Вертикальный двойной датчик холла для определения направления вращения и скорости

Содержание

Turbofactory › Блог › Адаптер VR-to-Hall с удлинителем сигнала. Часть 1 из 2.

Немного теории для начала.
Индуктивный датчик, он же по англ. – «Variable Reluctance sensor» — прибор, который при достаточно быстром перемещении стального предмета на нужном от него расстоянии (и в нужной точке) вырабатывает переменное напряжение, похожее на синусоидальное. В автомобилях применяется в следующих узлах: датчик положения коленвала (ДПКВ), датчик фаз индуктивного типа (ДФ), датчики ABS, коробки передачи и прочие узлы. Металлический предмет, который перемещается рядом с датчиком это обычно или выступающий металлический «зуб» или шторка с вырезами.
VR датчик обладает следующими особенностями:
• Позволяет отследить направление движения металлического предмета относительно датчика. При его приближении к датчику напряжение нарастает а при удалении падает и даже меняет полярность.
• Напряжение сигнала прямопорционально зависит от скорости перемещения металла рядом с датчиком, в случае автомобиля от оборотов задающего диска. И может меняться от 0.3В до 50-100В.
• Сигнал не может быть сразу напрямую обработан процессором ЭБУ, требуется его перевести в «логический» сигнал 0 / 1.

Для решения задачи из последнего пункта в мире выпускается несколько различных микросхем, например «легендарные» LM1815, MAX9924, TA8025F и другие. В целом, ассортимент подобных микросхем очень скуден (всего несколько разных моделей) и цена далеко не маленькая.
В России они стоят примерно по от 300р и выше, плюс расходы на доставку. Да, есть их копии на Али, но как они будут работать, мне на своих клиентах проверять не хочется. Но, дело даже и не в цене, и далее по тексту станет ясно, в чем именно проблема.

Самый интересный момент наступает тогда, когда задающий «зуб» или вырез на шторке имеет очень маленькую ширину и наша почти идеальная синусоида превращается в то, что нарисовано синим цветом на картинке ниже. При этом любая микросхема для обработки VR-сигнала абсолютно корректно выполняет свою работу (зеленый график на рисунке), просто у нас сигналы идут очень короткие.
Перейдя от абстракции к конкретному случаю реперного диска для распредвала, мы получаем недостаточно «длинный» сигнал, по которому далеко не всякий ЭБУ способен корректно определить положение РВ относительно КВ. Как правило, с таким коротким сигналом ЭБУ выставляет ошибку синхронизации сигнала РВ. Из применяемых решений этой проблемы – удлинение шторки методом приваривания более длинного сектора и прочие подобные механические работы.

И последнее из области теории, как работает выход датчиков Холла, и по аналогии с ним VR-to-hall адаптеров. В ЭБУ выход «подтянут» к питанию, а в датчике Холла имеет транзистор, который во время активной фазы входящего сигнала открывается и «притягивает» выход ЭБУ к земле. Такая схема использования транзистора называется «открытый коллектор», т.к. у нас наружу выведен именно вывод транзистора под название «коллектор». Из особенностей данной схемы – ток, втекающий в транзистор, должен быть ограничен внешней схемой. В данном случае ограничитель это резистор в ЭБУ. Если его убрать и подать напряжение напрямую то транзистор мгновенно сгорит.

Теперь переходим к практике. Не просто же так я сидел и рисовал эти картинки 🙂

Ко мне обратился Дмитрий Tech (профиль — exie )
и заказал VR-to-Hall адаптер, сначала «обычный», но потом в ходе общения пришла мысль сделать его с удлинителем сигнала. На данный момент адаптер уже сделан и проходит отладку «на столе». Схема выполнена на процессоре STM32F030 и дает пользователю возможность выполнить настройку требуемой скважности:
— не менять скважность. Работает как простой VR-to-Hall.
— удлинить скважность до задаваемой пользователем. Можно задать: 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 и 90%.
— обороты задающего диска от 400 до любых, доступных мотору, вплоть до 30-40 тысяч (столько не нужно, но схема просто это позволяет).
— работа с любым индуктивным датчиком. Тесты на столе проводятся с ДПКВ от а/м ВАЗ.
— возможность включить индикацию выходного сигнала для визуального контроля сигналов на выходе.

Датчики положения / частоты вращения на эффекте Холла Hall Trigger

Датчики положения / частоты вращения на эффекте Холла применяются для определения частоты вращения и / или положения распределительного вала, коленчатого вала двигателя, что необходимо для синхронизации системы зажигания и впрыска топлива, а также применяются для измерения скорости движения автомобиля, что необходимо для управления режимом холостого хода двигателя.

Датчик Холла.

На бензиновых двигателях оборудованных классической системой зажигания датчик Холла установлен в корпусе распределителя зажигания.

На валу распределителя зажигания закреплены шторки из ферромагнитного материала, вращающиеся вместе с валом. Количество шторок равно количеству цилиндров двигателя (встречаются системы зажигания с одной шторкой в распределителе зажигания, дополнительно оборудованные датчиком положения / частоты вращения коленчатого вала). Выходной сигнал датчика Холла может принимать один из двух уровней – высокий или низкий и зависит от наличия / отсутствия шторки в магнитном зазоре датчика. При отсутствии шторки в магнитном зазоре датчика, напряжение выходного сигнала датчика соответствует низкому уровню – не более 0,2 V. При прохождении шторки через магнитный зазор датчика, напряжение выходного сигнала датчика соответствует высокому уровню. Значение напряжения высокого уровня определяется поступающим на датчик опор. напряжением. Датчик генерирует синхроимпульсы синхронно прохождению шторок через магнитный зазор датчика. Форма осциллограммы напряжения выходного сигнала датчика Холла близка к меандру. Частота следования синхроимпульсов пропорциональна частоте вращения вала с ферромагнитными шторками.

Осциллограмма напряжения выходного сигнала исправного датчика Холла, встроенного в распределитель зажигания 4-х цилиндрового двигателя при 960 RPM.
При повышении частоты вращения двигателя, частота следования синхроимпульсов также увеличивается.

Осциллограмма напряжения выходного сигнала исправного датчика Холла, встроенного в распределитель зажигания 4-х цилиндрового двигателя при 2 880 RPM.
При проведении диагностики датчика Холла по осциллограмме напряжения выходного сигнала, наиболее важными участками синхроимпульсов являются низкий уровень синхроимпульса и его фронты. Форма осциллограммы высокого уровня синхроимпульса определяется качеством стабилизации опор. напряжения, подаваемого на вывод 0 датчика от блока управления двигателем или от коммутатора и при проведении диагностики датчика интереса не представляет. Встречаются самые разные значения опор. напряжения сигнала датчика Холла, но чаще всего встречаются значения 5 V, 8 V, 12 V. В последнем случае, подводимое к датчику опор. напряжение не стабилизировано вовсе, из-за чего форма осциллограммы высокого уровня синхроимпульса в таком случае может иметь значительные искажения, что не является неисправностью.

Проверка выходного сигнала датчика холла.

Для просмотра осциллограммы напряжения выходного сигнала датчика Холла, разъём осциллографического щупа должен быть подключен к аналоговому входу № 1 USB Autoscope II, чёрный зажим типа “крокодил” осциллографического щупа должен быть подсоединён к “массе” двигателя диагностируемого автомобиля, пробник щупа должен быть подсоединён параллельно сигнальному выводу датчика (клемма 0 разъёма датчика).

Схема подключения к датчику Холла.

  1. – точка подключения чёрного зажима типа “крокодил” осциллографического щупа;
  2. – точка подключения пробника осциллографического щупа.

В окне программы “USB Осциллограф”, необходимо выбрать подходящий режим отображения, в данном случае “Управление => Загрузить настройки пользователя => Hall”. После подсоединения осциллографического щупа и выбора режима отображения осциллограмм “Hall” необходимо запустить двигатель диагностируемого автомобиля, а в случае, если запуск двигателя невозможен, прокрутить двигатель стартером. В случае необходимости, осциллограмму можно записать. Для записи осциллограммы, в окне программы “USB Осциллограф”, необходимо выбрать “Управление => Запись”. Для остановки записи осциллограммы, в окне программы “USB Осциллограф”, необходимо выбрать “Управление => Запись”. После завершения записи, записанную осциллограмму можно детально изучить.

Типовые неисправности датчика холла

Если сигнал от датчика положения коленчатого вала поступает, но параметры выходного сигнала при этом имеют отклонения от нормальных, это может привести к подёргиваниям двигателя, провалам, затруднённому пуску двигателя или невозможности запуска двигателя. В случае ослабления крепежа, датчик может несколько сместиться относительно своего нормального положения, что может привести к механическому повреждению датчика вращающимися шторками. Значительное механическое повреждение может привести к неработоспособности датчика. Запуск двигателя становится невозможным в случае, если при прокрутке стартером двигателя, оборудованного классической системой зажигания, от датчика Холла не поступают синхроимпульсы. Вследствие сильного перегрева, из-за дефекта при изготовлении либо из-за кратковременного замыкания сигнального вывода датчика на цепи питания, выходной ключ датчика Холла может “подгореть”. Исправный датчик Холла должен обеспечивать значение напряжения низкого уровня выходного сигнала не выше 0,2 V. В случае “подгорания” выходного ключа датчика Холла, возникает зависимость значения напряжения низкого уровня выходного сигнала датчика от температуры корпуса датчика. В таком случае, пока двигатель холодный, датчик может вполне исправно работать. Но когда корпус датчика нагреваться от деталей работающего двигателя до определённой температуры, двигатель внезапно глохнет. Пуск двигателя в таком случае становится невозможным до тех пор, пока корпус датчика Холла не остынет на несколько градусов. На экране осциллографа дефект выходного ключа датчика Холла становится заметен сразу после начала роста температуры его корпуса и проявляется как постепенное увеличение значения напряжения низкого уровня выходного сигнала датчика.

Читайте также:  Определение параметров электрической цепи со смешанным соединением

Осциллограмма напряжения выходного сигнала неисправного датчика Холла, выходной ключ которого не обеспечивает должного значения напряжения низкого уровня. В данном случае, значение напряжения низкого уровня выходного сигнала датчика равно 1,1 V. Выходной сигнал датчика Холла становится “невидимым” для блока управления двигателем (коммутатора) после того, как с ростом температуры корпуса датчика, напряжение низкого уровня сигнала увеличивается до критически высокого значения. Это значение зависит от особенностей устройства входных цепей сигнала от датчика Холла в блоке управления двигателем (коммутаторе) и может быть равным 0,25…3,5 V. Неисправности предвыходного каскада электронной схемы датчика Холла могут вызвать “завал” фронтов синхроимпульсов выходного сигнала датчика

Осциллограмма напряжения выходного сигнала неисправного датчика Холла, предвыходной каскад которого не обеспечивает должной крутизны фронтов синхроимпульсов. В случае “завала” фронтов синхроимпульсов выходного сигнала датчика Холла, пуск двигателя может быть несколько затруднён, работа двигателя может значительно ухудшиться из-за изменения угла опережения зажигания, максимальная частота вращения двигателя может быть сильно ограниченной.

