Pastaraisiais dešimtmečiais mechaninius automobilių spidometrus pakeitė elektroninės greičio matavimo sistemos, kuriose svarbų vaidmenį atlieka greičio davikliai. Šiame straipsnyje aptariami greičio jutikliai, jų tipai, veikimo principai ir ryšys su impulsinio pločio moduliacijos (PWM) signalais, ypač atsižvelgiant į pavarų dėžės greičio jutiklių informaciją.
Kas yra greičio jutiklis?
Greičio jutiklis (automobilio greičio jutiklis, DSA) yra jautrus elektroninės transporto priemonės greičio matavimo sistemos elementas. Tai kontaktinis arba bekontaktis jutiklis, kuris matuoja veleno kampinį greitį pavarų dėžėje arba varančiosios ašies pavarų dėžėje ir perduoda matavimo rezultatus į transporto priemonės greičio reguliatorių arba spidometrą.
Atkreipkite dėmesį, kad straipsnyje aptariamas tik DSA, skirtas automobilio greičiui matuoti. Ratų greičio jutikliai, veikiantys kaip aktyviųjų saugos sistemų (ABS ir kitų) dalis, yra atskira tema.
Greičio jutiklių funkcinės sritys
Greičio jutikliai gali būti įvairių šiuolaikinės transporto priemonės sistemų dalis:
- Spidometras - matuoti ir rodyti esamą judėjimo greitį bei nuvažiuotą atstumą (naudojant odometrą);
- Įpurškimo, uždegimo ir kitos variklio sistemos - jėgos agregato darbo režimams koreguoti, atsižvelgiant į automobilio greitį ir jo pokyčius (greičio ir stabdymo metu);
- Aktyvios apsaugos ir signalizacijos sistemos - koreguoti automobilio greitį ir trajektoriją įvairiais režimais, perspėti apie galimai pavojingas situacijas ir pan.;
- Kai kuriuose automobiliuose - vairo stiprintuvas ir komforto sistemos.
DSA, kaip ir tradicinė spidometro kabelinė pavara, montuojama ant pavarų dėžės, skirstytuvo arba varančiosios ašies pavarų dėžės, sekdama antrinio ar tarpinio veleno kampinį greitį. Informacija, gauta iš jutiklio elektros signalų pavidalu, siunčiama į greičio reguliatorių arba tiesiai į spidometrą.
Greičio jutiklių funkcionalumas ir signalo generavimas
Greičio jutikliai, nepriklausomai nuo tipo ir konstrukcijos, generuoja signalus, kurie gali būti siunčiami arba tiesiai į spidometrą, arba į variklio valdiklį ir susijusius elektroninius valdymo blokus. Pirmuoju atveju jutiklis naudojamas tik vizualiai nustatyti transporto priemonės greitį. Antruoju atveju duomenis naudoja automobilių elektronika varikliui ir kitoms sistemoms valdyti, o signalas į spidometrą paduodamas iš valdiklio. Šiuolaikinėse transporto priemonėse vis dažniau naudojamas antrasis prijungimo būdas.
Išmatuoti greitį naudojant DSA yra gana paprasta. Jutiklis generuoja impulsinį signalą (dažniausiai stačiakampio formos), kuriame impulso pasikartojimo dažnis priklauso nuo veleno sukimosi greičio ir atitinkamai nuo automobilio greičio. Dauguma šiuolaikinių jutiklių sukuria nuo 2000 iki 25000 impulsų vienam kilometrui, tačiau dažniausiai naudojamas standartas yra 6000 impulsų vienam kilometrui (kontaktiniams jutikliams - 6 impulsai vienam jų rotoriaus apsisukimui). Taigi greičio matavimas sumažinamas iki valdiklio apskaičiuojamo iš DSA gaunamų impulsų pasikartojimo dažnio per laiko vienetą ir šios reikšmės vertimo į km/h.
Greičio jutiklių tipai
Greičio jutikliai skirstomi į dvi dideles grupes:
- Tiesiogiai varomi velenu arba kontaktiniai;
- Bekontakčiai.
Kontaktiniai greičio jutikliai
Pirmoji grupė apima jutiklius, į kuriuos pavaros pavara ir lanksčiu plieniniu trosu (arba trumpu standžiu velenu) perduodamas sukimo momentas iš pavarų dėžės veleno, ašies ar pavaros dėžės. Jutiklis suteikia įrenginį, kuris nuskaito kampinį veleno sukimąsi ir paverčia jį elektriniais impulsais. Šio tipo jutikliai yra plačiai naudojami, nes gali būti montuojami vietoje mechaninio spidometro pavaros ir yra itin patikimi. Kontaktiniuose įrenginiuose dažniausiai naudojamas Holo efektas ir magnetorezistyvinis efektas (MRE), taip pat optronai (optoelektroninės poros).
