|
Датчики управления двигателем автомобиляТекущая линейка Hella, например, включает как относительно простой поплавковый переключатель, так и интеллектуальные термические датчики для непрерывных аналоговых измерений уровня масла (рис. 8а-в). Любой тип датчиков гарантирует обнаружение отсутствия масла и подачу команды о невозможности запуска двигателя, но конструкции на основе поплавковых переключателей, хотя все еще более предпочтительны, чем масляный щуп, уже несколько устарели, поскольку функциональный принцип поплавковых переключателей предполагает срабатывание датчика только в фиксированных точках переключения. Тепловые датчики Thermal oil level sensors Hella измеряют уровни в диапазоне примерно 50 мм и могут опционно определять температуру масла (рис. 8в). Согласно термическому принципу уровень масла вычисляется по времени охлаждения сенсорного элемента из линейного соотношения с уровнем при полном заполнении. Датчик с характеристикой аналогового типа по состоянию масла косвенно обеспечивает контроль состояния двигателя, способствуя раннему обнаружению сбоев. Измерения осуществляются непрерывно в процессе вождения, включая этапы перемещения машины по наклонной поверхности, остановки, боковое и продольное ускорения, допуски, с индикацией минимально необходимого или текущего уровня масла. Датчики состояния масла Постоянные изменения в технологиях автомобильных двигателей, основными целями которых являются оптимизация работы двигателя и достижение соответствия новым стандартам эмиссии, сформировали потребность в новых многопараметрических датчиках, располагаемых в двигателе внутреннего сгорания. Многие компании в последние годы активно разрабатывают датчики состояния масла двигателя Oil condition sensors (рис. 9) -- надежный и эффективный в стоимостном выражении способ решения ряда проблем экономического и экологического характера. Эти датчики осуществляют комплексный мониторинг состояния масла (и не только его уровня, давления или температуры) в реальном времени, информируя ECU, с целью: · максимизировать полезный срок службы масла и фильтра , минимизировать потребление натуральных ресурсов; · минимизировать цену эксплуатации масла и простои машины, допустить большие интервалы между заменами масла, уменьшая потребительские расходы; · точно указывать срок замены масла; · поддерживать необходимый уровень масла; · регулировать расположение масляного фильтра; · защищать двигатель; · уменьшать гарантийные издержки; Датчик состояния масла помогает защищать двигатель посредством ранней диагностики сбоев, подачи тревоги водителю и невозможности запуска, если падает не только уровень, но и качество масла, что может быть следствием превышения срока службы масла или указанием на проблемы с двигателем. Датчик помогает улучшать характеристики вождения транспортного средства, так как состояние масла может значительно различаться в зависимости от многих условий. С высокой точностью определяется оптимальное время замены масла. На старение масла влияют различные факторы, такие как: · индивидуальное поведение водителя при вождении; · частота холодных стартов; · качество топлива; · загрязнения, например, сажа в дизельных двигателях, образование нитратов и окислений в двигателях с искровым зажиганием, а также вследствие утечки топлива, охладителя, воды; · окружающие условия. Например, компания Bosch разрабатывает многофункциональный датчик состояния и уровня масла SGM110 (рис. 9а), который измеряет температуру, уровень масла (20-100 мм), а также его вязкость (3-300 мм2/с) и диэлектрическую проницаемость (рис. 10б-г). Камертонный резонатор и обрабатывающая электроника размещены в многокристальной ASIC. Интегральный датчик способен диагностировать начало деградации масла (уменьшения или загрязнения, например, копотью, или вследствие утечки топлива и охладителя). Датчик качества топлива для FFV Двигатель и топливная система FFV-автомобиля должны быть адаптированы к запуску на коррозионном спиртовом топливе. Для анализа топлива используется специальный датчик flex fuel sensor (рис. 12), который измеряет содержание сложных эфиров в топливе и контролирует впрыск. Датчик SiemensVDO (рис. 10а) работает, измеряя диэлектрическую постоянную и удельную электропроводность, и обеспечивает линейный аналоговый выход с температурной компенсацией. Датчик рассчитан на различные применения: распознавание топлива двигателя, Fuel cell автомобили (вода/метанол), определение качества дизельного топлива. Система управления FFV-двигателями Bosch (рис. 10б) включает л-датчик концентрации кислорода в выхлопах, по содержанию которого система управления двигателем рассчитывает содержание спирта в топливе и регулирует впрыск и