Устройство автомобилей




Микропроцессорное управление двигателем




Датчики углового положения коленчатого вала

Работоспособность любой системы зажигания зависит от информации об угле поворота коленчатого вала двигателя. Датчик углового положения коленчатого вала выдерживает жесткие условия работы в отсеке двигателя, должен обладать высокой надежностью, и при этом работать на любой частоте вращения коленчатого вала.

В настоящее время автомобильные системы зажигания используют ряд бесконтактных датчиков, работа которых основывается на различных физических явлениях. К ним относятся следующие датчики:

  • магнитоэлектрические;
  • работающие на эффекте Холла;
  • высокочастотные;
  • оптоэлектронные;
  • токовихревые;
  • работающие на эффекте Виганда;
  • фотоэлектрические.

***

Магнитоэлектрические датчики

Наиболее распространенным типом магнитоэлектрического датчика является генераторный датчик коммутаторного типа с пульсирующим потоком. Его принцип действия заключается в изменении магнитного сопротивления магнитной цепи, содержащей магнитную обмотку, при изменении зазора с помощью распределителя потока (коммутатора).
магнитоэлектрический датчик На рис. 1 показана принципиальная схема магнитоэлектрического датчика коммутаторного типа.

При вращении зубчатого ротора в обмотке статора в соответствии с законом индукции возникает переменное напряжение. Когда один из зубцов ротора 4 приближается к полюсу статора, в обмотке 3 растет напряжение. При совпадении фронта зубца ротора с полюсом статора (со средней линией обмотки) напряжение на обмотке достигает максимума, затем быстро меняет знак и увеличивается в противоположном направлении до максимума при удалении зубца ротора. Напряжение очень быстро изменяется от положительного до отрицательного максимумов, поэтому нулевой переход (точка 0) между двумя максимумами используется для управления системой зажигания и получения точного момента подачи искры в цилиндр двигателя.

Однако точку перехода сложно уловить с помощью электроники, поскольку схема будет чувствительна к сигналам помех, т. е. не будет удовлетворять требованиям помехозащищенности. Поэтому для получения момента искрообразования используют точки максимума амплитуд (отрицательную или положительную), которые выбираются на допустимо низких уровнях. При этом обеспечивается нечувствительность схемы детектирования к помехам и надежное срабатывание схемы в период пуска двигателя.

датчик углового положения

Распределитель потока (зубчатый ротор) устанавливается на распределительный валик распределителя зажигания. Число его зубцов зависит от числа цилиндров двигателя. Магнитное поле создается, как правило, постоянным магнитом.

Рассмотренная выше магнитная система генераторного датчика очень чувствительна к влиянию паразитных изменений зазора, имеющих место из-за конструктивных допусков, износов, вибраций, передаваемых двигателем деталям, входящим в состав магнитной цепи. Это приводит к асинхронности момента искрообразования по цилиндрам двигателя. датчики положения Поэтому на практике применяется симметричная магнитная система, которая обеспечивает для каждого положения распределителя потока средний зазор, являющийся суммой элементарных зазоров.
Принципиальная схема генераторного датчика коммутаторного типа с симметричной магнитной системой для четырехцилиндрового двигателя приведена на рис. 3 .

Создание постоянных магнитов на основе новых магнитных материалов, таких, как магнитопласты, магниторезина, позволило резко снизить стоимость и массу датчиков, увеличить их надежность.

***

Датчики с переменным потоком

Датчик с переменным потоком состоит из неподвижной катушки и постоянного магнита, жестко связанного с валиком распределителя зажигания, причем число пар полюсов в магните равно количеству цилиндров двигателя. Такие магнитные системы называются датчиками с вращающимися магнитами (рис. 4 ).

Работа датчика определяется знакопеременным магнитным потоком и симметричной формой выходного напряжения. Сигнал датчика с вращающимся магнитом требует более тщательной обработки в цепи детектирования для компенсации электрического смещения момента искрообразования в зоне низких частот вращения валика распределителя зажигания.

***




Датчики, работающие на эффекте Холла

Благодаря развитию микроэлектроники широкое распространение получили датчики углового положения, работающие на эффекте Холла. Эффект Холла возникает в пластине из проводника или полупроводника при внесении ее в магнитное поле и пропускании через пластину электрического тока. При определенных условиях между противоположными гранями пластины возникает ЭДС Холла, которая может использоваться в качестве сигнала для определения момента искрообразования.
Более подробно эффект Холла описан на этой странице.

Датчики на эффекте Холла обладают такими достоинствами, как малая стоимость производства, относительно высокая точность и хорошая стойкость к внешним воздействиям. Поэтому они широко примененяются в автомобилестроении в качестве датчиков углового положения (ДПКВ, ДПРВ и т. п.).

Недостатком систем, работающих на эффекте Холла, является высокая чувствительность к внешним магнитным и электрическим помехам. Величина ЭДС Холла очень мала, поэтому должна быть усилена непосредственно вблизи датчика для того, чтобы устранить влияние радио- и электропомех. Поэтому конструктивно датчики Холла часто выполняются в виде интегральной микросхемы, содержащей усилитель сигнала.

При изготовлении полупроводниковых пластин датчиков Холла наиболее часто используются германий (Ge), кремний (Si), арсенид галлия (GaAs), арсенид индия (InAs), антимонид индия (InSb).

датчики Холла

***

Датчики Виганда

Принцип действия таких датчиков основан на эффекте Виганда.

Джон Ричард Виганд (John R. Wiegand) - американский физик и изобретатель. Открыл, описал и исследовал физический феномен, который возникает в специальной «проволоке Виганда» при помещении её в магнитное поле.

Феномен, описанный Д. Вигандом заключается в том, что если ферромагнитную проволоку, имеющую специальный химический состав и физическую структуру, внести в магнитное поле, то произойдет спонтанное изменение ее магнитной поляризации, как только напряженность поля превысит некоторое предельное значение, называемое порогом зажигания. Изменение состояния проволоки Виганда можно регистрировать при помощи электромагнитной обмотки, размещенной рядом с ней. Проволока Виганда представляет собой ферромагнитное тело, состоящее из магнитомягкой сердцевины и магнитотвердой внешней оболочки.

Проволока изготавливается из специального ферромагнитного сплава типа викаллой (примерный состав - 10% ванадия, 52% кобальта и железа). Точный состав материала проволоки, а также технология ее изготовления, как правило, являются секретом фирм, производящих датчики.

датчики Виганда

Чувствительные элементы Виганда применяются в датчиках скорости, угла поворота и положения, в расходомерах, для считывания пластиковых идентификационных карт и других технических устройствах.

К достоинствам датчиков Виганда следует отнести независимость от влияния внешних электрических и магнитных полей, широкий температурный диапазон работы, работу без источника питания.

***

Сельсины и дифференциальные трансформаторы

В последние годы в качестве датчиков абсолютного углового положения на автомобилях иногда используются вращающиеся трансформаторы (сельсины), которые характеризуются высокой разрешающей способностью (до 7') и работают в тяжелых внешних условиях. Однако широкого распространения такие датчики пока не получили из-за высокой стоимости.

Обмотки возбуждения сельсинов питаются напряжением с частотой 400...20000 Гц, обычно для автомобилей 2...5 кГц. Угловое положение ротора декодируется по сигналам с синусной и косинусной обмоток специальной микросхемой в цифровой код.

В качестве датчиков абсолютного линейного положения находят применение линейные дифференциальные трансформаторы. Выходной сигнал таких датчиков может быть декодирован специализированной интегральной схемой.

***

Магниторезистивные датчики

В магниторезистивных датчиках используется способность некоторых материалов, например, железо-никелевого сплава FeNi, изменять свое сопротивление под воздействием переменной напряженности магнитного поля. В рабочем диапазоне магниторезистора его сопротивление меняется в пределах 2,5…15%. Магниторезисторы встраивают в интегральную схему, где размещают и цепи обработки сигнала.

***

Автомобильные бензины



Главная страница


Специальности

Учебные дисциплины

Олимпиады и тесты