Датчики управления двигателем автомобиля

Преимуществом абсолютного энкодера является то, что частота вращения может быть понижена до одного оборота энкодерного диска в течение полного углового пути машины. Это позволяет с повышенной точностью детектировать реальные угловые перемещения менее 360°. Если же требуется отслеживать угловые перемещения более 360° -- например, в несколько полных оборотов вала, применяется многооборотный угловой энкодер, который обычно представляет собой несколько энкодерных дисков, соединенных между собой цепочкой передач. Данный принцип проиллюстрирован рис. 78. Для грубой оценки вращения -- подсчета числа оборотов -- используется малый энкодер, в пределах которого положение отслеживает более точно 4-битный энкодер. Малый энкодер совершает только одно вращение, например, за 2000°, преодолеваемых большим энкодером. Для дальнейшего повышения точности оценки число энкодеров может быть увеличено.

Рис. 20. Многооборотный абсолютный энкодер а -- конструкция: 1 -- корпус датчика положения в пределах 360°; 2 -- массив светодиодов; 3 -- массив фотодетекторов; 4 -- 4-битный ротор с двоичным кодом; 5 -- вращающийся вал; 6 -- редуктор; 7 -- 2-битный ротор с двоичным кодом; 8 -- измерительная головка -- счетчик числа оборотов; б-в -- сравнение принципов функционирования однооборотного и многооборотного энкодера: б -- однооборотный энкодер; в -- многооборотный энкодер.

Метод интерферометрии Муара

Метод интерферометрии Муара применяется для измерения положения в пределах значительных линейных расстояний -- от нескольких сантиметров до нескольких метров. Технология, реализованная, например, немецкой фирмой Heidenhain, использует длинные перемещающиеся стеклянные пластины с очень тонкими линиями, выполненными методами микроструктурирования с малым постоянным периодом C. Свет проникает сквозь щели пластины, остальная поверхность которой металлизирована (рис. 20, 21).

Рис. 21. Инкрементальный линейный энкодер на основе интерферометрии Муара а-- конструкция: 1-- подвижная стеклянная пластина; 2-- лампа; 3-- линза; 4-- неподвижная пластина с прорезями 5; 6-- массив инкрементальных фотодетекторов смещенных синусоидальных сигналов; 7-- массив фотодетекторов индексной отметки; б-- принцип работы устройства

Измерительная головка датчика включает источник света, которым в отличие от лазерного интерферометра может быть любая лампа, чей свет проникает сквозь прорези малой фиксированной пластины-коллиматора, размещенной между лампой и подвижной пластиной (рис. 79а). Период прорезей и период линий подвижной пластины C согласованы (рис. 20б). Фотодетекторы, размещенные с другой стороны стеклянной пластины, определяют светопередачу устройства.

При движении измерительной линейки и достижении фазового совпадения прорезей неподвижной пластины с подвижной обеспечивается максимально высокая светопередача, в противофазе фотодетектор полностью затемнен, а между этими точками сигнал фототока детектора представляет собой синусоидальную функцию:

Для определения положения в инкрементальной системе используются 5 фотодетекторов (или массивов фотодетекторов), предоставляющих 4 синусоидальных сигнала каждый и один индексный сигнал (рис. 20в). Четыре решетки в пластине измерительной головки с одинаковым периодом C сдвинуты на 1/4 периода так, что синусоидальные сигналы также сдвинуты по фазе на 1/4 периода.

Разрешение данной системы составляет 1/4 периода C (2,5 мкм для C = 10 мкм), увеличение которого до <0,5 мкм возможно посредством интерполяции.

Дифференциальные синусно-косинусные сигналы с фазовым смещением в 90°, полученные при взаимном вычитании сигналов фотодетекторов, позволяют определять направление движения. Поскольку сигналы имеют точку нулевой передачи, они легко оцифровываются.

Инкрементальные интерферометрические измерители позволяют детектировать расстояния до 30 м с шагами до 0,1 мкм.

На основе принципа интерферометрии Муара может быть создан и абсолютный энкодер, позволяющий получить информацию об абсолютном положении (рис. 22).

Рис. 22. Абсолютный линейный энкодер на основе интерферометрии Муара 1 -- подвижная стеклянная пластина со строками линий с различными периодами C0-C6; 2 -- лампа; 3 -- линза; 4 -- неподвижная пластина со строковыми прорезями; 5 -- массив строковых фотодетекторов (для формирования четырех смещенных синусоидальных сигналов в строке).