зажигание. Датчики для газовых двигателей Чтобы успешно применять топливо CNG, необходимо достаточное число датчиков давления, которые предлагает, например, Kavlico Количество топлива в баке может быть измерено комбинированным датчиком давления и температуры Kavlico на основе тонкопленочной технологии в герметичном корпусе (с целью предотвращения утечки топлива). Датчики меньших давлений подходят для систем прохождения топлива. Керамический емкостной датчик давления Kavlico) скомбинирован с NTC датчиком температуры и специально разработан для альтернативно питаемых двигателей (CNG/LPG). Датчики тока и температуры батарей для гибридных автомобилей Значительными потребителями электрической энергии являются электрические и гибридные автомобили, которые включают интегрированные стартеры/генераторы, электронно-нагреваемые каталитические конвертеры, электромагнитные клапаны, электронное торможение, электронное рулевое управление, HVAC-системы. Для удовлетворения растущей потребности в электроэнергии в автомобиле становится актуальным переход от батарей 14 В к батареям 42 В (для средних гибридов может потребоваться и более -- до 60 В, а для полных -- порядка 450 В). Увеличение спроса на электроэнергию вызвано не только увеличением числа гибридных автомобилей, но также и тем, что многие менее эффективные механические и гидравлические системы Powertrain, Carbody & Chassis замещаются или дополняются электрическими и электронными системами (например, электрического рулевого управления EPS/EPAS). Электрическое питание требуется для систем телематики, АБС, контроля динамики -- ESP, ABS, электронного торможения (EPB), электронно-управляемых скользящих дверей, натяжителей ремней безопасности, приводов автоматизированных ручных передач, а также развлечений -- систем и приборов Entertainment. Увеличение потребления электроэнергии в транспортном средстве обосновывает применение автомобильных датчиков тока -- для проверки доступной энергии и реализации функциональности управления батарейной энергией, а также температуры батарей -- для оптимального заряда и регулирования перегрева (рис. 11). В связи с актуальностью электрических двигателей в гибридах датчики тока и температуры мигрируют из группы электрооборудования автомобиля, относившейся согласно ранним классификациям к системам корпуса и ходовой части, в группу датчиков Powertrain. Так, SiemensVDO разработала инновационное семейство бесконтактных датчиков тока (рис. 11в), использующих эффект Холла или ГМР, специально для контроля систем стартер/генератор и гибридных транспортных средств. MLH - новая серия датчиков давления Honeywell Компания Honeywell выпустила уникальную по своим технико-экономическим показателям серию датчиков давления MLH Чем же примечательно это новое семейство? Во-первых, благодаря использованию передовой тонкопленочной технологии ATF (Advanced Thick Film) при производстве чувствительного элемента (рис.12) и упрощенному процессу сборки стоимость этой серии была снижена в 2 раза по сравнению с пьезо-резистивной серией ML и на 15-20% по сравнению с аналогичной продукцией других производителей. Суть технологии ATF заключается в непосредственном монтаже керамической подложки с тензорезистивным мостом на обратную сторону металлической диафрагмы датчика, к которой прикладывается давление. Вместе с этим инженерам Honeywell удалось увеличить диапазон измерения до 560 атм, расширить диапазоны рабочих температур и термокомпенсации до границ -40…+125 °С и при этом повысить точность измерения до ±0,25% при температуре +25 °С и ±1,0% во всем диапазоне рабочих температур. (Для справки: рыночная стоимость датчика давления такого класса при мелкооптовых партиях колеблется в пределах $70-90. А датчики серии MLH при тех же количествах будут стоить около $45.) Рис. 12. Чувствительный элемент датчиков давления MLH, выполненный по технологии ATF Вторым важным преимуществом серии MLH является очень широкий выбор диапазонов измерения (от 3,5 до 560 атм) с удобным шагом, причем разработчик сам может выбрать диапазон в удобной для него единице измерения -- PSI (фунт силы на квадратный дюйм), бар, МПа, кг/см2, а также вид измеряемого давления (избыточное или абсолютное). Избыточное давление измеряется по отношению к атмосферному давлению, абсолютное -- по отношению к вакуумной полости, сформированной с обратной стороны мембраны датчика. 