Датчик скорости движения автомобиля.

Датчик скорости движения автомобиля устанавливается на коробке переключения передач.

Датчик генерирует постоянное число импульсов за каждый оборот колеса автомобиля, что позволяет блоку управления двигателем рассчитать текущую скорость движения автомобиля. Сигнал от датчик скорости движения автомобиля служит для управления режимом холостого хода двигателя, а в некоторых моделях и для отображения на спидометре текущей скорости движения автомобиля. Кроме перечисленных неполадок датчика Холла, случаются поломки вала датчика скорости движения автомобиля из-за чего сигнал от датчика не поступает. В случае поломки датчика скорости движения автомобиля, возможна неустойчивая работа двигателя на холостом ходу при движении автомобиля, при переключении передач двигатель может глохнуть.

Датчик положения распределительного вала (датчик фаз)Camshaft Position Sensor.

Датчик положения распределительного вала двигателя позволяет блоку управления двигателем определить верхнюю мёртвую точку в конце такта сжатия первого цилиндра, что необходимо для синхронизации работы системы зажигания и подачи топлива с рабочим процессом двигателя.

Датчик генерирует один синхроимпульс за полный цикл работы двигателя (два полных оборота коленчатого вала). Это позволяет осуществить фазированный впрыск топлива – каждая форсунка впрыскивает топливо только один раз за два оборота коленчатого вала, за счёт чего улучшается точность дозирования подачи топлива и качество смесеобразования.

Датчики частоты вращения двигателя

Датчики частоты вращения двигателя используются в системах управления двигателем для

  • измерения числа оборотов двигателя и
  • определения положения коленчатого вала (положение поршня двигателя).Число оборотов рассчитывается по интервалу между сигналами датчика скорости вращения.

Индуктивные датчики скорости вращения

Конструкция и принцип действия

Датчик монтируется прямо напротив ферромагнитного зубчатого колеса (рис. 1, поз. 7) с определенным воздушным зазором. Он имеет сердечник из магнито мягкой стали (полюсный контактный штифт, поз. 4) с обмоткой (5). Полюсный контактный штифт соединен с постоянным магнитом (1). Магнитное поле распространяется через полюсный контактный штифт, проходя в зубчатое колесо. Магнитный поток, проходящий через катушку, зависит от того, попадает ли расположение датчика напротив впадины или зуба колеса. Зубец соединяет в пучок магнитный поток рассеяния, исходящий от магнита.

Через катушку происходит усиление сетевого потока. Впадина, наоборот, ослабляет магнитный поток. Эти изменения магнитного потока при вращении зубчатого колеса индуцируют в катушке синусоидальное выходное напряжение, пропорциональное скорости изменения и числу оборотов двигателя (рис. 2). Амплитуда переменного напряжения интенсивно возрастает с увеличением числа оборотов (несколько мВ. > 100 В). Достаточная амплитуда присутствует, начиная с минимального числа оборотов от 30 в минуту.

рисунок №1 Индуктивный датчик скорости вращения (конструкция)
  1. Постоянныймагнит
  2. Корпус датчика
  3. Корпус двигателя
  4. Полюсный контактный штифт
  5. Обмотка
  6. Воздушный зазор
  7. Зубчатое колесо с точкой отсчета

Активные датчики скорости вращения

Активные датчики скорости вращения работают по магнитостатическому принципу. Амплитуда выходного сигнала не зависит от числа оборотов. Благодаря этому можно измерять скорость вращения и при очень низком числе оборотов (квазистатическое определение числа оборотов).

Дифференциальный датчик Холла

На проводящей ток пластинке, по которой вертикально проходит магнитная индукция В, поперечно к направлению тока можно снимать напряжение UH (напряжение Холла), пропорциональное направлению тока.

рисунок №2 Сигнал индуктивного датчика скорости вращения двигателя
  1. Зуб
  2. Впадина
  3. Опорный сигнал

В дифференциальном датчике Холла магнитное поле вырабатывается постоянным магнитом (рис. 3, поз. 1). Между магнитом и импульсным кольцом (4) находятся два сенсорных элемента Холла (2 и 3). Магнитный поток, который проходит сквозь них, зависит от того, находится ли датчик скорости вращения напротив зубца или паза. Благодаря созданию разности сигналов от обоих датчиков достигается снижение магнитных сигналов возмущения и улучшенное соотношение сигнала/шума. Боковые поверхности сигнала датчика могут обрабатываться без оцифровывания непосредственно в блоке управления.

Вместо ферромагнитного зубчатого колеса используются также многополюсные колеса. Здесь на немагнитном металлическом носителе установлен намагничивающийся пластик, который попеременно намагничивается. Эти северные и южные полюсы принимают на себя функцию зубцов колеса.

AMR -датчики

Электрическое сопротивление магниторезистивного материала (АМР, анизотропный магниторезистивный) является анизотропным.

рисунок №3 Принцип работы дифференциального датчика Холла
  1. Расположение датчика
  2. Сигнал датчика Холла
    • большая амплитуда при маленьком воздушном зазоре
    • маленькая амплитуда при большом воздушном зазоре
  3. Выходной сигнал
    1. Магнит
    2. Датчик Холла 1
    3. Датчик Холла 2
    4. Зубчатое колесо

Это означает, что оно зависит от направления магнитного поля, которое на него воздействует. Это свойство используется в АМР -датчике. Датчик находится между магнитом и импульсным кольцом. Линии поля изменяют свое направление, когда вращается импульсное (активное) колесо (рис. 4). В результате формируется синусоидальное напряжение, которое усиливается в схеме обработки данных и преобразуется в сигнал прямоугольной формы.

GMR -датчики

Усовершенствование активных датчиков скорости вращения отражено в использовании технологии GMR (ГМР) (Giant Magneto-Resistance). По причине высокой чувствительности по сравнению с датчиками АМР здесь возможны большие воздушные зазоры, за счет чего предполагаются использования в трудных сферах применения. Более высокая чувствительность производит меньше шумов фронта сигнала.

В ГМР -датчиках возможны также все двухпроводные порты, используемые ранее в датчиках скорости вращения Холла.

Руководство по применению датчиков Холла и герконов

В предыдущей статье обсуждалась важность фокусирования на всей конструкции системы, а не на конкретном компоненте магнитной схемы. В тех системах, где требуются специальные датчики, необходимо, чтобы конструктор определил факторы окружающей среды, механического воздействия, электрические и магнитные параметры всей системы, чтобы можно было выбрать датчик, который соответствует этим условиям эксплуатации.

Как уже упоминалось в первой статье, между разработчиком, производителем и потребителем должна поддерживаться четкая и прямая связь, чтобы рабочие требования ко всем датчикам и системе в целом могли быть четко определены и были понятны всем вовлеченным сторонам. Без такой постоянной связи мало шансов, что будет спроектирована надежная система, которая будет функционировать как нужно. И, наоборот, при хорошей коммуникации в проектной группе на протяжении всего процесса может быть разработана надежная схема, которая соответствует всем известным требованиям.

В этой статье будет рассмотрен вопрос, как выбрать технологии магнитных датчиков для аналоговых и цифровых приложений. В ней также определяются и описываются преимущества герконовых датчиков и датчиков Холла с приведением примеров приложений с микропроцессорным управлением, которые используют эти датчики.

Цифровые датчики: высокая надежность в дискретных приложениях

Во многих приложениях используется цифровой выход для определения, находится ли объект в определенной позиции. Например, датчик может быть использован для проверки наличия защитного ограждения на механизме. Если ограждение находится на своем месте, машина работает. Если же это не так, машина работать не будет. В этом типе дискретного приложения требуется цифровой выход. В приложениях с магнитными датчиками исключительную надежность обеспечивают следующие цифровые датчики:

Герконовые датчики: преимущества и применение

Герконовый датчик представляет собой электрический ключ, который для работы не требует питания, в отличие от интегральной схемы. Выводы заводятся в герметизированную стеклянную колбу, в которой находятся контактные пластины. В результате ключ в герконе обладает высокой надежностью, поскольку он не подвержен влиянию влаги или других факторов окружающей среды. Поэтому контакты не будут окисляться и с нагрузками логического уровня будут продолжать работать в течение миллионов циклов.

Герконовые датчики очень популярны среди приложения с питанием от батареи. Они используются в автомобильных составляющих безопасности, например, обнаружение защелкивания застежки ремня безопасности и обнаружение столкновения. Поскольку герконы могут переключать нагрузки и постоянного, и переменного напряжения, их часто выбирают для цифровых приложений типа «вкл/выкл», например, детектирование закрытия/открытия двери в системах безопасности и в бытовой технике.

Например, дверь холодильника использует геркон для определения закрытия двери. Магнит крепится к двери, а герконовый датчик закрепляется на неподвижной раме, скрытой за внешней стенкой холодильника. Когда дверь открыта, герконовый датчик не может обнаружить магнитное поле, что заставляет включиться светодиодную лампу. Когда дверь закрывается, датчик обнаруживает соответствующее магнитное поле, и светодиод выключается. В этом приложении микроконтроллер внутри блока управления получает сигнал от геркона, а затем включает или выключает светодиод.

Рисунок 1 – Геркон в двери холодильника используется для включения и выключения светодиода

Цифровые датчики Холла: преимущества и применение

Цифровые датчики Холла используют полупроводниковые приборы и их выходное напряжение изменяется в зависимости от изменения магнитного поля. Эти датчики объединяют в семе чувствительный элемент с эффектом Холла и электрическую схему, обеспечивающую цифровой выходной сигнал типа «вкл/выкл», что соответствует изменению магнитного поля без использования каких-либо движущихся частей. Использование датчика на основе эффекта Холла ограничено приложениями с низкими постоянными напряжением и током. В отличие от геркона, устройство на основе эффекта Холла содержит в себе активную схему, поэтому оно потребляет небольшое количество тока в любое время.

Цифровые датчики Холла обеспечивают высокую надежность и для точных требований к измерениям могут быть запрограммированы на активацию при заданной величине магнитного поля.

Эти датчики очень популярны в высокоскоростных измерительных схемах таких бытовых машин, как стиральные машины и сушилки. В этом применении вращающийся 16-полюсный кольцевой магнит активирует чип датчика Холла при каждом прохождении красного (северный полюс) сегмента и деактивирует его при каждом прохождении белого (южный полюс) сегмента, что дает очень точный сигнал, соответствующий скорости. Цифровые датчики Холла особенно полезны в автомобильных приложениях безопасности, таких как определение защелкивания застежки ремня безопасности и определение скорости зубчатой передачи.

Читайте также:  Методы расчета освещенности

Рисунок 2 – Схема применения датчика Холла для измерения скорости

Аналоговые/пропорциональные датчики для повышения стабильности и точности

Аналоговые измерительные приложения позволяют конечному пользователю мгновенно получать обратную связь о положении магнита. Аналоговый датчик Холла обладает высокоточным выходным сигналом с высоким разрешением.

Ранее аналоговые датчики Холла измеряли у магнитов плотность потока и в значительной степени зависели от внешней температуры. Так как в последние годы аналоговые технологии эффекта Холла развивались, теперь, вместо традиционной амплитуды поля, микросхема с датчиком Холла теперь измеряет угол поля, делая его намного менее чувствительным к изменениям температуры. Это улучшение позволяет датчику обеспечивать более стабильный аналоговый выходной сигнал в широком диапазоне температур.

Рассмотрим два типа датчиков Холла, которые могут быть выбраны для аналоговых измерительных схем:

Поворотный датчик Холла: преимущества и применение

Этот полупроводниковый датчик изменяет выходное напряжение при изменении магнитного поля. Он сочетает в себе измерительный элемента на основе эффекта Холла и электрическую схему, обеспечивающую аналоговый выходной сигнал, который соответствует изменению вращающегося магнитного поля без использования каких-либо движущихся частей. Этот датчик предлагает два варианта выходного сигнала: аналоговый или широтно-импульсно-модулированный (ШИМ). Устройство программируется таким образом, чтобы инженер мог связать определенное выходное напряжение или ШИМ сигнал с точной степенью поворота. При повороте до 360° доступны несколько точек программирования. Каждая программируемая точка представляет собой напряжение или ШИМ сигнал, который соответствует заданному углу магнитного поля. Это приводит к получению выходного сигнала, пропорционального углу поворота.

В отличие от механического и резистивно-плёночного поворотных устройств поворотный датчик Холла не испытывает механического износа или изменения значений сопротивления. Кроме того, он очень стабилен при нормальных рабочих температурах вплоть до +105°C. Результаты измерения угла поворота в диапазоне 0°–360° точно калибруются в соответствующем диапазоне выходного постоянного напряжения 0,5В–4,5В или коэффициента заполнения ШИМ сигнала 10–90%.

Поворотные датчики Холла становятся очень популярными для замены механических резистивно-пленочных потенциометров. Они используются в автомобильных и внедорожных приложениях, таких как определение положения клапана EGR в двигателях. Эти датчики также могут использоваться для определения положения поворотных ручек в приборах и бытовой технике.

Рисунок 3 – Поворотный датчик Холла, используемый в поворотной ручке стиральной машины

Линейный датчик Холла: преимущества и применение

Линейные датчики Холла похожи на поворотные датчики Холла, за исключением того, что они измеряют не угловое, а линейное движение магнитного поля. Датчик Холла программируется для выдачи заданного напряжения, пропорционального заданному расстоянию. Типы выходного сигнала у него такие же, как и у поворотного датчика Холла. Датчик измеряет линейное перемещение и относительный угол потока магнитного привода на расстоянии до 30 мм на каждую микросхему с датчиком Холла. Это дает в результате выходной сигнал, точно пропорциональный перемещению датчика.

Перед программированием выходных напряжений или значений ШИМ-сигнала, соответствующих относительному значению магнитного поля от магнита на приводе, датчик и привод могут быть помещены на место окончательного монтажа в устройстве, чтобы в процессе программирования учесть все магнитные воздействия от близлежащего окружения. Это позволит инженеру отрегулировать выходной сигнал датчика, поскольку в процессе программирования будут учтены любые шунтирующие, механические воздействия и воздействия посторонних магнитных полей.

Линейные датчики Холла часто используются в качестве датчиков контроля уровня жидкости. В этом применении датчик определяет положение движущегося поплавка с прикрепленным магнитом. Линейные датчики также полезны в более сложных конструкциях, таких как автомобильная коробка передач.

Заключение

Данная статья объясняет методологию разработки оптимальной магнитной цепи, для которой требуется настраиваемый датчик. Всегда важно определять параметры проекта всей системы до начала процесса проектирования.

В схемах, где требуются специальные датчики, например, приложения со сложным микропроцессорным управлением, герконовые датчики и датчики Холла обеспечивают бесконтактную технологию, которая является высоко повторяемой и надежной. Цифровой выходной сигнал доступен и у герконов, и у датчиков Холла, и эта технология широко используется в бытовой и автомобильной технике. Аналогично, оба этих типа датчиков могут быть разработаны для использования в аналоговых приложениях, где требуется высокий уровень точности и стабильности.

Способы контроля скорости вращения электродвигателей.

Дата добавления: 2015-08-14 ; просмотров: 5481 ; Нарушение авторских прав

Датчики Холла.Датчики Холла используются для измерения скорости и направления вращения электродвигателей, а также положения ротора. Затем

датчики, благодаря интегрированной в них логике, передают эти данные в систему для организации обратной связи в режиме реального времени. Датчики также обнаруживают и сообщают о перебоях в работе электродвигателя, что позволяет предпринять некие корректирующие действия. Обычно для определения направления движения используют два датчика Холла. Датчики Холла могут также использоваться совместно со

специальными интерфейсными схемами. Интерфейсные устройства обеспечивают выполнение нескольких функций: защищают от переходных

процессов в источнике, измеряют и фильтруют ток, потребляемый датчиками Холла, и на основании этих измерений диагностируют аварийные ситуации и защищают от них. Датчики Холла улучшают надёжность и повторяемость измерений по сравнению с системами на базе механических фотопрерывателей, которые плохо работают в условиях запылённости и высокой влажности. Так как датчики Холла детектируют магнитное поле, производимое магнитом или током, то они могут постоянно работать в

таких неблагоприятных условиях.

В некоторых приложениях активные датчики могут сбоить из-за вибрации, пыли или высокой температуры. В таких ситуациях для контроля работы электромотора можно использовать пассивные компоненты, а получаемые данные передавать в систему с помощью интерфейсных микросхем. В качестве альтернативы, для работы в экстремальных условиях можно использовать магнитоэлектрические датчики (variable-reluctance — VR).

Магнитоэлектрические датчики. В VR-датчиках для определения скорости и направления вращения электродвигателя используется катушка индуктивности. Когда зуб шестерни, размещённой на валу двигателя, проходит мимо магнита, величина магнитного потока, проходящего через магнит и, соответственно, катушку, изменяется. Когда зуб находится вблизи датчика, магнитный поток максимален. Когда зуб проходит дальше, величина магнитного потока уменьшается. В результате вращающееся зубчатое колесо приводит к генерации изменяющегося во времени магнитного потока, который наводит в катушке соответствующее напряжение. Последующие электронные блоки обрабатывают этот сигнал, давая на выходе последовательность импульсов логического уровня. Временные параметры этих импульсов легко определить, также легко посчитать и количество самих импульсов. Интегральные интерфейсные схемы для работы с VR-датчиками обладают многими преимуществами по сравнению с другими решениями. Среди них повышенная стойкость к шумам и точная информация о фазах.

Точность, с которой необходимо управлять электродвигателями, зависит от системных требований. В некоторых приложениях, например в промышленных роботах или линиях розлива бутылок, требования к точности очень высоки. Скажем, ожидается, что сварочный робот будет работать с высокой скоростью и точностью. Аналогично, необходимо точно управлять электродвигателями на линии розлива, чтобы бутылки останавливались в нужных местах для наполнения, закручивания крышки и наклейки этикетки. Для точного управления электродвигателями следует получать информацию о скорости и направлении вращения и положении ротора. Эти данные можно получить с помощью аналоговых датчиков, таких как резольверы (круговые

датчики положения), сельсины, вращающиеся дифференциальные трансформаторы или поворотные потенциометры. Высокую точность обеспечивают энкодеры, например: оптические или на основе датчиков Холла. Энкодеры передают контроллеру информацию о приращении и/или об абсолютном значении угла поворота вала. Контроллер электродвигателя,

обычно алгоритмически реализованный на DSP-процессоре (процессор цифровой обработки сигнала), рассчитывает текущие значения скорости и угла поворота ротора. Он подстраивает силовые каскады привода так, чтобы эффективно и оптимальным образом добиться желаемого отклика. Для такого замкнутого управления с обратной связью требуется помехоустойчивая и надёжная информация от датчиков. Данные при этом обычно передаются от энкодера к контроллеру по длинным кабелям.

Инкрементная информация обычно передаётся контроллеру квадратурными сигналами, т. е. двумя сигналами, сдвинутыми по фазе на 90°. Это могут быть аналоговые (синус + косинус) или двоичные сигналы. Информация об

абсолютном положении, напротив, передаётся только потоком двоичных данных через последовательные интерфейсы.

Индукционные реле. В схемах торможения противотоком асинхронных электродвигателей широко применяют индукционное реле контроля скорости. С валом электродвигателя, угловую скорость которого необходимо контролировать, связывают входной вал реле 5, на котором установлен цилиндрический постоянный магнит 4.

При вращении электродвигателя поле магнита пересекает проводники короткозамкнутой обмотки 3 поворотного статора 6. В обмотке наводится ЭДС, величина которой пропорциональна угловой скорости вращения вала. Под ее воздействием в обмотке появляется ток и возникает сила взаимодействия, стремящаяся повернуть статор 6 в сторону вращения магнита.

При определенной частоте вращения сила возрастает настолько, что упор 2, преодолевая сопротивление плоской пружины, переключает контакты реле. Реле снабжено двумя контактными узлами: 1 и 7, которые переключаются в зависимости от направления вращения.

Рис.1 Индукционное реле контроля скорости.

Индукционное реле контроля скорости имеет довольно сложную конструкцию и низкую точность, которая может быть приемлемой только для грубых систем управления.

Тахогенераторы. Более высокая точность контроля скорости может быть получена с помощью тахогенератора — измерительной микромашины, напряжение на зажимах которой прямо пропорционально скорости вращения. Тахогенераторы используют в системах обратной связи регулируемого привода с большим диапазоном изменения скорости, и поэтому погрешность их составляет всего несколько процентов. Наибольшее распространение имеют тахогенераторы постоянного тока.

На рис. 2 показана схема реле контроля скорости электродвигателя М с применением тахогенератора G, в цепь якоря которого включено электромагнитное реле Ки регулировочный реостат R. Когда напряжение на зажимах якоря тахогенератора превысит напряжение срабатывания, реле производит переключение во внешней цепи.

Рис.2 Реле контроля скорости с тахогенератором.

С увеличением сопротивления цепи якоря точность работы схемы повышается. Поэтому иногда реле подключают к тахогенератору через промежуточный полупроводниковый усилитель. Возможно также использование для этой цели полупроводниковых бесконтактных пороговых элементов, обладающих стабильным напряжением срабатывания.
Надежность работы схемы может быть повышена, если тахогенератор постоянного тока заменить бесконтактным асинхронным тахогенератором.
Асинхронный тахогенератор имеет полый немагнитный ротор, выполненный в виде стакана. На статоре размещены две обмотки, находящиеся под углом 90° друг к другу. Одну из обмоток включают в сеть переменного тока. С другой обмотки снимают синусоидальное напряжение, пропорциональное частоте вращения ротора. Частота выходного напряжения всегда равна частоте сети.
В современных исполнительных электродвигателях постоянного тока тахогенератор встраивают в один корпус с машиной и устанавливают на одном валу с основным двигателем. Это уменьшает пульсации выходного напряжения и повышает точность регулирования скорости.
В электродвигателях серии ПБСТ обычно применяют тахогенераторы постоянного тока типа ПТ-1 с электромагнитным возбуждением. Высокомоментные электродвигатели постоянного тока имеют встроенный тахогенератор с возбуждением от постоянных магнитов.
В тех случаях, когда электродвигатель М постоянного тока тахогенератора не имеет, его скорость можно контролировать измеряя ЭДС якоря. Для этого используют схему тахометрического моста, который образован двумя резисторами: R1 и R2, якорем Rя и добавочными полюсами машины Rдп. Выходное напряжение тахометрического моста Uвых = U1 – Uдп , или
Uвых = (Rдп / Rдп + Rя) х Е = (Rдп / Rдп + Rя) х сω
Последнее равенство справедливо при условии постоянства магнитного потока электродвигателя. Включая на выходе тахометрического моста пороговый элемент, получают реле, настроенное на определенную угловую скорость вращения. Точность тахометрического моста невелика из-за непостоянства сопротивления щеточного контакта и нарушения равновесия при нагреве сопротивления.
Если электродвигатель постоянного тока работает на искусственной характеристике и в цепь якоря включено большое добавочное сопротивление, функции реле скорости может выполнить реле напряжения, включенное на зажимы якоря.
Напряжение на якоре электродвигателя Uя = E + IяRя.
Поскольку Iя = (U – Е) / (Rя + Rдоб), получим Uя = (Rдоб / (Rя + Rдоб)) х Е + (Rя / (Rя + Rдоб)) х U, то вторым слагаемым можно пренебречь и считать напряжение на зажимах якоря прямо пропорциональным ЭДС и скорости вращения электродвигателя.

Читайте также:  Диодные лампы в светильники дневного света

Рис.4 Контроль скорости с помощью реле напряжения

Очень простую конструкцию имеют центробежные реле скорости. Основанием реле служит пластмассовая планшайба 4, установленная на валу, скорость вращения которого необходимо контролировать. На планшайбе закрепляются плоская пружина 3 с массивным подвижным контактом 2 и неподвижный регулируемый контакт 1. Пружина выполнена из специальной стали, модуль упругости которой практически не зависит от изменения температуры.
При вращении планшайбы на подвижный контакт действует центробежная сила, которая при определенной скорости вращения преодолевает сопротивление плоской пружины и производит переключение контактов. Токоподвод к контактному узлу осуществляют через контактные кольца и щетки, которые на рисунке не показаны. Такие реле используют в системах стабилизации скорости микродвигателей постоянного тока. Несмотря на свою простоту, система обеспечивает поддержание скорости с погрешностью порядка 2%.

Рис.5 Центробежное реле контроля скорости

Датчики положения / частоты вращения

Hall Trigger

Датчики положения / частоты вращения на эффекте Холла применяются для определения частоты вращения и / или положения распределительного вала, коленчатого вала двигателя, что необходимо для синхронизации системы зажигания и впрыска топлива, а также применяются для измерения скорости движения автомобиля, что необходимо для управления режимом холостого хода двигателя.

Датчик Холла.

На бензиновых двигателях оборудованных классической системой зажигания датчик Холла установлен в корпусе распределителя зажигания.

На валу распределителя зажигания закреплены шторки из ферромагнитного материала, вращающиеся вместе с валом. Количество шторок равно количеству цилиндров двигателя (встречаются системы зажигания с одной шторкой в распределителе зажигания, дополнительно оборудованные датчиком положения / частоты вращения коленчатого вала).

Выходной сигнал датчика Холла может принимать один из двух уровней – высокий или низкий и зависит от наличия / отсутствия шторки в магнитном зазоре датчика.

При отсутствии шторки в магнитном зазоре датчика, напряжение выходного сигнала датчика соответствует низкому уровню – не более 0,2 V. При прохождении шторки через магнитный зазор датчика, напряжение выходного сигнала датчика соответствует высокому уровню. Значение напряжения высокого уровня определяется поступающим на датчик опорным напряжением.

Датчик генерирует синхроимпульсы синхронно прохождению шторок через магнитный зазор датчика. Форма осциллограммы напряжения выходного сигнала датчика Холла близка к меандру. Частота следования синхроимпульсов пропорциональна частоте вращения вала с ферромагнитными шторками.


Осциллограмма напряжения выходного сигнала исправного датчика Холла, встроенного в распределитель зажигания 4-х цилиндрового двигателя
при 960 RPM.

При повышении частоты вращения двигателя, частота следования синхроимпульсов также увеличивается.


Осциллограмма напряжения выходного сигнала исправного датчика Холла, встроенного в распределитель зажигания 4-х цилиндрового двигателя
при 2 880 RPM.

При проведении диагностики датчика Холла по осциллограмме напряжения выходного сигнала, наиболее важными участками синхроимпульсов являются низкий уровень синхроимпульса и его фронты. Форма осциллограммы высокого уровня синхроимпульса определяется качеством стабилизации опорного напряжения, подаваемого на вывод 0 датчика от блока управления двигателем или от коммутатора и при проведении диагностики датчика интереса не представляет. Встречаются самые разные значения опорного напряжения сигнала датчика Холла, но чаще всего встречаются значения 5 V, 8 V, 12 V. В последнем случае, подводимое к датчику опорное напряжение не стабилизировано вовсе, из-за чего форма осциллограммы высокого уровня синхроимпульса в таком случае может иметь значительные искажения, что не является неисправностью.

Проверка выходного сигнала датчика.

Для просмотра осциллограммы напряжения выходного сигнала датчика Холла, разъём осциллографического щупа должен быть подключен к аналоговому входу № 1 USB Autoscope II, чёрный зажим типа “крокодил” осциллографического щупа должен быть подсоединён к “массе” двигателя диагностируемого автомобиля, пробник щупа должен быть подсоединён параллельно сигнальному выводу датчика (клемма 0 разъёма датчика).


Схема подключения к датчику Холла.
1 – точка подключения чёрного зажима типа “крокодил” осциллографического щупа;
2 – точка подключения пробника осциллографического щупа.

В окне программы “USB Осциллограф”, необходимо выбрать подходящий режим отображения, в данном случае “Управление => Загрузить настройки пользователя => Hall”.

После подсоединения осциллографического щупа и выбора режима отображения осциллограмм “Hall” необходимо запустить двигатель диагностируемого автомобиля, а в случае, если запуск двигателя невозможен, прокрутить двигатель стартером.

В случае необходимости, осциллограмму можно записать. Для записи осциллограммы, в окне программы “USB Осциллограф”, необходимо выбрать “Управление => Запись”. Для остановки записи осциллограммы, в окне программы “USB Осциллограф”, необходимо выбрать “Управление => Запись”. После завершения записи, записанную осциллограмму можно детально изучить.

Типовые неисправности.

Если сигнал от датчика положения коленчатого вала поступает, но параметры выходного сигнала при этом имеют отклонения от нормальных, это может привести к подёргиваниям двигателя, провалам, затруднённому пуску двигателя или невозможности запуска двигателя.

В случае ослабления крепежа, датчик может несколько сместиться относительно своего нормального положения, что может привести к механическому повреждению датчика вращающимися шторками. Значительное механическое повреждение может привести к неработоспособности датчика. Запуск двигателя становится невозможным в случае, если при прокрутке стартером двигателя, оборудованного классической системой зажигания, от датчика Холла не поступают синхроимпульсы.

Вследствие сильного перегрева, из-за дефекта при изготовлении либо из-за кратковременного замыкания сигнального вывода датчика на цепи питания, выходной ключ датчика Холла может “подгореть”. Исправный датчик Холла должен обеспечивать значение напряжения низкого уровня выходного сигнала не выше 0,2 V. В случае “подгорания” выходного ключа датчика Холла, возникает зависимость значения напряжения низкого уровня выходного сигнала датчика от температуры корпуса датчика. В таком случае, пока двигатель холодный, датчик может вполне исправно работать.
Но когда корпус датчика нагреваться от деталей работающего двигателя до определённой температуры, двигатель внезапно глохнет. Пуск двигателя в таком случае становится невозможным до тех пор, пока корпус датчика Холла не остынет на несколько градусов.
На экране осциллографа дефект выходного ключа датчика Холла становится заметен сразу после начала роста температуры его корпуса и проявляется как постепенное увеличение значения напряжения низкого уровня выходного сигнала датчика.


Осциллограмма напряжения выходного сигнала неисправного датчика Холла, выходной ключ которого не обеспечивает должного значения напряжения низкого уровня. В данном случае, значение напряжения низкого уровня выходного сигнала датчика равно 1,1 V.

Выходной сигнал датчика Холла становится “невидимым” для блока управления двигателем (коммутатора) после того, как с ростом температуры корпуса датчика, напряжение низкого уровня сигнала увеличивается до критически высокого значения. Это значение зависит от особенностей устройства входных цепей сигнала от датчика Холла в блоке управления двигателем (коммутаторе) и может быть равным 0,25…3,5 V.

Неисправности предвыходного каскада электронной схемы датчика Холла могут вызвать “завал” фронтов синхроимпульсов выходного сигнала датчика


Осциллограмма напряжения выходного сигнала неисправного датчика Холла, предвыходной каскад которого не обеспечивает должной крутизны фронтов синхроимпульсов.

В случае “завала” фронтов синхроимпульсов выходного сигнала датчика Холла, пуск двигателя может быть несколько затруднён, работа двигателя может значительно ухудшиться из-за изменения угла опережения зажигания, максимальная частота вращения двигателя может быть сильно ограниченной.

Датчик скорости движения автомобиля.

Датчик скорости движения автомобиля устанавливается на коробке переключения передач.

Датчик генерирует постоянное число импульсов за каждый оборот колеса автомобиля, что позволяет блоку управления двигателем рассчитать текущую скорость движения автомобиля.

Сигнал от датчик скорости движения автомобиля служит для управления режимом холостого хода двигателя, а в некоторых моделях и для отображения на спидометре текущей скорости движения автомобиля.

Кроме перечисленных неполадок датчика Холла, случаются поломки вала датчика скорости движения автомобиля из-за чего сигнал от датчика не поступает. В случае поломки датчика скорости движения автомобиля, возможна неустойчивая работа двигателя на холостом ходу при движении автомобиля, при переключении передач двигатель может глохнуть.

Датчик положения распределительного вала (датчик фаз)
Camshaft Position Sensor.

Датчик положения распределительного вала двигателя позволяет блоку управления двигателем определить верхнюю мёртвую точку в конце такта сжатия первого цилиндра, что необходимо для синхронизации работы системы зажигания и подачи топлива с рабочим процессом двигателя.

Датчик генерирует один синхроимпульс за полный цикл работы двигателя (два полных оборота коленчатого вала). Это позволяет осуществить фазированный впрыск топлива – каждая форсунка впрыскивает топливо только один раз за два оборота коленчатого вала, за счёт чего улучшается точность дозирования подачи топлива и качество смесеобразования.

Поддержка пользователей
приборов USB Autoscope:

Загрузить последнюю
версию программы

4.4.9.74 beta4.4.9.7

Последнее обновление сайта

Наш e-mail: support@injectorservice.com.ua

Наш контактный телефон: +38 (068) 215 83 80

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Загрузка ...
Adblock
detector