Магнитные датчики угла поворота со встроенным валом

Возможно, вам также будет интересно

Статья знакомит читателя с особенностями функционирования и применения программируемых магнитных датчиков угла поворота производства компании austriamicrosystem на примере микросхемы AS5030 из обновления линейки абсолютных магнитных энкодеров. Приведены основные технические характеристики ИС, представлены функциональные и временные диаграммы, схемы подключения датчика к микроконтроллеру, а также перечислены основные факторы, влияющие на точность ИС. Угловой энкодер — это одно

Подпружиненные контакты Smiths Interconnect Компания Smiths Interconnect является лидером в создании подпружиненных контактов и экспертом в области разработки соединителей на их основе. Применение таких контактов позволяет проектировать конструкции с компактной высотой соединения и высокой точностью сопряжения. Надежная конструкция подпружиненных контактов обеспечивает длительный срок работы соединителей и их стабильность при различных внешних воздействующих факторах: удары, вибрации,

Фирма HOLTEK ради удешевления конечного продукта взяла за правило выпускать микросхемы не только в традиционных корпусах, но и в бескорпусном варианте.

Инкрементальные энкодеры

На основе тех же рабочих и вычислительных принципов абсолютного магнитного энкодера может быть сформирован любой инкрементальный интерфейс (рис. 34–35).

Примерами чисто инкрементальных энкодеров являются AS5021/AS5023 и AS5035. Инкрементальный интерфейс поддерживается в AS5040, AM256/512 и IC-MA. Например, в AS5040 (рис. 36) существует три инкрементальных режима, формируемые на выводах 3 (A_LSB_U), 4 (B_Dir_V) и 6 (Index_ W):

• Квадратурный A/B (стандартный двухканальный режим).
• Режим одноканального энкодера на выводе 3 (512 импульсов или 1024 изменения положения за оборот, что эквивалентно изменению младшего бита LSB (least significant bit) абсолютного значения). Вывод 4 в этом режиме обеспечивает информацию о направлении вращения.

Оба режима обеспечивают индексный сигнал (1 импульс за вращение) с регулируемой шириной в один или три бита, что также программируется.

Режим коммутации бесщеточных двигателей постоянного тока с одной или двумя парами полюсов.

Выполнение ремонта датчика

Ну вот, датчик у меня в руках. Поскольку оригинальный стоит около 13000 рублей, а контрактный около 5000, я решил попробовать отремонтировать свой. Для этого мне понадобилась маленькая, крестовая отвертка (как у часовщиков).

Аккуратно открутив мелкие шурупы по периметру, я располовинил датчик. Получил диск с медными дорожками и крышку с четырьмя контактами.

Как выяснилось, слабое место таких датчиков, это контакты. Так случилось и в моем случае. Два из четырех были совсем стерты.

Вооружившись паяльником и мелкой, медной проволочкой, я как смог восстановил контакты. Паяльник не нужен мощный, да и жало желательно тонкое. Убрал всю грязь и пыль. Затем аккуратно собрал датчик обратно.

Датчик частоты вращения входного вала (входной сокрости) АКПП: назначение, неисправности, ремонт

Среди различных датчиков, которые тесно взаимодействуют с ЭБУ коробкой автомат и могут быть причиной неисправностей, следует отдельно выделить датчик входного и датчик выходного вала АКПП. Если говорит о датчике входной скорости АКПП, его задачей является диагностика неполадок, управление моментами переключения передач, регулировка рабочего давления, а также выполнение блокировки гидротрансформатора (ГДТ).

В двух словах, датчик передает на блок управления показания (сигналы постоянного или переменного тока). Сам сигнал напряжения этого датчика является пропорциональным частоте вращения входного вала коробки.

Признаками того, что датчик входной скорости АКПП вышел из строя или работает некорректно, является заметное ухудшение динамики автомобиля, плохой и слабый разгон, загорание «чека» на панели приборов или переход коробки автомат в аварийный режим.

В такой ситуации многие водители считают, что причиной является низкое качество топлива, неисправности системы питания двигателя или загрязнение трансмиссионного масла.

При этом следует учитывать, что вместо чистки инжектора или замены масла в коробке автомат может быть необходима углубленная диагностика АКПП или проверка датчика частоты вращения входного вала коробки.

Зачастую датчик выходит из строя не сразу, а постепенно. Другими словами, периодически может моргать лампа HOLD или A/T, причем если остановить автомобиль, перевести коробку из режима «D» в «N», заглушить и завести двигатель, проблема может исчезнуть на какое-то время. Во время диагностики определяется ошибка P0715 (неисправность в цепи датчика частоты вращения входного вала КПП).

Если же аварийная лампа горит/моргает постоянно, коробка упала в аварию (включается только 3-я передача, переключения жесткие, заметны рывки, толчки, машина не разгоняется), тогда нужно проверить датчик входного вала.

Указанная проверка зачастую позволяет быстро определить проблему, особенно если она связана с работой датчика частоты вращения вала АКПП. Кстати, в большинстве случаев некорректно работающий датчик входной скорости АКПП нужно менять на новый или заведомо исправный.

Как правило, хотя датчик является надежным и достаточно простым электронным устройством, в процессе эксплуатации могут возникать неполадки. Неисправности в этом случае обычно сводятся к следующим:

• Поврежден корпус датчика, имеются дефекты, возникли проблемы с его герметизацией. Обычно корпус может повреждаться в результате значительных перепадов температур (высокий нагрев и сильное охлаждение) или механического воздействия. В этом случае нужна замена на новый элемент.
• Сигнал от датчика не постоянный, проблема плавающая (сигнал пропадает и снова появляется). В такой ситуации возможны как проблемы с проводкой, так и окисление/повреждение контактов в корпусе датчика. Если это так, в ряде случаев датчик можно не менять. Чтобы отремонтировать неисправный элемент, нужно разобрать сам корпус, выполнить чистку контактов (при необходимости пайку), после производится обжимка контактов, изолирование и т.д.

Чтобы провести диагностику без сканера, для начала изучается мануал, чтобы точно определить место установки датчика и его рабочие параметры. На многих автомобилях достаточно снять АКБ, корпус воздушного фильтра, после чего появляется доступ к датчику (может быть расположен на корпусе вблизи подушки АКПП).

Затем нужно снять датчик и проверит его при помощи мультиметра, сравнив показания с теми, которые указаны в мануале. Если заметны отклонения от нормы, выполняется замена или ремонт датчика входного вала АКПП.

Принцип работы

Как уже я писал, устройство фиксирует количество оборотов вала после переключения на одну из передач АКПП. Процесс работы датчика Холла таков:

1. Во время работы электромагнитный датчик создает особое электромагнитное поле.
2. Когда через датчик проходит выступ колеса или зуб шестеренки, установленного в нем «импульсного колеса», это поле изменяется.
3. Начинает действовать так называемый эффект Холла. Иными словами, образуется электрический сигнал.
4. Он преобразуется и поступает в электронный блок управления АКПП.
5. Здесь считывается компьютером. Низкий сигнал – это впадина, а высокий – выступ.

Факторы, влияющие на точность измерений угла

Скорость вращения магнита влияет на точность измерения угла, так как для получения результатов измерения необходимо время, в течение которого вращающийся магнит займет новое положение. Поэтому для минимизации погрешности, возникающей при вращении магнита, необходимо обеспечить минимальные задержки в цепи от массива элементов Холла до выходного интерфейса. Для оцифровки аналогового сигнала, поступающего от массива элементов Холла, в AS5030 установлен быстродействующий АЦП с временем выборки 1,15 мкс, однако из за наличия низкочастотного фильтра на входе АЦП появляется дополнительная задержка 15,6 мкс, вносящая погрешность при определении угла. При увеличении скорости вращения магнита ошибки определения угла увеличиваются линейно (табл. 2).

Таблица 2. Значение ошибок, возникающих при вращении магнита

В идеале центр магнита, диагональный центр микросхемы и ось вращения должны находиться на одной вертикальной линии, однако на практике этого добиться сложно. При отклонении ±0,25 мм центра магнита от диагонального центра микросхемы погрешность измерения угла поворота, с учетом ошибок квантования, составит ±1,4° (рис. 14).

Расстояние магнита до корпуса микросхемы может меняться, при этом цепь автоматической регулировки усиления (АРУ) в составе ИС будет компенсировать изменение уровня сигнала на выходе массива элементов Холла.

Константа АРУ будет стремиться к нулю при уменьшении дистанции до магнита, то есть если магнит будет расположен очень близко к микросхеме или магнитное поле будет сильным (рис. 15). В случае, если магнит будет расположен далеко от микросхемы или магнитное поле будет очень слабым, константа АРУ примет значение 63 (3F_H).

Рис. 15. Значение константы АРУ и линейность в зависимости от дистанции магнита BMN-35H до микросхемы

На очень коротких дистанциях от 0 до 0,1 мм точность будет хуже за счет неравномерности распределения магнитного поля. На дистанциях от 2,0 до 2,5 мм, за пределами диапазона АРУ, точность будет очень высокой, и лишь слегка меньше номинальной за счет ослабления магнитного поля. Производитель рекомендует поддерживать величину магнитного поля в «зеленом» диапазоне (45–75 мТл), то есть поддерживать дистанцию в пределах от 0,5 до 1,8 мм при использовании рекомендуемого магнита (AS5000 M1), но она может быть увеличена при применении более сильного магнита.

Серия магнитных энкодеров AS5000 изначально разрабатывалась для работы в расширенном диапазоне температур окружающей среды, влияние которого позволяет устранить синусно-косинусный принцип измерения угла, но, так как в составе микросхемы имеются аналоговые цепи, нельзя полностью игнорировать изменение температуры.

Тестовые испытания показали, что датчик обеспечивает высокую точность во всем диапазоне рабочих температур от –40 до +125 °С, и только вблизи экстремальных температурных точек, особенно вблизи –40 °C, дополнительная погрешность измерения угла может составить ±0,4°.

Итак, перечислим преимущества магнитных энкодеров, таких как AS5030:

• энкодер на одном кристалле;
• не требуется калибровка;
• идеально подходит для применения в неблагоприятных условиях окружающей среды;
• высокая надежность благодаря отсутствию движущихся частей;
• устойчивость к разъюстировке, изменению температуры окружающей среды или присутствию внешнего магнитного поля.

Монтаж и подключение датчиков поворота

Как правило, энкодеры устанавливают на валах, с которых нужно считывать информацию. Чтобы компенсировать различия в размерах, используют переходные муфты

Важно прочно закрепить корпус датчика при монтаже

Чаще всего угловые энкодеры работают вместе с контроллерами. Преобразователь подключают к нужным выходам. Затем программа определяет положение объекта в текущий момент, его скорость и ускорение.

Варианты подключения

В самом простом варианте, энкодер подключают к счетчику, запрограммированному измерять скорость.

Однако чаще работа энкодера осуществляется вместе с контроллером. Примером служат датчики поворота на валах двигателей, совмещающих какие-либо детали между собой. С помощью вычислений на основе поступающих данных, система отслеживает зазор между деталями. Когда достигнуто некоторое минимальное значение, совмещение деталей останавливается, чтобы их не повредить.

Другой случай — подключение энкодеров на двигателях с частотными преобразователями, где они служат элементами обратной связи. Здесь принцип того, как подключить устройство, еще проще. Датчик угла поворота подключается к ним с помощью платы сопряжения. Это позволяет точно поддерживать скорость и момент двигателя.

При использовании самодельного энкодера, сделанного своими руками, способ подключения может быть другим. Желательно проверить оба перечисленных варианта, доведя устройство до исправной работы.

После подключения желательно проверить все мультиметром.

Установка отремонтированного датчика

После установки датчика, внимательно проверьте соединение клеммы. Пропустите провод так, чтобы он ничего не цеплял.

Дальше можно собирать. Собираем все в обратном порядке. Главное не торопитесь, делайте все аккуратно, чтобы потом не переделывать. Убедитесь, что контрольная лампа гаснет, как и все остальные.

Для меня было приятной новостью, когда все заработало. Если честно думал, что все бесполезно и придется покупать новый датчик. Кстати сказать, эти датчики довольно хрупкая вещь, даже производители советуют их менять не реже чем 20 т. километров пробега.

Итак, все собрано и работает, осталось только откалибровать датчик. Калибровка, это настройка правильной работы и соблюдение всех технических параметров датчика.

Для меня стало новостью, что калибровать датчик положения руля необходимо периодически, а не только по необходимости. После любых работ с передней подвеской, при замене колес на другой диаметр, в случае если машина с большим пробегом, калибровка датчика руля обязательна.

Я не имея навыков и должных знаний, а главное специального программного обеспечения, эту работу доверил специалистам. Благо хороших автоэлектриков, в наше время, достаточно. Приехал, подключили компьютер, полчаса и готово.

За время работы по ремонту датчика положения руля, я понял как незначительная поломка, может сказаться на поведении автомобиля. Ведь в современных машинах, опираясь на показания именно этих датчиков, работают все вспомогательные функции. Такие как: автопилот, удержание в полосе, включение интеллектуального привода и тому подобные.

Управляя полностью исправным автомобилем, не только получаешь удовольствие, но и понимаешь, насколько он безопасен.

Подключение AS5030 к микроконтроллеру используя ШИМ-выход

Для сокращения линий, соединяющих AS5030 с микроконтроллером, можно использовать однопроводное соединение. Информация об угле кодируется с помощью широтноимпульсной модуляции. Это подключение требует минимального количества выводов, только одна шина используется для данных, а общее количество линий составляет три, включая шину питания (рис. 7). Режим работы в экономичном режиме невозможен, так как в этой конфигурации AS5030 не может получить команду, переводящую ее в этот режим. Невозможна и двунаправленная передача данных.

Рис. 7. Схема подключения AS5030 с использованием ШИМ-выхода

В случае получения ошибочных данных об угле поворота на выводе PWM устанавливается низкий уровень (рис. 8). Значение угла может быть рассчитано по формуле

Рис. 8. Временная диаграмма ШИМ

Теория vs практика

Народная пословица намекает, что лучше один раз увидеть, нежели сто раз услышать

Для эксперимента понадобится:

— Три руля (на трех видах датчиков – резисторный, оптический и магнитный) — Программа JoyTester (для наглядно отображения данных, полученных от контроллера руля и педалей) — Чемпион мира 2006-ого года по игре в NFS —Алан Енилеев

Итак, сначала были взяты три руля, которые были последовательно подключены к компьютеру. Играть пока не будем – просто небольшие полевые испытания в программе JoyTester. Эта программа в координатной плоскости рисует линии, соответствующие углам поворота руля или степени нажатия педалей.

Датчик на потенциометре

Начнем с того, что руль совершенно не обрабатывает небольшие отклонения руля вправо и влево, которые совершаются непосредственно вблизи «центра координат». Те самые мертвые зоны, о которых я говорил. Т.е. если вы несетесь в игре по прямой, то можно не делать вид матерого водилы, который небольшими поворотами держит полный контроль над дорогой ) Говоря проще, игра не заметит ваших стараний ) Мало того, без внимания остаются движения, которые совершаются в максимальных углах поворота. Из-за этого у многих людей складывается впечатление, что все рули и игры с рулями – фигня. Мол крутишь баранку, а машине хоть бы хны. Это сильно бьет по самолюбию действительно опытных автомобилистов

Еще один всплывший недостаток – нелинейность. Т.е. разница между реальным углом отклонения игрового устройства и данными, переданными игре.

Педали – это тоже что-то. Все начинается с того, что педали не обрабатывают мертвую зону в самом начале, а она составляет ни много, ни мало – примерно 30% от всего диапазона (15-30 градусов). Те же 30% составляет мертвая зона в конце того диапазона, который предлагает комплект. Итого в нашем распоряжении есть всего 40 процентов от полного хода педалей.

Результат – мы жмем тапку в пол, а игра смотрит на это и откровенно ржот ) Соответственно, вы не сможете точно «дозировать» газ и тормоз – нажимая педаль на 70%, игра будет принимать их за все 100. Куда это годится? )

Оптический датчик

Тут уже все лучше. Во-первых, нет мертвых зон, во-вторых, точность намного выше. Данные поступают плавно, «ступенек» нет. Немного напрягают ясно ощущающиеся при вращении руля зубчики шестеренок редуктора, но к ним быстро привыкаешь.

Но… рули на оптических датчиках комплектуются педалями на резисторах ) Педали из комплекта:

Данные поступают рывками (явно видны ступеньки), в начале и в конце большие мертвые зоны. Что, впрочем, не удивительно.

Магнитный датчик

В руле Gametrix Viper три магнитных датчика – один в руле и два в каждой педали (позволяют обрабатывать повороты и нажатия от 0.06 градуса). Для более очевидной разницы поведения, был собран макет, в котором для одной баранки применяются сразу два датчика – магнитный и резисторный.

Запускаем программу и… думаю, комментарии излишни.

Но если вы ничего не поняли – магнитный датчик регистрирует даже самые незначительные отклонения руля от центра, полностью отрабатывает весь диапазон, который предоставляет руль… и то же самое касается педалей. Думаю, это именно то, на что рассчитывают разработчики игр, выпуская свои шедевры.

Синусно-косинусное аналоговое подключение

При подаче на вывод C1 высокого уровня становятся доступны аналоговые значения углов: Sin (вывод 5) и Cos (вывод 7), а также их инвертные значения Sinn (вывод 4) и Cosn (вывод 6) (рис. 11). Это подключение можно использовать для расчета угла с более высоким разрешением с помощью внешнего АЦП.

Рис. 11. Подключение AS5030 к внешнему АЦП

Возможны и другие варианты подключения AS5030 к микроконтроллеру, а также другие режимы работы.

В частности, AS5030 может работать в 3 режимах пониженного энергопотребления:

1. Экономичный.
2. Ультраэкономичный.
3. Циклический.

Эти режимы работы позволяют отключать или «замораживать» часть схемы на кристалле в интервалах между измерениями. В экономичном и ультраэкономичном режиме не производятся измерения угла, но благодаря возможности быстрого перехода из этих режимов в активный режим работы измерение угла также может быть проведено очень быстро, после чего микросхема может быть снова переведена в экономичный режим работы (табл. 1).

Таблица 1. Ток потребления и время готовности данных в зависимости от выбранного режима работы

* – холодный старт.

В экономичный и ультраэкономичный режим работы AS5030 может быть переведена при передаче соответствующей команды, с использованием 2- или 3-проводного подключения.

При очень больших интервалах между выборками возможен циклический режим работы AS5030 (рис. 12). В этом режиме в промежутках между измерениями угла микросхема полностью обесточивается, при этом можно значительно уменьшить ток потребления.

Рис. 12. Подключение AS5030 при циклическом режиме работы

На рис. 13 показана зависимость тока потребления датчика от интервала между измерениями угла с учетом выбранного режима работы. Из рис. 14 видно, что режим циклирования питания выгоден, если в применении допускается интервал между измерениями более 400 мс.

Рис. 13. Зависимость тока потребления AS5030 от частоты выборки с учетом выбранного режима работы

Рис. 14. Зависимость величин ошибок, возникающих при отклонении центра магнита от диагонального центра микросхемы

Ток потребления может быть рассчитан по формуле:

где I_activ — ток потребления в активном режиме; I_down — ток потребления в экономичном режиме; t_on — время работы в активном режиме; t_off — время работы в экономичном режиме.

Например, при использовании ультраэкономичного режима для измерения угла каждые 10 мс (t_on+t_off) расчет тока потребления будет следующим:

Как откалибровать датчик поворота руля?

Не смотря на значительные различия в выполнении данной процедуры в зависимости от производителя и модели автомобиля, существуют основные методы калибровки датчиков поворота руля, для обеспечения их взаимодействия с другими датчиками, входящими в состав этих систем.

• Самокалибровка: На некоторых новых автомобилях имеется возможность самокалибровки или автокалибровки путем поворота руля от упора до упора и до центрального положения с последующим поворотом ключа. В других автомобилях для запуска калибровки необходимо выполнить ряд команд.
• Ходовые испытания: На более новых автомобилях, оборудованных более совершенными датчиками скорости, имеется функция автоматической калибровки датчиков поворота руля во время последующего движения автомобиля по прямой траектории в течение заданного времени. На крейсерской скорости это занимает всего несколько секунд.
• Калибровка с использованием диагностического сканера: Для калибровки датчиков поворота руля на некоторых автомобилях требуется диагностический сканер. В некоторых системах регулировки угла установки колес даже имеется встроенная функция калибровки датчиков поворота руля, благодаря чему после выравнивания колес отпадает необходимость в отдельной процедуре диагностики.

Большинство производителей рекомендуют выполнять калибровку датчика поворота руля на земле, а не на подъемнике. В случае возникновения сомнений для правильного выполнения процедуры необходимо свериться с руководством по техобслуживанию, предоставленным производителем.

Помните, не зависимо от конструкции автомобиля и порядка выполнения процедуры, калибровка датчика поворота руля с сегодняшнего дня должна стать неотъемлемой частью процедуры выравнивания угла установки колес и соответствующим образом отразиться на ее стоимости для клиента. Для независимых автомастерских это означает появление еще одной дополнительной услуги.

Источник

Магнитные энкодеры

Магнитные энкодеры в своей основе имеют датчики Холла. Конструктивно магнитные энкодеры чаще всего бывают двух видов — с использованием магнитного кольца либо с использованием цилиндрического магнита. Энкодеры с использованием магнитного кольца используются в тормозных системах автомобилей в качестве датчика антиблокировочной системы.

В энкодерах с применением цилиндрического магнита используются магниты с диаметральной поляризацией. Ярким примером таких энкодеров являются датчики, построенные на основе специализированных микросхем австрийской компании AMS (Austria MicroSystems). Микросхемы AS представляют собой два датчика Холла, помещенные в одном корпусе и повернутых на 90 градусов относительно друг друга. Магнитные энкодеры AMS обладают высокой точностью (до +-0,5 градуса) и возможностью измерений на высокой скорости вращения — до 30000 оборотов в минуту. В линейке микросхем имеются модели со встроенным счетчиком оборотов, которые при определенных схемотехнических решениях можно использовать в качестве многооборотных абсолютных энкодеров. Также одной из отличительных черт продукции AMS является наличие режимов пониженного и сверхнизкого энергопотребления, что делает продукцию привлекательной для применения в сфере «интернета вещей».

Контроль частоты в специфических условиях, для индивидуальных обстоятельств

При необходимости, любые типы датчиков «ТЕКО» могут выступать в качестве датчиков минимальной скорости: индуктивные, емкостные, оптические и магниточувствительные. Для этого их достаточно подключить к блоку контроля частоты CF1, который контролирует частоту импульсов входного сигнала и формирует сигнал на выходе при достижении частотой установленного порогового значения.

Применение блока позволяет контролировать частоту следования объектов во взрывоопасных средах: в соединении со взрывобезопасными датчиками и блоком сопряжения.

Для контроля объектов в «узких» местах конструкции, где крупногабаритный датчик разместить невозможно, возможно применение миниатюрных датчиков с блоком контроля частоты.

Гарантия — 12 месяцев

Индуктивные датчики углового положения

Индуктивные датчики углового положения в при ближайшем рассмотрении чаще всего оказываются не совсем угловыми. В таких датчиках вращение сначала преобразовывается в линейное перемещение металлического либо ферритового сердечника внутри специально сконструированной катушки индуктивности. Выходной сигнал, снимаемый с выходов катушки, изменяется в зависимости от положения сердечника.

БСПТ-10М

Этот датчик выдает нормализованный токовый сигнал 4..20 мА, а также имеет 4 настраиваемых концевых выключателей. Основным недостатком этого датчика является большое время отклика, в связи с чем его нельзя использовать для измерения в случае быстро изменяющейся скорости и направления вращения, так как сигнал будет выдаваться с задержкой.

Похожие:

Система охлаждения общее устройство и работа жидкостной системы охлаждения

Пример банковской системы. Описание задачи

Инструкция по установке установка основных компонентов системыВыберите в пассажирском салоне место для установки основного блока системы (за приборной панелью автомобиля) и закрепите блок с помощью…

Общее устройство автомобиля

Общее устройство двигателей

1. Общее устройство автомобиля

Классификация и общее устройство тракторов (2ч)

11. Активные системы безопасности и системы парковки

Тема Классификация автомобилей и тракторов. Общее устройство

Грамм для высших учебных заведений по специальности 1-45 01 01 многоканальные системы телекоммуникаций, специализация 1-45 01 01 04 специальные системы телекоммуникаций минск 2006Сборник типовых учебных программ для высших учебных заведений по спец. 1-45 01 01 Многоканальные системы телеком-муникаций, специализация…

Авто-дневник