1. Датчики систем управления двигателем и основными узлами и агрегатами, обеспечивающими передвижение автомобиля Powerdrivetrain: o датчики топливной системы двигателя, зажигания и трансмиссии; o датчики бортовой диагностики ONBOARD DIAGNOSTICS (OBD) в системах POWER TRAIN. Рис. 13. Датчики систем POWER DRIVE TRAIN управления двигателем и основными узлами и агрегатами: а -- индуктивный датчик скорости двигателя или активный датчик скорости Bosch для регистрации скорости и угла вращения коленчатого вала (внешний вид идентичен); б -- датчик положения распределительного вала SiemensVDO на эффекте Холла ; в -- программируемый датчик углового положения дроссельной заслонки AN1011 Cherry; г -- датчик положения педали акселератора Alps Automotive; д -- датчики массового расхода воздуха Hitachi; е -- датчик давления воздуха во впускном патрубке Manifold Air Pressure (MAP) sensor Kavlico; ж -- датчик трансмиссии Bosch на основе эффекта Холла; з -- датчики входной и выходной скорости коробки передач SiemensVDO; и -- датчик температуры воздуха, охладителя и масла Bosch; к -- датчик температуры воздуха во впускном патрубке, а также масла, воды и головок цилиндров SiemensVDO; л -- датчик детонации SiemensVDO; м -- датчик уровня топлива SiemensVDO; н -- датчик уровня и температуры масла Hella; о -- датчик состояния масла Hella; п -- датчик давления в цилиндрах Incylinder Pressure Sensor Honeywell. В эту группу входят датчики положения -- например, распределительного и коленчатого валов, дроссельной заслонки, педали акселератора, датчик массового расхода воздуха, датчик давления воздуха во впускном патрубке, датчик скорости автомобиля, датчики температуры (в частности, температуры охладителя), датчик детонации, датчики уровня топлива и масла. Кроме того, в указанную группу входят и новые типы, например многопараметрические и мультисенсорные датчики контроля процесса горения в цилиндрах (давления и температуры) или состояния масла двигателя (рис. 13). 2. Датчики систем контроля эмиссии, к которым относятся: датчик концентрации кислорода, датчик положения клапана системы рециркуляции отработавших газов, датчик эмиссии летучих паров, датчик газа, датчик температуры отработавших газов и некоторые другие. Среди новых применений датчик концентрации мочевины, которая помогает в очистке выхлопов дизеля рис. 14 3. Датчики систем контроля корпуса и колес: o полуактивная или активная подвеска; o электронно контролируемая подвеска ECS (ELECTRONICALLY CONTROLLED SUSPENSION); o АБС, TPMS (TIRE PRESSURE MONITORING SYSTEM) -- система контроля давления шин; o электронные системы контроля доступа в кабину; o контроль положения окон, дверей, сидений, солнечной крыши, стеклоочистителей, зеркал. Рис.14. Датчики систем контроля эмиссии, включая Powerdrivetrain: а -- лямбда=зонд для измерения концентрации кислорода Bosch LSM11; б -- датчик концентрации кислорода Denso; в -- датчик положения клапана системы рециркуляции отработавших газов SiemensVDO; г -- датчик Kavlico для контроля уровня топлива в текущих и будущих применениях (с целью минимизации эмиссии летучих паров) независимо от содержания этанола, метанола и топливных аддитивов; д -- датчики газа NOx и соотношения воздух/топливо SiemensVDO; е -- датчик температуры отработавших газов SiemensVDO; ж, з -- датчики уровня и концентрации мочевины Kavlico (ж) и SiemensVDO (з), и -- дифференциальный датчик давления Kavlico для регулирования расхода (скорости процессов) EGR -- для снижения образования NOx; к -- датчик давления паров топлива в бензиновом баке Kavlico (для определения утечки согласно OBDII). К этой группе относятся датчик положения подвески, датчик давления воздуха в амортизаторах, активные и пассивные дверные ключи, датчик тока батареи, датчик доступа к двери без ключа, датчик скорости колеса, датчик силы торможения, датчики положения и некоторые другие (рис. 14). 3. Датчики концентрации кислорода OXYGEN SENSORS (или датчики газа Gas Sensors -- oxygen и NOx sensors). Сегодня актуальны следующие технологии датчиков oxygen sensors и NOx sensors: · электрически нагреваемые датчики на основе диоксида циркония ZrO2 (датчики с диоксидом циркония ZrO2, нагреваемые выхлопным газом, в настоящее время не актуальны); · электрически нагреваемые планарные датчики с малой термической массой на основе керамики ZrO2; · электрически нагреваемые датчики на основе диоксида титана TiO2; · электрически нагреваемые, планарные датчики с малой термической массой, двухкамерные датчики на основе ZrO2; · двухкамерные датчики на основе ZrO2. Эти датчики определяют состав выхлопных газов, гарантируя, что он остается в пределах норм, и подают сигналы обратной связи к системам контроля двигателя -- для регулирования соотношения ТВС с целью оптимизации сгорания топлива и минимизации эмиссии. 4. Микромеханические датчики массового расхода воздуха MASS AIRFLOW SENSORS (для регулирования ТВС). 5. Датчики температуры TEMPERATURE SENSORS: o термисторы с отрицательным или положительным температурным коэффициентом; o резистивные датчики температуры (пленочные платиновые датчики); o платиновые термопары; o бесконтактные инфракрасные датчики. Указанные датчики посылают информацию автомобильному компьютеру об окружающей температуре в различных частях автомобиля. Кроме измерения температуры в салоне, они измеряют температуру масла, воздуха, охлаждающей жидкости -- во впускном патрубке, коробке передач, на коленчатом валу и других частях автомобиля, а также детектируют присутствие или положение пассажира. 6. Датчики давления Pressure Sensors применяют следующие актуальные технологии: o пьезорезистивные микромеханические датчики; o пьезорезистивные поликремниевые модули на стали; o емкостные микромеханические датчики; o емкостные керамические модули. Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Актуальные классические принципы оптоэлектроники в автоэлектронике Последнее время в связи с появлением большого числа недорогих и надежных магнитоуправляемых ИС и, главным образом, новых магнитных энкодеров Холла инженеры, занимающиеся вопросами автоэлектроники, стали отрицательно относиться к использованию оптической технологии в таких применениях, как детектирование положения и скорости посредством оптических датчиков. Веским аргументом против оптических компонентов является их чувствительность к загрязнениям и повышенной температуре -- условиям, типичным для автомобильной среды, а также более высокая цена, если сравнивать такие компоненты с новыми угловыми энкодерами Холла. И все-таки за пределами данных ограничений оптические датчики -- более высокоточные, чем многие электрические измерители, а кроме того, характеризуются высокой разрешающей способностью и высокой надежностью. Базовые принципы технологии разрабатывались и оттачивались многие годы, и именно оптические принципы составляют основу сегодняшних энкодеров, в том числе и магнитных. Оптические датчики Все известные оптические (и многие неоптические) схемы детектирования движения сводятся к двум базовым схемам, показанным на рис. 15,16 Схемы работы устройств проиллюстрированы рис. 15 Рис. 15. Базовая схема оптического детектирования движения -- прерыватель а-в -- щелевой оптический (фотоэлектрический) датчик -- оптопрерыватель (оптрон или оптопара): 1 -- корпус датчика; 2 -- светодиод; 3 -- фоточувствительный элемент (фототранзистор или фотодиод); а -- конструкция датчика: 4 -- элементы для монтажа корпуса; 5 -- терминалы для монтажа на печатной плате; б -- линейный прерыватель -- датчик линейной скорости (цифровой индикации определенного линейного положения): 4 -- линейный ротор (линейно перемещающийся элемент) с чередующимися оптически прозрачными и оптически непрозрачными участками; 5 -- терминалы для монтажа на печатной плате; в -- датчик угловой скорости (индикации определенного углового положения); 4 -- вращающийся ротор -- крыльчатка с непрозрачными лопастями; 5 -- вращающийся вал; г -- аналог оптопрерывателя -- щелевой датчик скорости Холла: 1 -- корпус датчика; 2 -- магнит; 3 -- датчик Холла (униполярный ключ); 4 -- магнитопровод; 5 -- терминалы для монтажа на печатной плате; 6 -- вращающийся ротор -- крыльчатка с лопастями из ферромагнитного материала; 7 -- вращающийся вал. Рис. 15а-в демонстрируют принцип работы типичного щелевого оптического переключателя-оптопрерывателя, или оптрона. В пластмассовом корпусе расположены светодиод и фотодетектор, например фототранзистор, разделенные воздушным зазором в теле корпуса. Свет от светотодиода попадает на фототранзистор, который переходит в состояние насыщения. Если в зазоре появляется непрозрачный элемент -- ротор, путь света между светодиодом и фототранзистором блокируется, что вызывает переключение выхода фототранзистора к высокому уровню. Излучающие светодиоды могут функционировать как в видимом, так и в инфракрасном спектре. Для работы датчика необходимо, чтобы конструкция корпуса и ширина элементов ротора обеспечивали чередование светопередачи и перекрытия оптического канала. Существенно уменьшить ширину оптических кодовых элементов и повысить разрешение устройства позволяют лазерные диоды. Расстояние от датчика до детектируемого объекта в пределах ширины рабочего зазора несущественно, но если необходим больший рабочий диапазон, также применяются лазерные светодиоды. Щелевые оптопрерыватели широко используются для детектирования скорости двигателя, на валу которого размещен ротор, периодически блокирующий оптический канал, но в автоэлектронике их применение ограничено чувствительностью к загрязнениям и температурам (обычно 80 °C). Необходимо отметить, что некоторые современные устройства, например инфракрасные диоды и фототранзисторы Honeywell, работают и при температурах до 125 °C. В значительной степени проблему также решает интерпретация схемы прерывателя на основе датчика Холла (рис. 16г), но, в отличие от оптопрерывателя, к размерам крыльчатки предъявляются требования минимальной ширины лопасти, что в свою очередь ограничивает пространственное разрешение датчика. Рис. 16. Оптический (фотоэлектрический) датчик рефлективного типа 1 -- корпус датчика; 2 -- светодиод; 3 -- фоточувствительный элемент (фототранзистор или фотодиод); 4 -- терминалы для монтажа на печатной плате; а -- конструкция датчика; б -- датчик линейной скорости (индикации определенного линейного положения): 5 -- линейный ротор с чередующимися участками с высокой отражательной способностью и низкой отражательной способностью (оптически прозрачными); в -- датчик угловой скорости (индикации определенного углового положения); 5 -- вращающийся ротор -- крыльчатка с чередующимися участками с высокой отражательной способностью и низкой отражательной способностью (оптически прозрачными); 6 -- вращающийся вал; г -- датчик угловой скорости со специальной конструкцией ротора: 5 -- вращающийся ротор с низкой отражательной способностью фона (черного цвета); 6 -- чередующиеся полосы ротора с высокой отражательной способностью; 7 -- вращающийся вал. На рис. 16а-г проиллюстрирована работа рефлективного оптического датчика, который функционирует аналогично, но конструктивно отличается тем, что фототранзистор в рефлективном датчике переключается светом, отраженным от детектируемой поверхности. Светодиод и фототранзистор рефлективного датчика расположены с одной стороны поверхности детектируемого объекта. Рефлективные датчики обеспечивают большую гибкость монтажа, но характеризуются фокусным расстоянием (оптимальным расстоянием от датчика до детектируемого объекта), на котором он должен быть помещен (обычно в пределах 2,54-12,7 мм) и относительно которого варьируется рабочий диапазон устройства. При конструировании рефлективного датчика важнейшим требованием к детектируемой поверхности является ее отражательная способность и качество отражения. Например, для задач детектирования скорости цвет вала двигателя и ротора выбирается черный (рис. 16г), тогда полосы отражающего материала на валу обеспечивают периодическое переключение датчика. Луч, отраженный от стандартной поверхности, не сфокусирован и представляет собой усеченный конус с основанием на рефлективной поверхности, образованным отражаемым коническим световым пучком светодиода, что не позволяет с высокой точностью обнаруживать малые отражающие объекты, и ограничивает пространственное разрешение датчика. Для того чтобы уменьшить диаметр отражаемого луча, в качестве источников света применяются лазерные светодиоды, а для фокусировки луча на его пути от светодиода к фотодетектору в датчик встраиваются линзы. Производным от рефлективного типа датчиков является волоконно-оптический датчик перемещения, содержащий две группы волоконной оптики: передающие волокна, подключенные к источнику света, и принимающие сигнал волокна, которые подсоединены к фотодетектору (фотодиоду) и объединены в одном корпусе. Свет от источника передается через оптоволокна на поверхность цели и отражается обратно, часть отраженного света улавливается принимающими оптоволокнами и попадает на фотодетектор, регистрирующий интенсивность отражения, которая представляет собой нелинейную функцию свойств поверхности и расстояния до цели. Этот тип датчиков может потребовать периодической калибровки. Рефлективные датчики используются во многих сферах -- в промышленности или компьютерах (датчики для компьютерных мышей). В автоэлектронике данный тип устройств применяется достаточно широко -- например, для контроля положения пассажира, в датчиках дождя и в энкодерах, а кроме того, становится базовой схемой, интересной для преобразования измерительных концепций по отношению к другим типам датчиков. Особенности схемотехники оптических устройств Оптический датчик -- это устройство, измеряющее интенсивность электромагнитных волн в диапазоне от ультрафиолетового до близкого к инфракрасному. Свет представляет собой пучок дискретных фотонов, каждый из них является носителем кванта энергии, зависящей от источника света. При взаимодействии с атомами кремния фотоны, в зависимости от длины волны (что эквивалентно количеству энергии), увеличивают проводимость фотодиода. В нем при смещении генерируется электрический ток, и его можно измерить. С физической точки зрения базовое измерительное устройство -- это именно фотодиод, который при объединении с функциональной электроникой будет представлять собой пиксель (pixel -- PIcture ELement). Другой базовый тип фотодетектора -- фототранзистор, под действием света он функционирует аналогично, но обеспечивает переключаемый логический выход. Фотодиоды и фототранзисторы закладываются в линейные оптические массивы, CMOS-камеры. Промышленностью (Optek, Vishay и др.) выпускаются также готовые щелевые и рефлективные датчики. Стоимость обоих типов менее $1, причем щелевые датчики дешевле. Могут использоваться и дискретные оптические эмиттеры/ресиверы -- светодиоды и фоточувствительные элементы -- фототранзисторы, фотодиоды, а также фототиристоры. Щелевые и рефлективные датчики (а также оптоизоляторы1) функционируют одинаково с идентичными характеристиками, важнейшей из которых является коэффициент передачи тока. Поскольку фототранзистор, при воздействии светового луча переходящий в состояние насыщения, обеспечивает готовый цифровой выход, в большинстве коммерчески доступных оптопрерывателей и рефлективных датчиков используется именно данный тип фотоэлектрического преобразователя. Для включения датчика во внешнюю цифровую схему потребуется только токоограничивающий резистор в цепи светодиода и внешний резистор между плюсом питания и выходом транзисторного ключа (рис. 17а). Рис. 17. Типичные принципиальные электрические схемы для включения оптопрерывателя и рефлектора а-- схема на основе фототранзистора с цифровым выходом; б-- схема на основе фотодиода с аналоговым импульсным выходом; в-- схема на основе фотодиода с цифровым импульсным выходом; VD1 -- светодиод; VD2 -- фотодиод; VT1 -- фототранзистор, R1, R2 -- токоограничивающие резисторы. Пара «светодиод-фототранзистор» характеризуется усилением менее 1. Сумма выходного тока коллектора фототранзистора, отнесенная к величине входного тока светодиода, называется коэффициентом передачи тока (КПТ, или CTR -- Current transmission ratio). Типичный ток светодиода 10-20 мА с типичным CTR щелевого переключателя порядка 0,1 соответствует 1-2 мА выходного тока коллектора. КПТ зависит от характеристик светодиода и фототранзистора и различен для оптических датчиков в широких пределах, поэтому значение резистора R2 должно гарантировать насыщение фототранзистора и стекание тока, достаточного для получения действительных амплитуд логических уровней при подключении оптического датчика к микроконтроллеру. Например, при токе светодиода 10мА и КПТ=0,1 значение резистора R2 должно быть выбрано приближенно равным 5 кОм. (Меньшее значение допустимо для оптического переключателя с высоким КПТ или с большим током светодиода и будет обеспечивать лучшую шумовую устойчивость (меньший импеданс) и более высокую скорость переключения.) Скорость переключения фототранзистора в любом оптическом датчике довольно медленная, что ограничивает максимальную детектируемую скорость устройства и должно учитываться программой, считывающей выход датчика. Типичные значения времени включения (перехода в состояние насыщения) -- 8 мс, времени выключения -- 50 мс. Рефлективные датчики также характеризуются КПТ, который в отличие от оптопрерывателей не постоянен и зависит от силы отраженного света, типа поверхности и расстояния от поверхности до датчика. КПТ рефлективного датчика специфицируется производителем со стандартной белой рефлективной поверхностью, помещенной на фокусном расстоянии от датчика. В реальном проекте вычисляется или измеряется фактический КПТ. Поскольку КПТ рефлективного оптического датчика варьируется в широком диапазоне, аналоговый выход (рис. 17б) может быть более предпочтительным, поскольку пользователю предоставляется возможность самостоятельно подсоединять выход датчика к АЦП и программно отслеживать изменения в выходном уровне сигнала, что, как показано далее, полезно и для интерполяции сигналов инкрементальных энкодеров, но в этом случае необходимо больше времени для выборки АЦП. Датчики рефлективного типа в большей степени подвержены воздействию механической нестабильности системы. К примеру, при вибрации, если остановка ротора соответствует краю отражающей полосы в рабочей области датчика, рефлективный датчик непрерывно генерирует прерывания. В аналогичной ситуации с щелевым датчиком получение неоднозначного выхода при частичном затемнении фототранзистора позволяет избежать гистерезис в схеме компаратора, но рефлективный датчик потребует дополнительных аппаратных и программных средств. Для обнаружения необычных условий программа может иметь таймер, отслеживающий время между прерываниями, при несогласовании которого подпрограмма обслуживания прерываний может их игнорировать. Для правильности и безопасности системы необходима и гарантия того, что сбойные датчики будут локализованы. Так, сбойный или отсоединенный светодиод позволяет фототранзистору предоставлять системе информацию об остановке двигателя, закрытом капоте или двери. Ту же самую информацию может предоставлять засоренный фототранзистор. Первый способ решения проблемы -- применение двух датчиков с инверсными выходами. Один из них блокируется при открытом капоте, второй -- при закрытом. Одновременно анализируется состояние двух датчиков, которые для верификации состояния или функциональности системы должны оба находиться в правильном состоянии. Метод обнаружения отсоединенного светодиода -- определение напряжения на аноде светодиода. Когда светодиод включен, падение напряжения, определяемое компаратором, составит около 1,2 В (типично), и выход компаратора будет высоким. Если светодиод открывается, напряжение на аноде возрастет до Ucc (более 3 В). Для детектирования сбойных условий закорачивания можно добавить второй компаратор. Опорное напряжение в этом случае выбирается порядка 0,6 В, программное обеспечение объявляет ошибку, если напряжение падает ниже опорного. Оптические энкодеры Угловые оптические энкодеры Принципы работы угловых энкодеров проиллюстрированы рис. 18, 19. Рис. 18. Инкрементальный энкодер -- датчик относительного положения, скорости и направления а-б -- угловой инкрементальный энкодер; в -- конструкция измерительной головки: 1 -- корпус датчика; 2 -- светодиод -- источник света для инкрементальных каналов А и Б; 3, 4 -- ординарные фотодетекторы (фототранзисторы или фотодиоды); 5 -- светодиод -- источник света для индексного канала; 6 -- фотодетектор индексной метки; 7 -- терминалы для монтажа на печатной плате; 8 -- элементы для монтажа корпуса; 9 -- 4-битный (24 = 16 положений) перфорированный ротор с прорезями; 10 -- прорези для инкрементальных каналов; 11 -- прорезь -- индексная метка; 12 -- вращающийся вал; г -- вариант исполнения 4-битного инкрементального ротора из стекла; д-е -- варианты сигналов инкрементального энкодера: д -- цифровой инкрементальный энкодер (инкрементальные каналы А и Б, индексный выход В фототранзисторов, канал скорости); Угловой оптический энкодер состоит из тонкого оптического диска и стационарного блока -- измерительной головки, включающей источник света и фотодетектор. Измерительная головка может быть построена как по принципу прерывателя, так и рефлектора, но прерыватель проще реализуется и используется чаще. Оптический диск прерываемого энкодера включает кодированную последовательность прозрачных и непрозрачных участков. Маркеры могут представлять собой, например, отверстия в металлическом листе или метки на стеклянном диске. При вращении диска, в зависимости от его типа, маркеры пропускают или перекрывают луч света, направленный от светового источника к фотоприемнику (фотодиоду или фототранзистору). Фотодетектор генерирует сигнал частотой, равной частоте следования кодовых элементов, в цифровой форме (фототранзистор) или аналоговый импульсный сигнал, который также может быть усилен и оцифрован. При подключении внешнего счетчика прямоугольных импульсов оптический метод позволяет измерять угловую скорость вращения диска. Посредством нанесения специальной индексной отметки, индицирующей начальное положение диска, уже можно измерять относительное угловое положение вала в диапазоне 360° (рис. 18). Этот тип датчиков представляет собой так называемые инкрементальные энкодеры -- самые простые и наименее дорогие оптические устройства. При добавлении второй пары «светодиод-фототранзистор» с угловым смещением относительно первой, соответствующим четверти периода сигнала, может быть получена вторая последовательность импульсов -- канал Б с фазовым смещением относительно канала А на 90° (рис. 19д-ж). Инкрементальный энкодер, который использует три оптических датчика (один для детектирования положения фазы 0° -- канал В, два других -- для формирования инкрементальных каналов с фазовым смещением сигналов в 90°), позволяет одновременно удваивать разрешение при измерении положения и скорости и детектировать направление. Разрешение инкрементальных энкодеров измеряется в импульсах за оборот (pulses per revolution, ppr). В дальнейшем разрешение может быть увеличено посредством нанесения большего числа линий на оптический диск и добавления пар «светодиод-фотодетектор» в измерительной головке. Максимальное число счетов за вращение представляет собой функцию диаметра энкодерного диска и характеристик светопередачи, определяющих допустимый размер кодовых элементов. Существуют различные способы нанесения маркеров на оптический диск. В ранних системах чаще использовались металлические диски с перфорацией (рис. 18а-б), но максимальная площадь отверстий для повышения разрешающей способности и точности датчика ограничена -- должно оставаться некоторое количество материала, обеспечивающее форму и прочность диска. Современные