Kontaktiniai jutikliai, pagrįsti Holo efektu
Šio tipo jutikliai yra pagrįsti Holo efektu: jei plokščias laidininkas, per kurio dvi priešingas puses teka nuolatinė srovė, patenka į magnetinį lauką, tada kitose priešingose jo pusėse atsiranda elektros įtampa. DSA centre yra Hall lustas, kuriame jau yra integruota plokštelė (dažniausiai pagaminta iš permalloy) ir stiprintuvo grandinė. Jutikliuose mikroschema ir magnetas lieka nejudantys, o magnetinio lauko pasikeitimas vyksta dėl besisukančios „užuolaidos“ - žiedo su plyšiais. Žiedas yra prijungtas prie pavaros kabelio arba veleno, iš kurio jis sukasi. Išvesties signalas iš DSA siunčiamas į spidometrą arba valdiklį per standartinę jungtį, per kurią maitinimas tiekiamas Hall lustui.
Kontaktiniai jutikliai, pagrįsti magnetorezistiniu efektu
Šis DSA tipas pagrįstas magnetorezistiniu efektu - kai kurių medžiagų savybe pakeisti savo elektrinę varžą patekus į magnetinį lauką. Tokie jutikliai yra panašūs į Hall jutiklius, tačiau juose naudojami lustai su integruotu magnetorezistiniu elementu (MRE), pagrįstu puslaidininkinėmis medžiagomis. Dažniausiai šie jutikliai turi tiesioginę pavarą, magnetinio lauko keitimas atliekamas sukant žiedinį kelių polių magnetą, generuojamas signalas į valdiklį tiekiamas per standartinę jungtį.
Optoelektroniniai kontaktiniai jutikliai
Šie DSA yra paprasčiausios konstrukcijos, tačiau jie yra mažiau jautrūs ir inerciškesni nei aprašytieji aukščiau. Jutiklis yra pagrįstas optronu - šviesos diodu ir fototranzistoriumi, tarp kurių yra diskas su lizdais, prijungtais prie pavaros veleno. Kai diskas sukasi, šviesos srautas tarp LED ir fototranzistoriaus periodiškai nutrūksta, šie pertraukimai sustiprinami ir siunčiami į valdiklį impulsinio signalo pavidalu.
Bekontakčiai greičio jutikliai
Antroji grupė apima jutiklius, kurie neturi tiesioginio kontakto su besisukančiu velenu. Tokių jutiklių greičiui matuoti ant veleno sumontuotas pagalbinis įtaisas - pagrindinis diskas arba rotorius. Bekontakčiai įrenginiai tampa vis populiaresni, jie montuojami daugelyje dabartinių automobilių modelių. Nekontaktinių jutiklių centre plačiausiai naudojamas Holo efektas, o daug rečiau - MRE.
Nekontaktiniai jutikliai, pagrįsti Holo efektu
Nekontaktinis DSA yra pagrįstas tuo pačiu Holo efektu, tačiau jame nėra judančių dalių - vietoj to ant agregato veleno (greičių dėžės, ašies pavarų dėžės) yra rotorius arba impulsinis diskas su įmagnetintomis sekcijomis. Tarp jautrios jutiklio dalies (su Hall mikroschema) ir rotoriaus yra nedidelis tarpelis. Rotoriui sukant, mikroschemoje generuojamas impulsinis signalas, kuris standartine jungtimi siunčiamas į valdiklį.
PWM signalas ir jo taikymas
PWM arba „impulso pločio moduliavimas“ (dar vadinamas „impulso trukmės moduliacija“) yra moduliacinis valdymo signalas, lyginamas su analoginiu 0-10 VDC arba 0-20 mA signalu. Jis gali būti naudojamas norimam sukimosi greičiui siųsti į EC variklį arba kintamosios srovės ventiliatoriaus greičio valdymui. Kitas taikymo pavyzdys yra norimos padėties perdavimas sklendės pavarai.
Kaip veikia PWM signalas?
Jei PWM signalas yra ištisinis elektroninių impulsų signalas, kurį sudaro aukšta ir maža dalys, tai veikia taip:
- PWM signalo dažnis lemia vieno viso HIGH / LOW ciklo trukmę. Pavyzdžiui, 1000 Hz dažnis reiškia: kiekvieną sekundę PWM signalas skaičiuoja 1000 HIGH / LOW ciklų.
- Aukštosios dalies trukmės palyginimas su PILNU signalu (išreikštas procentais ir taip pat vadinamas „darbo ciklu“) nustato greitį, kuriuo turėtų veikti variklis ar ventiliatorius, arba, jei valdoma pavara, sklendės padėtį.
Pavyzdžiui, nuolatinės srovės (DC) variklio greitį galima valdyti PWM maitinimu. Reguliuojant impulso pločio moduliacijos (PWM) skverbtį (angl. Duty cycle), galima keisti variklio gaunamą energijos kiekį, kartu ir kuriamą jėgą.
