Применение
Датчики управления приводом снимают показания числа оборотов вала в АТ-, ASG-, DSG- и CVT-приводах. Это показания числа оборотов турбин и приводов в приводах АТ с гидродинамическим преобразователем крутящего момента, числа оборотов первичного и вторичного шкива в CVT-приводах и числа оборотов обоих валов и приводного вала в DSG-приводах. При наличии высоких требований к динамике регулирования разгона снимаются показания числа оборотов двигателя, ожидаемые на элементе разгона.
Для оптимизации управления сцеплением и предотвращения отката автомобиля назад может потребоваться датчик для определения направления вращения.
Используются как автономные датчики, так и модели, интегрированные в электронные модули, которые устанавливаются как внутри привода, так и снаружи.
Требования
Датчики числа оборотов привода подвергаются высоким нагрузкам вследствие
- экстремальных температур от -40 до +150°C;
- агрессивной среды, обусловленной применением трансмиссионного масла;
- высоких механических нагрузок с ускорениями до 30g, а также
- образование металлических частиц вследствие износа деталей в коробке передач.
Эти нагрузки обусловливают высокие требования к электроники, используемой в датчиках. С помощью современной корпусов, не поддающихся воздействию масла, срок службы в трансмиссионном масле может достигать более 15 лет.
Из-за очень компактного исполнения коробок передач обычно невозможно стандартизировать геометрические размеры датчиков. Так, для каждой коробки передач требуются специальные модели датчиков, которые различаются по длине, направлению снятия показаний и монтажному фланцу в интегрированных модульных типах (рис. 1). В автономных датчиках еще одной переменной является положение монтажной втулки и модель штекера.
Рисунок 1. Модели датчиков. а. Нижнее считывание показаний; b. Боковое считывание показаний; с. Наклонное считывание показаний; 1. Направление считывания показаний
Для реализации всего спектра функциональных требований используются ASIC Холла (Application Specific Integrated Circuit — специализированные интегральные микросхемы) различной степени сложности алгоритмов обработки данных (рис. 2).
Рисунок 2. Сложность требований
Если для считывания числа оборотов используется ферромагнитное триггерное колесо или триггерная зона (с зубцами, с насечками или выштамповками) на вращающихся компонентах привода (коробки передач), то магнитное поле, необходимое для работы датчика Холла, создается магнитом с напряжением отрицательного смещения. Он расположен в датчике сразу за специализированной интегральной микросхемой.
Компактные модели коробок передач все больше нуждаются в возможности считывать показания числа оборотов на больших расстояниях (магнитные воздушные зазоры) через вращающиеся немагнитные компоненты или стенку корпуса. Для таких условий эксплуатации используются мультиполюсные кольца (магнитные кольца), в датчике не используется магнит с напряжением отрицательного смещения.
Конструкция
Специальные интегральные микросхемы Холла, применяющиеся в датчиках скорости вращения привода, в зависимости от магнитного интерфейса фиксируются в держателе в присутствии магнита с напряжением отрицательного смещения или без него, электрический контакт создается посредством сварки, затем микросхемы устанавливаются в корпус, заливаются эпоксидной смолой или — в моделях, которые устанавливаются снаружи привода (коробки передач) — устанавливаются в оболочку, не пропускающую масло, посредством покрытия бесшовной оболочкой на экструдере (рис. 3). Датчик имеет двухпроводной интерфейс, сочетающий в себе оптимальные диагностические способности с минимальным числом электрических соединений. Два разъема служат как для питания интегральных микросхем Холла, так и для передачи сигнала.
Рисунок 3. Датчик Холла с двухпроводным интерфейсом
Принцип действия
Дифференциальные датчики Холла разработаны специально для измерения угловой скорости вращения. Датчик содержит два интегрированных элемента Холла, разнесенных на небольшое расстояние. Сигналы от двух элементов Холла алгебраически вычитаются в встроенном дифференциальном усилителе. Одновременно компенсируется большая часть помех.
Разностный сигнал дополнительно усиливается в некоторых типах интегральных схем и только затем преобразуется в цифровой.
При этом формируется сигнал с двумя уровнями тока (стандартно 7 мА при низком уровне и 14 мА при высоком уровне), частота которого соответствует частоте смены зубцов зубчатого колеса и таким образом рассчитывается число оборотов. Обработка сигнала осуществляется в блоке с помощью измерительного резистора RM, который преобразует ток датчика IS в напряжение сигнала URM.
В целом принцип действия разностной интегральной микросхемы Холла зависит от того, установлен ли датчик на стальном триггерном колесе или мультиполюсном кольце (рис. 4а и 4b).
Рисунок 4. Принцип действия датчика скорости вращения привода. а. Расположение триггерного кольца; b. Расположение мультиполюсного кольца; с. Разностный сигнал между датчиками Холла R и С; d. Разностный сигнал между датчиками Холла С и L; е. Выходной сигнал для направления вращения вправо; f. Выходной сигнал для направления вращения влево; 1. Триггерное кольцо; 2. Датчики Холла L и R (С опционно для определения направления вращения); 3. Постоянный магнит (back-bias); 4. Мультиполюсное кольцо; 5. Смещение фаз в зависимости от направления вращения
В некоторых коробках передач реализованы функции, для которых необходимо определение положения «стоп». Для такого использования датчик должен иметь максимально возможную невосприимчивость к изменениям воздушного зазора, обусловленным вибрациями, и вращательным колебаниям триггерного кольца. Свойство датчика — обозначенное как невосприимчивость к вибрациям — при использовании дифференциальных датчиков, содержащих два интегрированных элемента Холла можно реализовать только очень ограниченно. Благодаря использованию трех датчиков Холла получаем два сдвинутых по фазе разностных сигнала. С их помощью можно определить направление вращения (рис. 4c..f) и повысить невосприимчивости к вибрациям.
Стандартные параметры датчиков «Value» (обычные датчики) и «High feature» (улучшенные датчики) отличаются величиной воздушного зазора (максимальное расстояние от датчика до зубчатого колеса), диапазоном частоты сигнала (оборотов колеса) и встроенными дополнительными функциями (таблица 1).
Сложность конфигурации привода, ограничения монтажного пространства, включая все конструкционные краевые условия и функциональные требования, вынуждают к использованию нестандартных вариантов решений. Для них характерны комбинации интегральных микросхем, варианта корпуса, механических и магнитных интерфейсов датчика, разработанных под конкретные системные требования.
Таблица 1. Параметры
| Модель | Value | High feature |
| Максимальный воздушный зазор на триггерном кольце | 2,5 mm | 3,5 mm |
| На индукторе | 5 mm | 7 mm |
| Частота сигнала | 0...8 kHz | 0...12 kHz |
| Определение направления вращения | нет | да |
| Вибрация триггерного кольца | - | ±1,5° |