Датчик частоты вращения колеса что это
Датчики частоты вращения колеса
Применение
Датчики частоты вращения колеса служат для определения скорости вращения колес автомобиля (числа оборотов колеса). Сигналы частоты вращения передаются по кабелю в блок управления ABS, ASR или ESP автомобиля, который индивидуально управляет силой торможения каждого колеса. Этот контур регулирования предотвращает блокирование (при наличии ABS) или прокручивание колес (при наличии ASR или ESP) и гарантирует устойчивость и управляемость автомобиля. Системы навигации также нуждаются в сигналах частоты вращения колеса, чтобы рассчитывать пройденный путь (например, в туннелях или при отсутствии сигналов спутника).
а Резцовый контактный штифт (плоский индуктор)
b Ромбовидный контактный штифт (крестовидный индуктор)
1 Постоянный магнит
2 Магнитная катушка
3 Полюсный контактный штифт
4 Импульсное колесо из стали
5 Магнитные линии поля
Поскольку условия монтажа на колесе не везде одинаковые, существуют различные формы полюсных контактных штифтов и различные варианты монтажа. Наиболее распространены резцовый полюсный контактный штифт (рис. 1а, также называемый плоским индуктором) и ромбовидный контактный штифт (рис. lb, также называемый крестовидным индуктором). Оба полюсных контактных штифта при монтаже должны быть точно направлены к импульсному кольцу.
а Пассивный датчик скорости вращения с импульсным кольцом
b Сигнал датчика при постоянной скорости вращения колеса
с Сигнал датчика при возрастающей скорости вращения колеса
| Рисунок № 4 Активный датчик скорости вращения | |
 |
1 Ступица колеса
2 Шарикоподшипник
3 Мультиполюсное кольцо
4 Датчик скорости вращения колеса
Характеристики
Типичное явление для активного датчика скорости вращения — интеграция измерительного элемента Холла, усилителя сигнала и подготовки сигнала в интегральной микросхеме (рис. 8). Данные о скорости вращения передаются в виде подводимого тока в форме прямоугольных импульсов (рис. 9). Частота импульсов тока пропорциональна числу оборотов колеса, а считывание показаний возможно почти до остановки колеса (0,1 км/ч).
1 Сенсорный элемент
2 Мультиполюсное кольцо со сменным
намагничиванием север-юг
а Интегральная микросхема Холлас мультиполюсным импульсным датчиком
b Интегральная микросхема Холла со стальным
импульсным кольцом и магнитом в датчике
1 Сенсорный элемент
2 Мультиполюсное кольцо
3 Магнит
4 Стальное импульсное колесо
Питающее напряжение находится в диапазоне между 4,5 и 20 Вольт. Уровень прямоугольного выходного сигнала составляет 7 мА (низкий) и 14 мА (высокий). При такой форме передачи цифровых сигналов, например, индуктивное напряжение помех является неэффективным по сравнению с пассивным индуктивным датчиком. Связь с блоком управления осуществляется двухпроводным кабелем.
| Рисунок № 8 Блок-схема интегральной микросхемы Холла |
 |
Компактная конструкция и небольшой вес позволяют монтировать активный датчик скорости вращения на подшипнике колеса или в нем (рис. 10). Для этого подходят различные стандартные формы головки датчика.
а Исходный сигнал
b Выходной сигнал
0S1 Верхний порог переключения
US1Нижний порог переключения
| Рисунок № 10 Подшипник колеса с датчиков скорости вращения | |
 | 1 Датчик скорости вращения |
Рисунок № 11 Кодированная передача данных с помощью широтно-импульсно-модулируемых сигналов
а Сигнал скорости при движении назад
b Сигнал скорости при движении вперед
с Сигнал, когда автомобиль стоит
d Качество сигнала датчика, самодиагностика
Сегодня каждый новый автомобиль должен быть оснащен системой стабилизации, которая, в свою очередь, основана, среди прочего. на информацию из системы ABS. Это стандартно для всех автомобилей уже более десятка лет, и в принципе сегодня трудно купить подержанную машину без ABS. Читая описание работы системы ABS или ESP, мы всегда узнаем о загадочных датчиках, которые рассчитывают скорость колес автомобиля. Сегодня вы узнаете, что это за датчики, как они работают, почему они выходят из строя и каковы симптомы и последствия их отказа.
Основной задачей датчиков скорости вращения колес является сбор информации о скорости движения колес для системы ABS, контролирующей тормозное усилие. Когда скорость колеса падает ниже определенного значения, АБС включается и уменьшает тормозное усилие, чтобы колеса не скользили. Система ABS связывается с другими электронными системами, такими как система контроля тяги (TC) и система стабилизации (ESP), посылая им информацию о скорости отдельных колес. Это, в свою очередь, позволяет управлять другими компонентами, чтобы предотвратить боковое или продольное скольжение автомобиля. Вот и все, что касается цели и задач датчиков.