В конструкции абсолютного энкодера каждая строка подвижной стеклянной пластины характеризуется различным периодом линий, размещенных в соответствии со специальным алгоритмом. Каждой строке соответствует четыре фиксированных набора прорезей неподвижной платы, позволяющих получить в каждой строке 4 смещенных сигнала, отслеживаемых массивом фотодетекторов.

Метод интерферометрии Муара предоставляет возможность реализовать измерение абсолютного положения с шагами порядка 0,1 мкм в пределах длины до 3 м.

Методы линейной интерферометрии могут быть преобразованы также для детектирования углового положения.

Оптические энкодеры в автоэлектронике

Угловые оптические энкодеры могут быть эффективно использованы в автоэлектронике как датчики цифровых систем обратной связи с двигателем или как цифровые элементы контроля скорости, положения, крутящего момента.

Ограничения при использовании оптических технологий в автоэлектронике требуют минимизации факторов воздействия загрязнений. Для автомобильных условий будут приемлемы уплотненные исполнения устройства, в корпусе которого размещается и измерительная головка, и оптический диск или линейка.

Для компенсации производственных допусков оптические энкодеры часто нуждаются в подстройке потенциометром. Если абсолютные энкодеры выполняются на основе пикселей, то для компенсации старения светодиода может потребоваться периодическая калибровка.

Другие недостатки оптоэлектронных устройств -- рабочий температурный диапазон и подверженность оптических дисков и волоконно-оптических соединений сильным ударным воздействиям. Поскольку в автоэлектронике большинство датчиков положения работает в условиях повышенных температур, вибраций или ударов, оптоэлектроника более подходит для систем с менее жестким режимом, например, положения педали акселератора или тормоза, рулевого управления или линейных систем -- детектирования положения сиденья или подвески. Оптические энкодеры находят применение как цифровые элементы управления приборной панели: для систем климат-контроля, контроля зеркал, аудиоконтроля, контроля солнечного люка.

Некоторые примеры разработок оптических датчиков для автоэлектроники содержатся в описаниях патентов.

Магнитостриктивные преобразователи - актуальные измерители линейных и нелинейных перемещений и детекторы крутящего момента

В последние годы интерес многих автомобильных производителей и инженеров-разработчиков вызывают магнитостриктивные датчики, применение которых в автоэлектронике и промышленности обычно связано с предоставляемой ими возможностью детектирования значительных линейных перемещений. Линейные датчики обычно отличаются значительной длиной (потенциометры, LVDT, энкодеры). За исключением потенциометров, реализация многих линейных систем связана также с важнейшим конструктивным ограничением, которым является значительная длина цели и, следовательно, цена. Уменьшение длины цели накладывает сопутствующие функциональные ограничения, такие как компромисс измерительного диапазона и разрешения (датчики Холла и некоторые другие известные концепции индуктивных, емкостных, оптических преобразователей и т.д).

Теория магнитостриктивных датчиков

Магнитострикция -- это свойство некоторых кристаллических, обычно ферромагнитных материалов, таких как железо, никель и кобальт, изменять размер и (или) форму при взаимодействии с внешним магнитным полем. Явление изменения размера и формы материала в магнитном поле представляет собой магнитостриктивный эффект.

Явление магнитострикции было открыто Дж. Джоулем в 1842 году. Наибольших значений магнитострикция достигает в ферро и ферримагнетиках (Fe, Ni, Со, Gd, Tb и других, а также ряде сплавов и ферритах). Эта характеристика материала не изменяется со временем.

Считается, что материал характеризуется положительной магнитострикцией, если он расширяется при помещении в магнитное поле, и отрицательной магнитострикцией, если размеры материала уменьшаются. Средняя величина магнитострикции в основных металлах и простых магнитострикционных сплавах небольшая -- порядка 1 мкм/м.

Рис. 23. Иллюстрация теории и принципа действия магнитостриктивных преобразователей: а, б -- иллюстрация магнитостриктивного эффекта в ферромагнитном стержне под действием внешнего магнитного поля B: а -- хаотичное распределение магнитных моментов доменов в отсутствие поля; б -- упорядочение магнитных моментов доменов при намагничивании внешним полем; L0 -- начальная длина стержня при B = 0; ДL-- удлинение при намагничивании; в, г-- иллюстрация магнитостриктивного эффекта в ферромагнитном проводнике с током I; в-- распределение магнитных моментов доменов под действием магнитного поля тока B; г-- скручивание магнитных моментов доменов под действием аксиального магнитного поля: 1-- доменный стержень; 2-- аксиальный постоянный магнит; д-- измерительный принцип магнитостриктивных датчиков MTS: 1-- волновод; 2-- постоянный магнит-цель; 3-- измерительная лента; 4-- сенсорная обмотка; 5-- постоянный магнит, смещающий обмотку; 6-- изоляционная трубка; 7-- демпфер; I-- импульсный ток; B-- скручивающий импульс (направление распространения импульса показано стрелками); е-- типичный магнитостриктивный датчик абсолютного линейного положения: 1-- сенсорный стержень (волновод в защитной трубке); 2-- постоянный магнит-цель; 3-- электронный блок -- магнитостриктивный датчик и интегрированная электроника обработки сигнала в корпусе; 4-- терминалы преобразователя; 5-- элемент крепления устройства

Для того чтобы объяснить явление магнитострикции, ферромагнитный материал рассматривается как физическая совокупность доменов -- областей из многих атомов -- малых постоянных магнитов, характеризующихся магнитными моментами. В отсутствие магнитного поля магнитные моменты доменов в пространстве располагаются хаотично. При намагничивании материала домены выстраиваются вдоль своих легких осей намагниченности так, что магнитные моменты стремятся к параллельности друг другу и внешнему магнитному полю (рис. 23а, б).

На рис. 23б показано, что напряженность магнитного поля H при B>0 вызывает изменение размеров тела (длины стержня L0) вследствие выравнивания магнитных моментов доменов.

Таким образом, магнитостриктивные материалы преобразуют магнитную энергию в механическую, и наоборот. Намагничивание вызывает механическое напряжение магнитостриктивного материала, которое и приводит к изменению длины.

Поскольку приложение магнитного поля вызывает механическое напряжение, которое изменяет физические свойства магнитостриктивного материала, существует и обратный магнитостриктивный эффект, называемый эффектом Виллари: приложение внешней силы, образующей напряжение в магнитостриктивном материале (растяжение, кручение, изгиб и т. д.), изменяет магнитные свойства (магнитную проницаемость) материала.

Это двунаправленное сочетание магнитных и механических свойств обеспечивает преобразовательную способность и используется для создания как магнитостриктивных датчиков, так и исполнительных устройств.

Для создания магнитостриктивных датчиков положения применяются и прямой магнитостриктивный эффект, и эффект Виллари.

Магнитостриктивный эффект, представляющий собой взаимодействие внешнего магнитного поля с доменами, зависит от свойств материала -- состава и способов обработки сплава (термического отжига, холодной обработки), а также от напряженности магнитного поля. Управление упорядочением доменов может быть оптимизировано правильным подбором перечисленных свойств и параметров.

Ферромагнитные материалы, используемые в магнитостриктивных датчиках положения, -- это переходные металлы: никель, железо, кобальт. В переходных металлах третья электронная оболочка, удаленная от ядра, не заполнена на 100%, что допускает образование магнитного момента электрона. Магнитное поле вызывает изменение энергетического состояния электронов и увеличение расстояний между узлами в кристаллической решетке. Для того чтобы возвратить состояние низкой энергии электронов на поверхности, в кристалле возникает механическое напряжение.

Для создания датчиков линейного положения на основе проводов с током, изготовленных из магнитостриктивного материала, используется обусловленный магнитострикцией эффект Видемана -- механическое закручивание ферромагнитного магнитостриктивного стержня с протекающим вдоль стержня электрическим током при одновременном действии на него кругового магнитного поля, созданного током, и продольного (спирального) магнитного поля (рис. 23 в, г).

На рис. 23г проиллюстрирован эффект Видемана, который состоит в скручивании вследствие аксиального магнитного поля, приложенного к ферромагнитному стержню, по которому протекает электрический ток.

Известен также эффект, обратный эффекту Видемана, -- эффект Матисси (Matteucci), сходный с эффектом Виллари. Он состоит в создании магнитного поля, когда материал подвержен крутящему моменту.

На практике способность магнитостриктивных материалов преобразовывать механическую энергию в магнитную используется в датчиках крутящего момента, а способность преобразовывать магнитную энергию в механическую делает их подходящими для создания исполнительных устройств.

Если к магнитостриктивному стержню приложить импульс тока короткой длительности в 1 или 2 мкс, будет получено скручивание в месте локализации аксиального магнитного поля, обычно от постоянного магнита, вследствие взаимодействия магнитного поля магнита с полем тока в стержне. Минимальная плотность тока наблюдается вдоль центра проводов, максимальная (вследствие скин-эффекта) -- на поверхности проводов. Интенсивность магнитного поля также наибольшая на поверхности проводов. Поскольку к стержню прикладывается импульсный ток, механические скручивания распространяются в стержне, вызывая ультразвуковую волну, для которой магнитостриктивный стержень является волноводом. Скорость распространения волны составляет приблизительно 3000 м/с.

Принцип действия магнитостриктивного датчика линейного положения проиллюстрирован рис. 23г, д.

Аксиальное магнитное поле обеспечивается целью -- постоянным магнитом, связанным с детектируемым объектом, например, гидравлическим цилиндром. Положение цели изменяется и детектируется.

Волновод представляет собой стационарную часть датчика, размещенную внутри корпусазащитной изоляционной трубки, изолирующей волновод (экранирующей) от внешней среды. Присутствие магнита определяется при первом приложении токового импульса к волноводу, поскольку благодаря возникающему в стержне эффекту Видемана отраженная волна достигает импульсного измерительного блока в концевой части волновода. Для точного измерения положения момент подачи токового импульса регистрируется микроконтроллером, который включает таймер до момента регистрации датчиком отраженного импульса, после чего микроконтроллер выключает таймер. Зафиксированное таймером время распространения волны на известной скорости соответствует расстоянию между магнитом и датчиком, или абсолютному положению магнита.

На рис. 83д показан индуктивный импульсный измеритель в сенсорном блоке датчика, который функционирует на основе эффекта Виллари. В индуктивном измерителе лента из магнитостриктивного материала приваривается к волноводу близ одного его конца. Магнитостриктивная лента является сердечником для обмотки, смещаемой постоянным магнитом. Ультразвуковая волна распространяется, достигая окончания ленты, и механическое напряжение, наводимое в ленте волной, вызывает волну изменения магнитной проницаемости ленты -- эффект Виллари, что приводит к изменению в плотности магнитного потока обмотки и образованию импульса выходного напряжения на терминалах обмотки (эффект Фарадея).

В качестве детектора ультразвуковой волны может быть использован и любой другой подходящий тип измерителя -- например, пьезоэлектрический, пьезорезистивный или емкостной датчик, а также другие конфигурации. Так, компания MTS Temposonics использует индуктивные измерители, показанные на рис. 25д, а компания Spinix на основе комбинации магнитостриктивных и пьезоэлектрических преобразователей разработала линейку пассивных регистраторов импульсного магнитного поля PSSM -- датчиков скорости, тока и расхода.

Ультразвуковая волна распространяется также и в противоположном направлении. Для того чтобы избежать интерференции сигнала с волнами, распространяющимися в противоположном направлении, их энергия абсорбируется демпфером (рис. 25д).

Внешний вид типичного магнитостриктивного преобразователя, известного также как MLDT (magnetostrictive linear displacement transducers), показан на рис. 25е. Подвижный элемент MLDT-- постоянный магнит -- создает скручивающий импульс в металлическом волноводе с импульсным током. Импульс тока, сгенерированный в сенсорном блоке, перемещается по волноводу на известной скорости до цели и обратно к волновому детектору. Измеряя время отклика, MLDT образует выход, пропорциональный положению магнита относительно детектора1.

Магнитостриктивные датчики в автоэлектронике

В последние годы увеличивается спрос на магнитостриктивные преобразователи в автоэлектронике. Основное применение автомобильные магнитостриктивные датчики находят в детектировании линейных перемещений -- это подвески, линейные системы рулевого управления, переключение передач и контроль положения колес, где в первую очередь для повышения точности желательна минимизация числа угловых преобразователей с механизмами преобразования одного вида движения в другой.

Рис. 24. Иллюстрация концепции модульности MTS Temposonics линейки датчиков серии C и примеры разработок линейных автомобильных систем на основе встраиваемых модульных преобразователей: а-- базовый модуль -- сенсорный элемент CSE; б-- типичная функциональная диаграмма электронного модуля датчика; в-- типичный внешний вид модульных датчиков серии С для высокообъемных сфер применения; г-- датчик серии C в защитном металлическом корпусе для жестких условий эксплуатации; д-- типичные датчики семейства CSP на основе модуля CSE; е , ж-- иллюстрация применения датчиков MTS в гидравлических цилиндрах автомобилей Mercedes.

Актуальность магнитостриктивных датчиков положения в автоэлектронике во многом обусловлена (или определена) их физической природой и конструктивными и функциональными особенностями, являющимися следствием базового измерительного принципа.

Поскольку магнитостриктивные преобразователи относятся к типу устройств, работающих по принципу измерения времени распространения волны от цели до датчика и обратно, цель не отличается значительной длиной и ценой. Принцип измерения времени распространения отраженной волны позволяет получить абсолютный тип датчиков положения, который, в отличие от инкрементальных оптических и магнитных энкодеров, характеризуется устойчивостью к шумам и не требует индексной отметки и/или программы подключения или обучения.

В противоположность ультразвуковым радарам, измеряющим время распространения ультразвуковой волны в воздухе, магнитостриктивные преобразователи используют ферромагнитный стержневой волновод, обеспечивая таким образом ход цели по определенной траектории, экранирование, увеличение скорости распространения, высокую линейность и точность измерения расстояния от датчика до цели, пропорционального длине волновода. Кроме того, минимизируются потери энергии, амплитуды и точности вследствие рассеяния волны на соседние объекты. С помощью магнитостриктивных датчиков можно получить практически бесконечное разрешение, ограниченное только цифровой обрабатывающей электроникой и шумами.

Выходной сигнал после обработки ASIC может быть как аналоговым, ШИМ, так и еще более простым -- в виде двух цифровых импульсов старт-стоп, время между которыми для идентификации положения измеряет микроконтроллер. Включение Smart-ASIC в сенсорный блок датчика позволяет программировать измерительный диапазон, детектировать дополнительные параметры движения (механическое нулевое положение, смещение, чувствительность) и формировать любой энкодерный интерфейс. Магнитные и ферромагнитные сенсорные компоненты нечувствительны к влажности и загрязнениям, типичным для автомобильных окружающих условий. Временные допуски (старение) практически не оказывают влияния на измерительную точность датчика. Датчики на основе ферромагнитных материалов практически не нуждаются в повторной и периодической калибровке. Температурные допуски вследствие расширения металла могут быть скомпенсированы, например, за счет встраивания в сенсорный блок или ASIC интегрированного датчика температуры.

Рис. 25. Некоторые уникальные идеи по применению датчиков MTS Temposonics: а-- идеи по применению датчиков положения MTS в коробке передач; б-- датчик серии C с гибким валом для криволинейных измерений; в-- датчик серии C с поплавком для детектирования уровней жидкости

Рис. 26. Магнитостриктивный датчик положения клапана и/или ротора клапана двигателя внутреннего сгорания Ford Global Technologies: 1 -- статор клапанной сборки; 2 -- ротор; 3 -- клапан; 4, 5 -- подшипники; 6 -- защитное ограждение; 7 -- центрирующая пружина; 8 -- вращающийся постоянный магнит для индикации углового положения ротора; 9 -- магнитостриктивный датчик аксиального положения клапана 2 и/или углового положения ротора 1 электромеханической клапанной сборки; 10 -- стек многослойного листового металла статора; 11 -- центральное отверстие статора; 12 -- обмотки статора; 13 -- кольцевой магнит ротора; 14 -- шаровая гайка; 15, 16 -- сегменты магнита; 17 -- цилиндрическая часть тела шаровой гайки; 18 -- центральное отверстие шаровой гайки; 19, 20 -- плечи для опоры; 21 -- спиральная канавка цилиндрического тела; 22 -- плоские участки -- разделители спиральной канавки; 23 -- возвратный канал для кольцевой прокатки примыкающих шаровых подшипников 24; 25 -- апертура в головной части двигателя для установки клапанного штока; 26 -- седло клапана; 27 -- клапанный шток; 28 -- антискручивающий волновод; 29 -- спиральная канавка клапанного штока; 30 -- плоские участки -- разделители спиральной канавки клапанного штока; 31 -- верхнее опорное плечо; 32 -- отверстие для клапанного штока; E -- ось вращения ротора (по часовой стрелке или против часовой стрелки); 33 -- звуковой канал радиусом R; G -- зазор в звуковом канале; иM -- детектируемое угловое положение; L -- соответствующая длина пути; UOSC, UTEMP, UTR, UR -- сигналы напряжения; P1, P2 -- точки схемы (с нулевой длиной проводника); Z -- детектируемое аксиальное положение

Магнитоупругие датчики крутящего момента

Точное измерение крутящего момента -- одна из важнейших задач в автомобильной электронике. Сферы применения включают контроль крутящего момента выходного вала двигателя, входного и выходного валов автоматической коробки передач, типичные задачи рулевого управления (рис. 91).

Рис. 27. Примеры применения магнитостриктивных датчиков крутящего момента в автоэлектронике: а-ж-- магнитоупругие датчики крутящего момента Magnetoelastic Devices: а-- классический вариант датчика: 1-- датчик крутящего момента; 2-- магнитоупругий преобразователь; 3-- датчик магнитного поля (датчик Холла); 4-- вал, соединяемый с детектируемым объектом; A-- ось вращения; M-- крутящий момент; Hост -- круговое тангенциальное направление остаточного намагничивания; 5-- проводные выводы датчика; б-- выходная характеристика датчика Холла; в-- спиральное намагничивание магнитоупругого кольца; г-- версия с поляризованным магнитоупругим кольцом с двумя противоположно намагничиваемыми областями: 1-- конструкция датчика; 2, 3-- два противоположно поляризованных кольца; 4, 5-- один или два датчика магнитного поля; 6-- вал; 7-- непрерывная поверхность материала колец; Mr1(+), Mr2(-) -- остаточная намагниченность колец; д-- версия с зубчатым кольцом, модулирующим магнитное поле для измерения скорости вращения: 6-- модулирующее кольцо; е-- типичный внешний вид сенсорного модуля датчика, установленного на валу; ж-- применение датчика MDI для детектирования крутящего момента вала коробки передач; з-- магнитостриктивный датчик крутящего момента в системе рулевого управления Suzuki: 1-- цилиндрическое прямозубое колесо; 2-- шестерня; 3-- выходной рулевой вал, управляемый двигателем; 4, 5-- подшипники; 6-- рулевая колонка; 7-- датчик крутящего момента; 8-- вал датчика; 9-- рулевой вал; 10 -- соединительная часть рулевого вала с валом датчика; 11 -- двигатель; 12 -- соединительная часть вала рулевого управления; 13 -- корпус датчика; 14, 15 -- шпоночные соединения; 16 -- кабельный соединитель датчика 7; 17 -- люк рулевой колонки для вывода соединителя; 18 -- пространство для установки датчика; и-- магнитостриктивный датчик крутящего момента Aisin Seiki: 1-- магнитостриктивное устройство; 2-- группа обмоток; 3, 4-- подшипники; 5-- корпус; 6-- печатная плата; 7-- вал; 8, 9-- участки с магнитной анизотропией; 10 -- бобина; 11, 12 -- возбуждающие обмотки; 13, 14 -- детектирующие обмотки; 15, 16 -- проводные выводы; 17 -- терминалы печатной платы; к, л-- магнитоупругий датчик крутящего момента Siemens VDO с низким гистерезисом, производимый методом термического распыления: к-- конструкция датчика: 1-- магнитоупругий элемент; 2-- немагнитный вал; A-- продольная ось вращения; л-- внешний вид; м, н-- магнитостриктивный датчик крутящего момента для автоматической коробки передач: 1-- входной вал коробки передач; 2-- магнитостриктивный датчик; 3-- статор; 4-- цилиндрическая часть статора для установки датчика; 5-- гильза, удерживающая датчик крутящего момента в статоре; 6-- канавка для проводных выводов датчика; 7-- цилиндрический полый корпус датчика; 8, 9 -- части корпуса для вывода и прохода проводов; 10, 11, 12 -- детектирующие обмотки; 13 -- сегментированный магнитостриктивный материал; 14, 15 -- шарикоподшипники; 16 -- проводные выводы; о-- устройство электрического рулевого управления с механизмом детектирования крутящего момента Honda: 1-- вращающийся вал, соединяемый с рулевым колесом; 2, 3, 4-- нижняя, верхняя, средняя части вала, соответственно; 5, 6-- магнитостриктивные мембраны; 7-- механизм шестерен; 8-- ведущая шестерня; 9-- зубчатая рейка; 10 -- вал рейки; 11 -- первый подшипник; 12 -- второй подшипник; 13, 15 -- схемы возбуждения переменным напряжением магнитостриктивных мембран; 14, 16 -- схемы детектирования; 17 -- двигатель; 18 -- ведущий вал; 19 -- механизм редуктора; 20 -- ведущий червяк; 21 -- червячное колесо; 22 -- корпус; 23, 24 -- верхняя и нижняя части корпуса устройcтва, соответственно

Выделяется две категории датчиков крутящего момента:

1. деформируемые датчики (пьезорезистивные strain gauge, емкостные) -- с требованием беспроводного трансмиттера сигнала и ограничениями в прочности2, повторямости и цене таких устройств;

2. недеформируемые датчики.

Помимо того датчики делятся на:

1. использующие электрические компоненты, закрепленные на валу (адгезивные, оптические, индуктивные), -- более сложные и с ограничениями в прочности таких устройств,

2. датчики, которые обходятся без таких компонентов.

Еще одно классификационное деление:

1. датчики со стержнем кручения torsion bar, которые могут вычислять только дифференциальный или полудифференциальный угол закручивания одного вала относительно другого (оптические и индуктивные);

2. датчики, которые измеряют крутящий момент непосредственно (углы закручивания стальных валов очень малы -- порядка 0,01°).

Магнитоупругие или магнитостриктивные преобразователи согласно всем классификациям относятся к датчикам второго типа.

Для создания магнитоупругих датчиков крутящего момента используется эффект Виллари -- наведение изменений в магнитной проницаемости под действием момента, которые регистрируются бесконтактным датчиком магнитного поля, вырабатывающим пропорциональный моменту аналоговый сигнал.

Магнитостриктивный материал допускает высокую надежность и повторяемость измерения значения крутящего момента, поскольку магнитострикция -- это свойство материала, которое не изменяется со временем.

Спектр разработок магнитостриктивных преобразователей проиллюстрирован рис. 28. Описания работы подобных устройств содержатся в патентной и технической литературе.

Типичный датчик крутящего момента показан на рис. 28а-в. В стандартной конфигурации используется поляризованное магнитоупругое кольцо, которое прочно прикрепляется к валу и намагничивается импульсным током через вал. Создается легкая ось намагниченности кольца в тангенциальном направлении.

В рабочих условиях под действием крутящего момента остаточная намагниченность в кольце переориентируется по спирали (рис. 28в), что создает магнитное поле, пропорциональное крутящему моменту. Величина и направление поля определяются бесконтактным магнитоуправляемым датчиком, линейный выходной сигнал которого обрабатывается в электронной схеме.

Для того чтобы избежать зависимости от магнитной проницаемости вала (зависимости от температурных эффектов, свойств материала, величины и частоты возбуждающего поля, а также поля Земли) и повысить чувствительность датчика, используется поляризованное кольцо с двумя областями с противоположными направлениями намагниченности, которые намагничиваются двумя идентичными постоянными магнитами при медленном вращении вала.

Чувствительность зависит от размера кольца и свойств материала. Насколько подходит конкретный материал для использования в датчиках крутящего момента -- зависит от его насыщающей магнитострикции, определяемой как частичное изменение в длине при увеличении намагниченности до насыщающего значения. Наибольшее значение магнитострикция насыщения составляет для никеля (4Ч10-5).

Вперёд в будущее. Инновации сенсорных технологий в искровых

двигателях внутреннего сгорания

Автопроизводители и исследовательские институты разрабатывают новые процессы горения, которые комбинируют преимущества бензиновых и дизельных двигателей. Например, компании General Motors Corp., Robert Bosch Corp. и Стэнфордский университет сейчас занимаются разработкой технологии эффективного сгорания топлива Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI), которая обещает сделать бензиновые двигатели более эффективными (на 20%), с достижением близкой к нулю эмиссии NOx и снижением цены. Технология реализуется как в обычном, так и в гибридном варианте посредством однородного оптимального смешивания ТВС, сжатия и спонтанного воспламенения за счет повышения температуры (процесс, аналогичный тому, что происходит в дизеле).

