (рис. Датчик вращения во круг вертикальной оси SMM ММ2 (поверхностная микромеханика) с элетростатическим приводом» ). В случае, когда Ω≠0, силы Кориолиса ини­циируют одновременное наклонное движение «вне плоскости» с амплитудой, пропорцио­нальной скорости вращения вокруг верти­кальной оси и определяемой емкостным спо­собом — электродами, расположенными под генератором. Для того чтобы это движение не слишком амортизировалось, датчик должен работать в вакууме. Хотя меньший размер кристалла и более простой процесс его изго­товления и уменьшают стоимость такого дат­чика, миниатюризация приводит к ухудшению точности измерения. Это предъявляет более высокие требования к электронике. Влияние внешних ускорений здесь уже устраняется механически. Это второе поколение датчиков скорости вращения вокруг оси обозначается аббревиатурой ММ2 и используется главным образом в системах защиты пассажиров для определения скорости вращения вокруг про­дольной оси (бокового раскачивания).

 

Датчик вращения во круг вертикальной оси SMM ММ2 (поверхностная микромеханика) с элетростатическим приводом

 

Дальнейшие разработки в области систем стабилизации автомобилей предъявляют все более высокие требования к качеству и мощ­ности сигнала. Они требуют дополнительных осей измерения с высокой надежностью. Третье поколение датчиков (ММ3) отвечает этим требованиям. В этих датчиках используется новое поколение микромеханических элементов. Они измеряют угловые скорости вращения и ускорения, а измеряемые переменные подвергаются циф­ровой обработке.

В следующей статье я расскажу о датчиках ускорения и вибрации.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *