CC BY
253
УДК 62-59:629.113.001.2
АНАЛИЗ ДАТЧИКОВ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ КОЛЕС АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
Л.А. Рыжих, к.т.н., профессор, А.А. Чебан, аспирант,
С.В. Тишковец, ассистент, А.Н. Красюк, аспирант, ХНАДУ
Аннотация. Приводится анализ способов измерения скорости и колесных датчиков угловой скорости колеса. Показана актуальность данной темы на сегодняшний день и предложены наиболее эффективные, с точки зрения авторов, способ измерения скорости и виды датчиков угловой скорости колеса.
Ключевые слова: антиблокировочная тормозная система, датчик угловой скорости, импульсное колесо, индуктор.
Введение
Антиблокировочная система (АБС) (рис. 1) -автоматическая тормозная система, предназначенная для исключения вероятности блокирования колеса или группы колес при торможении и обеспечения вне зависимости от условий торможения такого их относительного движения, при котором создается оптимальное сочетание эффективности торможения и устойчивости автотранспортного средства (АТС) [1].
Рис. 1. Схема АБС: 1 - тормозной кран; 2 -модулятор АБС; 3 - тормозная камера; 4 - тормозной механизм, 5 - импульсное колесо (индуктор); 6 - датчик угловой скорости; 7 - электронный блок управления (ЭБУ)
Анализ публикаций
Начиная с первых прототипов АБС 1969 года [2] и до сегодняшних промышленных образ-
цов мировых производителей (BOSH, WABCO, Knorr-Bremse) [2, 3], в АБС регулирование осуществляется по сигналам с колесных датчиков угловой скорости. Колесные датчики АБС подвержены вибрациям, ударам, влиянию агрессивных сред, низких (- 60 °С) и высоких (+120 °С) температур. Следовательно, эти датчики должны быть устойчивыми к воздействию перечисленных факторов, кроме того, быть дешевыми, простыми в эксплуатации, а в случае выхода из строя - легко монтироваться и демонтироваться.
Цель и постановка задачи
Для обеспечения высокого качества регулирования в АБС требуется измерять угловую скорость вращения колёс с высокой частотой и минимальным количеством ошибок. Частота измерения угловой скорости зависит от числа импульсов, выдаваемых за один оборот импульсного колеса, что напрямую зависит от конструкции комбинации датчик -импульсное колесо. Цель работы - анализ существующих датчиков угловой скорости и выбор датчика для использования в АБС.
Способы измерения скорости колеса
Выбор датчика необходимо производить с учетом способа измерения скорости. Большинство датчиков выдает электрический сигнал, частота которого пропорцио-
нальна угловой скорости колеса. Скорость колеса определяется по частоте или периоду импульсов, выдаваемых колёсным датчиком. Сигнал датчика предварительно усиливается, чтобы амплитуда и форма импульсов была приемлемой для срабатывания схемы измерений. Существует несколько способов измерения угловой скорости [4].
Первый способ - аналоговый (рис. 2).
+
б
АГ 1
1
и
R3
шедших за счетный интервал, и повышается с увеличением этого интервала. С уменьшением скорости число импульсов за счетный интервал уменьшается, что приводит к падению точности измерения. Для получения точности измерений 5 % нужно, чтобы на минимальной скорости, при которой работает антиблокировочная система, за счетный интервал мимо датчика проходило 20 зубьев. При длине динамической окружности колеса 3,14 м, числе зубьев индуктора 100 и минимальной скорости 5 км/ч (3,9 м/с) получаем время измерения ~ 0,25 с. Учитывая, что время полного блокирования колеса составляет около 0,1 с, данный способ измерения неприемлем для АБС.