Датчики вращения колес делятся на пассивные и активные по принципу действия. На практике различие может быть определено таким образом, что пассивным датчикам не требуется внешнее питание для генерации выходного сигнала, а активным необходимо.
Пассивные датчики скорости вращения колес
Пассивные датчики взаимодействуют с кольцом или зубчатым диском, размещенным на ступице колеса или внешнем приводном валу, и чтобы было понятно - подсчитывает количество зубьев этого диска, посылая сигнал о количестве зубьев, которые его пропускают в данную единицу времени. Его рабочий элемент - это сердечник с обмоткой и магнитом, создающий поле, достигающее упомянутой стойки. Движение зубчатого колеса и зубьев, проходящих мимо датчика, и промежутки между ними вызывают изменения в магнитном поле датчика, что приводит к индукции напряжения в датчике. Значение этого напряжения считывается управляющим компьютером, который преобразует его в требуемую информацию.
Активные датчики скорости вращения колеса
Активные датчики работают совершенно по-другому, хотя они также взаимодействуют с диском, расположенным на колесе. Здесь, однако, мы имеем дело с многополярным магнитным кольцом, на поверхности которого имеются магнитные поля. Его можно визуализировать как колесо рулетки, на котором вместо черных и красных полей с числами у нас есть полярные поля N и S. В датчике, взаимодействующем с таким кольцом, есть полупроводниковые элементы, которые распознают изменяющееся магнитное поле, создаваемое кольцо. Это создает сигнал, который читается контроллером.
Датчики, использующие эффект Холла, являются более новым и определенно более популярным решением, так же как и датчик положения коленчатого вала. Здесь для взаимодействия с датчиком используются активный датчик с магнитом и импульсный экран. Когда колесо вращается, возникает небольшое напряжение и изменение магнитного поля, и эта информация поступает на контроллер. Датчики этих типов допускают больший зазор между циферблатом и датчиком.
Почему активные датчики - лучшее решение?
Прежде всего, они посылают сигналы в том числе и при гораздо меньшей скоростью вращения колес, чем пассивные датчики, что в сегодняшних стандартах работы систем, управляющих колеей автомобиля, имеет большое значение. Пассивные датчики реагируют только с минимальной скорости 3 км / ч, а активные - практически с 0,1 км / ч. Эти системы более чувствительны и работают более точно. Датчики, работающие с эффектом Холла, являются единственными, которые могут распознать, в каком направлении вращается колесо. Их эксплуатация позволяет упростить конструкцию ступиц колес или узлов привода. Кроме того, они меньше, легче, более устойчивы к температурам и вибрациям, менее чувствительны к помехам, а расстояние между датчиком и вращающимся элементом не влияет на правильную работу.
Симптомы отказа датчиков скорости колеса
Симптом, который указывает на неисправность датчиков скорости вращения колес - загораются ABS , ESP или TC (в зависимости от названия производителя, также VSC или DSC и др.), а иногда загорается контрольный двигатель, что означает, что в блоке управления двигателем сохранена ошибка. В этой ситуации также естественно, что АБС работает со сбоями.
Первым признаком повреждения датчиков скорости колеса является индикатор АБС или другие системы противоскольжения.
Причины выхода из строя датчиков скорости вращения колеса
Для начала вам нужно знать, что сам датчик не всегда отвечает за помехи в работе системы ABS, потому что точно такие же симптомы появятся, когда один из проводов поврежден. Также при езде на запасном колесе меньшего диаметра загорается соответствующий индикатор на приборной панели. Датчик или диск часто пачкаются, особенно зимой, когда на дорогах есть соль. Датчик не будет работать должным образом, когда есть люфт подшипника колеса. Зачастую причиной неполадок являются прозаические, например, слишком низкое давление в одной из шин или изменение размера шин на одной из осей. Иногда датчики не работают должным образом, когда аккумулятор находится в плохом состоянии или поврежден предохранитель, отвечающий за системы ABS и ESP. Сильно деформированные тормозные диски будут генерировать не только вибрации, но и ошибочные сигналы для датчиков. Бывает и так, что при замене подшипника на декодирующий диск он был установлен вверх ногами.
Сами датчики чрезвычайно надежны, и чаще всего происходит внутреннее короткое замыкание или механическое повреждение датчика. Чтобы убедиться, что проблема действительно вызвана датчиком вращения колеса, после тщательного осмотра и визуальной оценки датчиков и кабелей проверьте напряжение, подаваемое на датчик и его сигналы, с помощью соответствующих устройств (осциллограф или мультиметр). Если виновником сбоя является сам датчик, остается только его заменить. При замене обратите особое внимание на провода и их прокладку и убедитесь, что они надежно закреплены.
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.
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.
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.
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.
Датчик частоты вращения колеса (другое название – датчик скорости вращения колеса) предназначен для определения скорости вращения (числа оборотов) колеса автомобиля.
