Устройство автомобилей




Микропроцессорное управление двигателем




Эффект Холла и датчики положения

Современные автомобильные двигатели оснащаются автоматическими средствами управления системой питания и зажигания, использующими информацию, поступающую от многочисленных датчиков для корректировки начала и продолжительности подачи топлива, и (в системах с принудительным воспламенением) времени подачи искры в цилиндры.

К таким датчикам, позволяющим точно определять моменты подачи в цилиндры двигателя очередной порции топлива и искры, относятся датчики фаз и датчики положения коленчатого вала, использующие в своей работе эффект, открытый почти полтора века назад американским физиком Эдвином Гербертом Холлом (Edwin Herbert Hall, 1855-1938), который так и называют - эффект Холла.

эффект Холла

В чем же заключается эффект Холла? Суть этого явления достаточно проста для понимания любому современному школьнику, знакомому с природой электричества и магнетизма. Но в далеком 1879 году, когда Э. Холл сделал свое открытие, оно, конечно же, открыло научному миру глаза на многие явления в окружающем мире.

Эдвин Холл взял тонкую прямоугольную золотую пластинку (рис. 1), разместил ее в постоянном магнитном поле, и пропустил через нее ток, подсоединив противоположные грани пластинки (на рисунке 1 - грани С и D) к источнику постоянного тока. В результате скрупулезных замеров он установил, что между боковыми гранями пластины (грани А и В) возникла разность потенциалов, т. е. напряжение. Конечно же, это напряжение было ничтожно мало, но факт оставался фактом - в металле возникла поперечная ЭДС, которая «согнала» часть заряженных частиц к одной из боковых граней.

Природу этого явления современная физика объясняет так.
Когда заряженные частицы, перемещаясь по проводнику (любому, не обязательно золотой пластине), проходят через магнитное поле, на них действуют силы, описанные голландцем Х. Лоренцем (спустя десять лет после открытия Э. Холла), и частицы отклоняются от прямолинейной траектории. Т. е. если проводник с током разместить в магнитном поле, перпендикулярном к траектории движения заряженных частиц (электронов, ионов), они отклонятся от прямолинейной траектории, и одна сторона проводника станет отрицательной, а другая, соответственно, положительной.

Практическое применение обнаруженного Э. Холлом явления было осуществлено лишь спустя десятки лет. Разность потенциалов, возникающая между гранями токонесущего проводника была очень мала, и долгое время удивительный эффект оставался лишь объектом лабораторных исследований.
Так, например, было установлено, что различные материалы, использовавшиеся в экспериментах в качестве проводника тока, образуют на гранях разность потенциалов, свойственную лишь данному материалу, что позволяет, таким образом, идентифицировать любое вещество с помощью нехитрого способа.

Впоследствии, когда появились различные усилители напряжения, сначала ламповые, а затем полупроводниковые, эффект, открытый Холлом получил достойное и достаточно широкое применение во многих областях машиностроения, в том числе и в автомобильной промышленности.
Подлинный триумф эффекта Холла совпал с широким применением компьютерных устройств, способных выполнять команды в виде электрических сигналов значительно быстрее, чем это делали механические устройства. Именно с этого времени датчики Холла произвели настоящую революцию в сложной технике, используемой человеком для практических нужд. Компактные и простые в изготовлении устройства позволили заменить громоздкие и ненадежные механизмы во многих машинах.




Как же работают датчики, использующие эффект Холла для формирования сигналов, поступающих в управляющие устройства систем двигателя? На автомобильных двигателях такие датчики устанавливают для слежения за положением распределительного вала ГРМ (датчик фаз) и положением коленчатого вала (датчик положения коленчатого вала). Оба датчика помогают бортовому компьютеру автомобиля (СБУ) понять, в каком положении находятся поршни и клапана двигателя, и на основании этого «принимать решение» о времени подачи топлива и искры в цилиндр.

эффект Холла и датчики положения

Датчики состоят из электромагнитной катушки, в которой расположен магнитопровод в виде полупроводниковой или металлической пластины из специальных сплавов. В катушку подается постоянный ток из бортовой сети автомобиля, и вокруг нее образуется постоянное магнитное поле, которое индуцирует в пластине ЭДС Холла, создавая некоторую разность потенциалов между ее противоположными гранями.
Если к такому датчику поднести кусок магнитопроводящего металла, то в результате возмущения магнитного потока напряженность поля изменится, что сразу же отразится на разности потенциалов между гранями пластины, создав импульс тока и напряжения.
Вот, собственно, и вся премудрость. Пример такого датчика положения коленчатого вала изображен на рисунке 2, б.

Размещаем наш датчик с катушкой и магнитопроводом где-нибудь в районе распределительного или коленчатого вала, а к валу прикрепим специальную металлическую пластину в виде диска с прорезями, окошками или какими-либо другими метками, которые при прохождении мимо датчика вызовут возмущение магнитного потока и разности потенциалов.
Остается лишь согласовать метки на таких инициирующих импульс пластинах с моментом, когда необходимо дать компьютеру сигнал о нахождении вала (коленчатого или распределительного) в определенном положении.

Использование этих простых устройств позволило полностью отказаться от такого сложного узла в системе зажигания, как прерыватель. Как известно, слабым местом любого механизма является наличие подвижных деталей и соединений, которые имеют предрасположенность к износу и отказам.
Особенно много хлопот автомобилистам доставляли контактные системы, управляющие катушкой зажигания посредством смыкания и размыкания двух электрических контактов. Контакты постоянно подгорали, зазор между ними нуждался в регулировке, и система часто давала сбой в работе.
Впоследствии на смену таким прерывателям пришли усовершенствованные устройства, использующие эффект Холла в виде размещенной в корпусе такого прерывателя катушки, закрытой металлической (магнитопроводящей) чашкой с боковыми прорезями. Инициирующий элемент (металлическая скоба или пластина) вращается вместе с валом прерывателя, и при прохождении мимо прорезей чашки индуцировал в витках катушки электрический импульс, который после усиления использовался для управления катушкой зажигания. Такая конструкция позволила отказаться от контактов в прерывателе.

датчик положения коленчатого вала и датчик фаз

Дальнейшие усовершенствования подобной конструкции привели к отказу от массивной катушки в прерывателях такого типа, и в них устанавливали миниатюрные датчики с прорезью в магнитопроводе, через которую периодически проходила вращающаяся металлическая пластина, закрепленная на валу прерывателя (рис. 2, а).

Тем не менее, прерыватель, представляющий собой достаточно сложное механическое устройство с подвижными деталями, все еще не давал покоя конструкторам и изобретателям, стремящимся упростить и повысить надежность системы зажигания.

Следующим этапом усовершенствования системы зажигания был полный отказ от прерывателя, функцию которого взяли на себя датчики положения, использующие эффект Холла и различные инициаторы импульсов в виде пластин с прорезями или окнами, закрепленными непосредственно на валах, положение которых необходимо контролировать. Такие устройства практически лишены сопряженных подвижных деталей, поэтому несравненно надежнее в работе, чем системы зажигания, использовавшие прерыватели различных типов и конструкций.

Конструктивно датчики положения, использующие эффект Холла могут быть выполнены в разных вариантах - щелевыми, когда пластина на валу перемещается в специальной прорези на магнитопроводе, или торцевыми, размещаемыми рядом с инициирующей пластиной.
Торцевые датчики обычно применяется в качестве датчиков положения коленчатого вала, а щелевые датчики часто применяются в качестве датчика фаз. Впрочем, это конструктивное отличие не существенно - ведь принцип работы таких датчиков одинаков, и в его основе лежит эффект, открытый много лет назад Эдвином Холлом.

***

Видеоролик о датчиках Холла


***

Датчики положения коленчатого и распределительного вала