Новые применения для датчиков связаны с мониторингом процесса горения непосредственно в цилиндрах (engine combustion sensors). Например, для осуществления замкнутого контроля Honeywell, SiemensVDO (рис. 4ш, щ), Dana предлагают датчики давления в цилиндрах. Датчик Incylinder Pressure Sensor Honeywell допускает различные варианты расположения -- в соединителе свечи, головке цилиндров, инжекторе -- и работает при высоких температурах (до 350 °C).

Износ двигателя, сбои инжекторов, сбои в зажигании, производственные допуски могут ухудшать характеристики горения и эмиссии. Контроль за работой двигателя может быть улучшен вычислениями, которые помогает сделать датчик, -- оптимального крутящего момента, начала зажигания, пикового давления и других параметров.

Для того чтобы осуществлять интеллектуальное управление двигателем технология Dana предполагает интегрирование датчика давления и температуры непосредственно в прокладку.

Введение прямого мониторинга процессов сгорания в период с 2007 по 2012 год обещает исключить датчики детонации, массового расхода воздуха и распределительного вала.

Датчик распределительного вала может стать ненужным и несколько раньше. Новейшая технология Valeo для уменьшения потребления топлива и снижения эмиссии на 20% (рис. 14) использует технологию Smart Valve Actuation (SVA) вместо обычной механической активации клапанов двигателя тросом распределителя, распределительным валом и гидравликой толкателей кулачка.

В двигателе без распределителя каждый клапан активируется индивидуально по сигналам блока контроля клапанов (VCU) или ECU, гарантирующим оптимальную работу системы.

При контролировании содержания остаточных газов, минимизации потерь в насосах и деактивации цилиндров и клапанов достигается экономия топлива и уменьшение эмиссии на 20%. Массовое производство SVA запланировано в 2009 году.

Заключение

Потребность в сенсорных устройствах для новых двигателей и особенно для следующего поколения гибридов будет еще более высокой, чем для обычного автомобиля -- необходима гарантия того, что все системы, включая электрический двигатель и ICE, работают согласованно в любой ситуации вождения.

Многие из альтернативных автомобилей пока существуют только как концептуальное решение, но ожидаемые новшества предваряют интенсивную разработку датчиков -- например, массового расхода газового топлива, давления, эмиссии, состава природного газа (Natural-gas composition sensor) и многих других.

Таким образом, хотя сегмент автомобильных датчиков систем Powertrain и контроля эмиссии включает много устоявшихся решений, применяемых многие годы, инновации, особенно в области контроля эмиссии дизелей и датчиков для гибридов, создают большие рыночные возможности для осуществления и сбыта новых разработок на основе ИС, MEMS и мультисенсорной платформы.

В дальнейшем принципы конструирования новых датчиков более высокого уровня предполагают объединение технологий, поиск новых нестандартных решений.

Литература

1. Сысоева С. Автомобильные цифровые магнитоуправляемые датчики угловой скорости и углового положения зубчатого ротора // Электронные компоненты. 2004. № 3.

2. Бесконтактный датчик скорости автомобиля. Патент РФ № 35441 на полезную модель по заявке № 2003127267 от 08.09.2003, МПК G 01 P3/488, зарегистрировано в Госреестре полезных моделей РФ 10.01.2004/ И.С. Захаров, С.Ф. Яцун, С.С. Сысоева.

3. Бесконтактный датчик скорости автомобиля, встраиваемый в коробку передач. Патент РФ № 36894 на полезную модель по заявке №2003132947 от 11.11.2003, МПК G 01 P3/488, зарегистрировано в Госреестре ПМ РФ 27.03.2004/ И.С. Захаров, С.Ф. Яцун, С.С. Сысоева.

4. Бесконтактный датчик скорости автомобиля. Патент на изобретение № 2260188 по заявке №2004102133/28 (002114) от 26.01.2004. Зарегистрировано в Госреестре изобретений 10.09.2005. / И.С. Захаров, С.Ф. Яцун, С.С. Сысоева.

5. Бесконтактный датчик скорости автомобиля. Патент на изобретение № 2270452 по заявке на изобретение № 2004102306/28 от 26.01.2004. Зарегистрировано в Госреестре изобретений 20.02.2006. / И.С. Захаров, С.Ф. Яцун, С.С. Сысоева.

Особую благодарность за содержательные статьи автор выражает редакции журнала «Компоненты и технологии» в часности Светлане Сысоевой Сайт журнала www.kit-e.ru

Автор: Романов Сергей Иванович МГАУ гр. 11/А07

Страницы: 1, 2, 3