а
Рис. 2. Функциональная схема аналогового способа измерения скорости
Импульсы поступают на вход «а» после предварительного усиления и запускают автогенератор АГ, формирующий по переднему фронту (началу) входного импульса короткий выходной импульс фиксированной амплитуды и длительности «б». Данные импульсы управляют ключом на транзисторе и сопротивлении R1. Во время отсутствия импульса ключ закрыт и конденсатор С медленно заряжается через сопротивление R3. Время заряда, а значит и напряжение, до которого успевает зарядиться конденсатор, зависит только от периода импульсов. Импульс автогенератора открывает ключ, и конденсатор разряжается через диод и сопротивление Я2. Так как время импульса фиксировано, то конденсатор успевает разрядиться на одну и ту же величину. Таким образом, среднее напряжение на конденсаторе обратно пропорционально периоду импульсов. Преимущество данного способа измерения частоты состоит в том, что измеряемый период колебаний усредняется за несколько импульсов и уменьшается вероятность ошибки. Недостатком способа является слишком медленная реакция на резкое изменение частоты и как следствие большое время измерения.
Второй способ - подсчёт числа импульсов, выдаваемых датчиком за фиксированный интервал времени (счётный интервал). При этом способе в измерении участвуют несколько импульсов и ошибки, связанные с неточностью изготовления кодового колеса, компенсируются. Дискретизация измерения определяется количеством импульсов, при-
Третий способ - измерение периода прохождения зуба кодового колеса мимо датчика. Этот способ похож на предыдущий, но счётный интервал формируется импульсами датчика и заполняется импульсами фиксированной частоты. Количество импульсов заполнения подсчитывается измерительной схемой. Скорость колеса подсчитывается по формуле
где Rd - динамический радиус колеса, Z -число зубьев импульсного колеса; Т - период импульсов датчика, определённый по количеству импульсов заполнения. Это наиболее быстрый способ измерения скорости, но так как измеряется длительность только одного импульса, требуется высокая точность изготовления импульсного колеса. При отсутствии сигнала схема не может окончить счёт импульсов заполнения, поэтому требуется искусственно ограничить время счёта максимальной длительностью импульса с датчика. При превышении этого времени формируется сигнал ошибки, который может быть расценен либо как полная остановка колеса, либо как выход датчика из строя. Данный способ оптимально подходит для систем АБС, так как обеспечивает минимальное время измерения скорости и зависит только от числа зубьев импульсного колеса и скорости движения.
Выбор числа зубьев импульсного колеса зависит от присоединительных (установочных) размеров, связанных с радиусом ступицы колеса, который ограничивает размеры
импульсного колеса. Но основное ограничение на количество зубьев накладывается минимальной шириной зуба и впадины, которые способен воспринять датчик. Частота ошибок определяется помехоустойчивостью датчика. Ошибки могут быть частично отфильтрованы при обработке результатов измерений в режиме реального времени, например, по признаку слишком резкого изменения значения скорости или недопустимого значения скорости, но это вызывает «провалы» в данных, используемых для регулирования.
Анализ датчиков
Обзор существующих конструкций датчиков скорости был проведен на основе их принципов работы. Для сравнительного анализа датчики были сгруппированы по следующим типам (рис. 3).
Датчики угловой скорости
Магнитодинамические Индуктивные Оптоэлектронные
& 2
рин
и ь
ю
<
направления вращения, но возрастают габариты датчика.
Рис. 3. Виды датчиков угловой скорости
Рис. 4. Схема и выходной сигнал ИДС
Преимущества ИДС: 1) амплитуда сигнала соответствует напряжению питания схемы (8 - 30 В); 2) схема усиления сигнала встроена прямо в датчик; 3) высокая помехоустойчивость (уровень сигнала значительно выше уровня помехи); 4) малые габариты и вес датчика. Недостатки ИДС: 1) точность измерения периода одного сигнала определяется частотой генератора датчика (при частоте 500 кГц погрешность составляет 210-6 с);
2) датчик содержит полупроводниковые элементы, чувствительные к высоким температурам.
Магнитодинамические датчики На сегодняшний день существуют магнитодинамические датчики двух типов [2, 3]: с разомкнутым и замкнутым магнитными потоками.
Индуктивный датчик скорости (ИДС)
ИДС представляет собой LC генератор (рис. 4). Катушка генератора содержит 30-70 витков. Частота генератора зависит от индуктивности катушки, сердечник которой используется в качестве чувствительного элемента. При прохождении зуба импульсного колеса вблизи чувствительного элемента, резко возрастает индуктивность катушки и происходит срыв генерации, что вызывает увеличение тока, потребляемого схемой генератора, и является выходным сигналом датчика. Выходной сигнал (рис. 5) представляет собой прямоугольные импульсы с амплитудой приблизительно равной напряжению питания схемы. Низкий уровень соответствует наличию зуба, высокий уровень - отсутствие зуба.
При объединении в одном корпусе двух датчиков появляется возможность определения
Датчик с разомкнутым магнитным потоком (рис. 5) представляет собой катушку с магнитным сердечником. При проходе зубьев индуктора вблизи сердечника датчика изменяется магнитный поток через катушку [4]. При этом в ней создаётся переменное напряжение, период которого равен периоду прохождения зубьев. Для получения сигнала приемлемого уровня катушка содержит от 10 до 15 тыс. витков.
Рис. 5. Схема магнитодинамического датчика с разомкнутым магнитным потоком и его выходной сигнал
Преимущества: датчик содержит только катушку и магнит, поэтому может выдерживать большие ускорения, вибрацию и нагрев. Недостатки: 1) малый уровень сигнала (порядка 0,1 В), который зависит от зазора между датчиком и импульсным колесом и частоты сигнала (частоты прохождения зубьев). Уровень выходного сигнала при частоте, ниже некоторой граничной, недостаточен для срабатывания входной схемы; 2) низкая помехоустойчивость (уровень помехи сравним с уровнем полезного сигнала); 3) чувствительность к внешним магнитным полям; 4) требуется точная установка датчика относительно импульсного колеса и точная установка импульсного колеса. Поскольку от величины магнитного зазора зависит уровень выходного сигнала, датчик используется для контроля установки импульсного колеса: измеряется амплитуда сигнала за полный оборот колеса и определяется минимальный и максимальный уровень сигнала. Если они значительно отличаются, то индуктор установлен с биением. Датчики с замкнутым магнитным потоком имеют схожую конструкцию, но к импульсному колесу выведены оба полюса магнита. При такой конструкции зубья индуктора периодически замыкают магнитное поле датчика. Магнитное поле, проходящее через катушку, изменяется сильнее, чем в датчике с разомкнутым магнитным потоком, поэтому можно применять
катушки с меньшим количеством витков, или получить сигнал большей амплитуды. Недостаток - форма и амплитуда импульсов значительно зависят от зазора между датчиком и индуктором и геометрии зубьев индуктора.
В последнем случае датчик выдает искажённый сигнал, который может быть понят ЭБУ как сигнал с двумя периодами. При первом и втором способе измерения это не существенно, но при измерении периода импульсов (третий способ) будут получены неверные значения. Избавиться от данного недостатка можно разделив частоту сигнала датчика на два, но для получения тех же временных характеристик требуется индуктор с вдвое большим числом зубьев.
На рис. 6 показаны схема датчика и формы его сигналов: а) сигнал в идеальных условиях; б) увеличенный или уменьшенный зазор; в) геометрия зуба не соответствует расстоянию между полюсами.
Рис. 6. Схема магнитодинамического датчика с замкнутым магнитным потоком и его выходной сигнал
К подобным датчикам можно отнести датчики Холла. Они представляют собой магнитный датчик, в качестве чувствительного элемента которого используется полупроводник, чувствительный к магнитному полю. Чувствительный элемент обычно объединён в один корпус со схемой предварительного усиления, от которой зависят параметры выходного сигнала. Достоинства - датчик может иметь малые габаритные размеры. К недостаткам можно отнести высокую стоимость. Основной недостаток магнитных датчиков заключается в том, что на них накапливаются металлические частицы (продукты износа), влияющие на их работу.
Оптоэлектронный датчик импульсов На сегодняшний день существуют оптоэлектронные датчики двух видов [5]: инкрементальные и абсолютные.
Инкрементальные датчики
Рис. 7. Градуировочный диск инкрементального оптоэлектронного датчика
При вращении оси датчика, с помощью градуированного диска (рис. 7), который расположен перед источником света и фотоприёмником, генерируются импульсы. Ширина градуировок на диске составляет примерно
0,1 мм. Разрешение, т.е. количество импульсов на оборот соответствует числу градуировок на диске. Частота импульсов соответствует скорости вращения датчика.
Абсолютные датчики
Рис. 8. Градуировочный диск абсолютного оптоэлектронного датчика
В данном типе датчика градуировочный диск (рис. 8) сделан из концентрической сети трасс. Если рассматривать от центра, то каждая трасса содержит вдвое больше количество градуировок в отличие от предыдущей. Каждая трасса соответствует цифровой битовой комбинации, которая может быть закодирована в код Грея, двоичный код или BCD. При применении абсолютного датчика с десятью трасами выдаётся двоичный код значения угла поворота в диапазоне 0 - 1023. Цифровая обработка этого сигнала может дать 1024 импульса за 1 оборот датчика. При этом можно измерять скорость его вращения по углу поворота и времени поворота. Датчики имеют диапазон рабочих температур - 40 +105 и класс защиты IP65. Преимущества оптоэлектронных датчиков заключаются в следующем: 1) уровень сигнала 5в; 2) градуировка на диске может быть очень мелкой, вследствие чего можно уменьшить габариты датчика и/или увеличить количество импульсов за оборот. К недостаткам можно отнести: 1) чувствительность датчика к загрязнению (конструкция датчика должна быть герметична); 2) при применении датчиков рассмотренной конструкции входной вал датчика должен иметь отдельный привод.
Датчики с аналоговым выходным сигналом (сельсин, синхронный генератор, и т.д.) не рассматриваются из-за сложности обработки сигнала и низкой точности.
Выводы
Анализ способов измерения угловой скорости показывает, что наиболее приемлемым в автомобильных системах АБС является способ измерения периода прохождения зуба кодового колеса мимо датчика.
На сегодняшний день магнитодинамические датчики получили наибольшее распространение из-за своей простоты и надежности. ИДС реже применяются, хотя обладают рядом преимуществ, таких как большая чувствительность и помехоустойчивость. Они менее требовательны к точности установки и не имеют постоянного магнитного поля. Количество зубьев импульсного колеса (индуктора) определяет количество замеров скорости колеса за один оборот. Так как магнитодинамические датчики и ИДС способны воспринимать зубья определённого размера, их число ограничено допустимыми габаритами импульсного колеса. Возможно, для улучшения качества регулирования потребуется применение импульсных колёс с большим числом зубьев. Одно из возможных реше-ний -применение оптических датчиков.
Литература
1. ДСТУ UN/ECE R 13-09:2002. Единооб-
разные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств категорий М, N и О в отношении торможения. - Введен впервые; Введ. 24.07.2002. - К.: ДержавтотрансН-Д1проект, 2002. - 324 p.
2. A Division WABCO Standard GmbH. Vario
Compact ABS System documentation. 2002 edition. - 47 p.
3. A Division Knorr-Bremse AG. Brake control
and Chassis Management. Centers of competence. 2002 edition. - 53p.
4. Гируцкий О.И., Есиновскийз-Лашков Ю.К.,
Поляк Д.Г. Электронные системы управления агрегатами автомобиля. -М.: Транспорт, 2000. - 213 с.
5. Соснин Д.А., Яковлев В.Ф. Новейшие ав-
томобильные электронные системы. -М.: СОЛОН-Пресс, 2005. - 240 с.
Рецензент: А.В. Бажинов, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 10 апреля 2007 г.