PWM generatoriai ir jų pritaikymas
Norint generuoti PWM valdymo signalą, reikalingas maitinimas. Dauguma įrenginių su analoginiu išėjimu turi integruotą maitinimo šaltinį (3,3 VDC arba 12 VDC), tačiau tuo atveju, jei EC varikliui reikalingas PWM signalas su tam tikra amplitude, turėtų būti naudojamas išorinis energijos šaltinis. Šiuolaikiniai mikrokompiuteriai turi specialią techninę įrangą, reikalingą PWM generavimui.
PWM generatoriai yra universalūs įrenginiai, naudojami įvairiems elektroniniams projektams ir analoginių įtaisų, pvz., variklių ar ventiliatorių, valdymui. Jie gali turėti reguliuojamą skverbtį (impulso trukmę 0-100%) ir reguliuojamą dažnį (nuo 0,07Hz iki 200kHz ir daugiau).
Pavyzdžiai:
- PWM signalo generatorius 28V 3A (80W, 0-100% skverbtis).
- PWM signalo generatorius su SG3525 (100Hz-100kHz, 0-100% skverbtis).
- 16 kanalų PWM/Servo valdiklis su PCA9685 (valdo iki 16 servo variklių per I2C magistralę, kiekvienas PWM išėjimas valdomas 12 bit reikšmėmis).
- Dvikryptis variklio greičio reguliatorius 6-24V 3A (valdo greitį potenciometru ir sukimosi kryptį mygtukais).
PWM ir variklių valdymas
BLDC (bešepetėlių nuolatinės srovės) varikliai yra efektyvūs, pasižymintys geru valdymu ir ilgaamžiškumu. Jų rotorius yra nuolatinis magnetas, o ritė naudojama kaip statorius. Rotoriaus sukimasis valdomas keičiant aplink jį esančių ritių sukuriamo magnetinio lauko kryptį ir reguliuojant ritėmis tekančios srovės kryptį bei dydį. Šis valdymas atliekamas naudojant inverterio grandinę, kuri reguliuoja srovės vertę, keisdama kiekvienoje fazėje taikomą įtampą. Įtampai reguliuoti dažniausiai naudojamas PWM. Ilgesnis įjungimo (ON) laikas PWM cikle atitinka didesnę įtampą, o trumpesnis - mažesnę.
Mikro variklių, įskaitant reduktorinius variklius, greitį galima reguliuoti dviem būdais: nuolatinės srovės įtampos dydžiu arba sužadinimo magnetinio srauto reguliavimu. Tačiau siekiant tikslumo ir efektyvumo, PWM valdymas yra pranašesnis, nes leidžia tiksliai valdyti variklio sūkurių skaičių ir sukimo momentą, sumažinant energijos suvartojimą ir šilumos generavimą.
Greičio jutiklio gedimai ir jų keitimas
Sugedęs greičio jutiklis šiuolaikinėje transporto priemonėje gali būti įvairių problemų šaltinis - nuo duomenų apie judėjimo greitį ir nuvažiuotą atstumą praradimo (neveikia spidometras ir odometras) iki maitinimo bloko sutrikimo (nestabili eiga tuščiąja eiga, padidėjusios degalų sąnaudos, galios praradimas), vairo stiprintuvo ir apsaugos sistemų. Todėl, jei DSA sugenda, jį reikia kuo skubiau pakeisti.
Norėdami pakeisti, turėtumėte imti tik anksčiau automobilyje esantį jutiklį arba naudoti prietaisus iš tų, kuriuos rekomenduoja automobilių gamintojas. Jutiklio keitimas atliekamas pagal konkrečios transporto priemonės instrukcijas. Tiesioginės pavaros DSA dažniausiai turi sriegį iki galo ir šešiakampį, todėl juos pakeičiant reikia išsukti seną įrenginį ir įsukti naują. Nekontaktiniai jutikliai paprastai tvirtinami vienu arba dviem varžtais. Visais atvejais visi darbai turi būti atliekami nuėmus akumuliatoriaus gnybtą, prieš demontuojant jutiklį būtina atjungti elektros jungtį, o prieš montuojant naują - išvalyti jo montavimo vietą.
Sunkiau pakeisti bekontakčių jutiklių rotorių - tam reikia iš dalies išardyti agregatą (dėžutę, tiltelį) ir tada atlikti remonto darbus pagal instrukcijas. Teisingai pasirinkus ir pakeitus greičio jutiklį, spidometras ir įvairios automobilio sistemos (taip pat ir variklis) iškart pradeda veikti, užtikrindamos saugų ir patogų transporto priemonės valdymą.
tags: #pavaru #dezes #greicio #jutiklio #pwm #signalas