диски изготавливаются из стекла, маркеры на котором вытравливаются (рис. 18г, рис. 19г). Этот метод позволяет получить типично 100-6000 сегментов, что соответствует разрешению в 3,6-0,06°. Одним из главных недостатков инкрементального энкодера является то, что последовательность импульсов запасается во внешнем буфере или счетчике. При сбое в подаче питания счет будет потерян. Кроме того, если машина с инкрементальным энкодером предполагает отключение на ночь, то на следующий день энкодер не сможет предоставить информацию о точном положении вала, пока не будет активирован внешний переключатель (home-detection switch) или программа подключения, вращающая вал до прохождения индексной отметки, которая затем каждый раз обнуляет буфер счетчика, начиная отсчет относительного положения. Решение данной проблемы предоставляют абсолютные энкодеры (рис. 19), которые используют более точный метод определения положения, основанный на кодировании абсолютного положения посредством множественных групп сегментов, размещенных на диске по линиям концентрических окружностей. Рис. 19. Абсолютный энкодер -- датчик абсолютного положения и скорости а-б -- 4-битный угловой абсолютный энкодер; в -- конструкция измерительной головки: 1 -- корпус датчика; 2 -- массив светодиодов; 3 -- массив фотодетекторов (фототранзисторов или фотодиодов); 4 -- терминалы измерительной головки; 5 -- 4-битный ротор с кодом Грэя; 6 -- вращающийся вал; г -- вариант исполнения 4-битного абсолютного ротора с двоичным кодом из стекла; д -- выходной цифровой код двоичного абсолютного энкодера; е, ж -- линейный 4-битный абсолютный энкодер с двоичным кодированием и оцениванием посредством V-выборки; 1 -- корпус измерительной головки; 2 -- измерительная линейка; 3 -- массив фотодетекторов V-выборки; е -- оценивание посредством V-выборки: AB0, A1…A4, B1…B4 -- фотодетекторы в составе двух линеек V-выборки (выбираемые для оценивания подсвечены желтым); ж -- иллюстрация линейного абсолютного энкодера. Концентрические окружности начинаются в центре энкодерного диска, при этом каждая следующая окружность характеризуется количеством сегментов, удвоенным по сравнению с предыдущей. Первое кольцо будет иметь только один прозрачный и один непрозрачный сегмент, второе -- два прозрачных и два непрозрачных, третье -- по четыре тех и других и т. д. Число окружностей определяет разрядность энкодера: 4 окружности соответствуют 4-разрядному энкодеру (24 = 16 положений), 16 -- 16-разрядному устройству с 32 767 сегментами и угловыми положениями. Для считывания двоичного кода посредством абсолютного энкодера необходим один источник света и один фотоприемник для каждой линии на энкодерном диске. В измерительной головке светодиоды и, что более важно, фотодетекторы объединяются в линейные массивы (рис. 19в). Поскольку абсолютный энкодер образует последовательность битов, различную для каждого углового положения, он всегда предоставляет информацию об угловом положении системы, при включении и выключении не нуждается в переключателе нулевого положения и программе подключения и более устойчив к шумам, так как следующее за сбойным положение будет прочитано правильно. В энкодере на рис. 19а-б четыре оптических датчика детектируют маркеры диска с четырехбитным кодом Грэя, который позволяет закодировать 16 положений диска без опорной отметки: для каждого перехода сигнал изменяется только на один бит. Код Грея характеризуется отсутствием ошибок, но его недостаток -- применение различных схем кодирования, более сложное оценивание сигналов и неоднозначность сигнала при неожиданном сбросе. Другой вариант -- использование стандартного бинарного (двоичного) кода, но на практике этот тип энкодеров имеет один недостаток: при переходе от 1111 к 0000 все четыре бита изменяются одновременно, и если переход в реальной системе выполнен не одновременно, это может приводить к ошибкам. Для минимизации ошибок в двоичном коде предназначена так называемая V-выборка, принцип которой для диска, развернутого в прямую линию, проиллюстрирован на рис. 19е. Две линейки светодиодов и фотодетекторов размещаются в V-образной форме, для которой фотодетектор AB0 является общим. Для оценки V-выборки разработан специальный алгоритм, согласно которому логическое значение «0» или «1» для данного положения детектора, выбранного в линии i, определяет, какой детектор -- «B» или «A» -- должен быть активирован в линии (i+1). Если AB0 соответствует логическая «1», во второй линии анализируется A1, если AB0 соответствует логический «0», анализируется B1. Поскольку A1 на рис. 19е -- «0», в линии 3 берется детектор B2. Последовательность выбранных фотодетекторов на рис. 19е подсвечена желтым цветом. |
|