Сигналы датчика используются в работе многих систем активной безопасности, в том числе антиблокировочной системы тормозов, противобуксовочной системы, системы курсовой устойчивости. С помощью информации от датчиков соответствующие блоки управления регулируют силу торможения каждого колеса, что позволяет предотвратить их блокировку (проскальзывание) и в итоге обеспечить устойчивость (управляемость) автомобиля.
Показания датчика частоты вращения учитываются в управлении автоматической коробкой передач (при выборе передачи), системе адаптивного освещения (скорость движения), системе контроля давления в шинах (определение спущенной шины).
До 1998 года в качестве датчика частоты вращения колеса использовался пассивный датчик индуктивного типа. Конструктивно данный вид датчика объединяет два элемента – чувствительный и задающий. Чувствительный элемент включает катушку с железным сердечником (контактным штифтом) и постоянный магнит. Задающий элемент представляет собой зубчатое колесо, которое вращается совместно со ступичным подшипником.
Чувствительный элемент датчика создает постоянное магнитное поле. Зубчатое колесо, проходя через поле, приводит к его изменению, при этом при прохождении зуба колеса изменение магнитного поля максимальное. Магнитное поле индуцирует напряжение в цепи датчика. Количество импульсов напряжения, соответствующее количеству пройденных зубьев за определенный интервал времени, пропорционально частоте вращения колеса.
При всей своей простоте, датчик частоты вращения индуктивного типа не обеспечивает требуемой точности измерения, т.к. величина импульсов напряжения напрямую зависит от частоты вращения колеса (чем больше частота, тем сильнее импульс напряжения).
На современных автомобилях устанавливаются активные датчики частоты вращения колеса. В работе такие датчики используют внешнее напряжение питания. Конструктивно активный датчик состоит из чувствительного и задающего элементов. В зависимости от используемого физического эффекта различают магниторезистивные датчики частоты вращения и датчики Холла.
В магниторезистивном датчике при изменении магнитного поля изменяется сопротивление. В датчике Холла изменение магнитного поля приводит к изменению напряжения.
Задающий элемент активного датчика представляет собой пластмассовое кольцо, на поверхность которого нанесены намагниченные участки, т.н. мультиполюсное кольцо. Северный и южный полюса магнитов выполняют функции зубцов и впадин колеса.
Активные датчики обеспечивают высокую точность измерений, так как сила выходного сигнала не зависит от частоты вращения колеса. Кроме этого активный датчик имеет компактную конструкцию, что позволяет его устанавливать непосредственно в ступичном подшипнике. Цифровая обработка выходного сигнала дает дополнительные преимущества, например, позволяет использовать датчик для определения направления вращения колеса и его остановки.
Датчик частоты вращения коленчатого вала предназначен для синхронизации управления системой впрыска и системой зажигания, поэтому другое название датчика – датчик синхронизации. В некоторых источниках информации датчик носит название - датчик начала отсчета. Сигналы от датчика используются системой управления двигателем для установления:
- момента впрыска топлива;
- количества впрыскиваемого топлива;
- момента зажигания (бензиновые двигатели);
- угла поворота распределительного вала при работе системы изменения фаз газораспределения;
- времени включения клапана адсорбера при работе системы улавливания паров бензина.
Наибольшее распространение получил датчик частоты вращения коленчатого вала индуктивного типа. В некоторых системах управления двигателем устанавливается датчик синхронизации, построенный на эффекте Холла.
Индуктивный датчик представляет собой магнитный сердечник с расположенной вокруг него обмоткой. Принцип работы датчика заключается в наведении электродвижущей силы в обмотке при взаимодействии магнитного поля датчика с металлическим задающим диском (диском синхронизации).
Задающий диск имеет по окружности 58 зубьев с пропуском на два зуба, т.н. диск типа 60-2. На отдельных дизельных двигателях для ускорения определения положения коленчатого вала и, соответственно, облегчения запуска устанавливается задающий диск типа 60-2-2 (с двумя пропусками через 180°).
При вращении коленчатого вала впадины зубьев задающего диска изменяют магнитный поток, вследствие чего в обмотке датчика формируется электрический импульс.
Датчик синхронизации позволяет определять два параметра:
- частоту вращения коленчатого вала;
- точное положение коленчатого вала.
Число оборотов коленчатого вала определяется по количеству зубьев, проходящих через датчик в единицу времени. Пропуск зубьев служит в качестве исходной точки для определения положения коленчатого вала. Он соответствует, как правило, нахождению поршня первого цилиндра в верхней мертвой точке.
Датчик частоты вращения коленчатого вала, построенный на эффекте Холла, взаимодействует с задающим диском несколько иной конструкции. Диск выполнен в виде металлических сегментов, разделенных металлическими вставками. Сегменты представляют собой постоянные магниты с чередующими северными и южными полюсами. В качестве начала отсчета используется сегмент большей ширины. Таким образом, получился задающий диск типа 60-2.
При неисправности датчика частоты вращения коленчатого вала (отсутствии сигнала) двигатель останавливается и повторно не запускается.
Читайте также: