談汽車上常用的占空比信號和脈寬信號

文/上海 王錦俞 北京 朱 軍

談汽車上常用的占空比信號和脈寬信號

文/上海 王錦俞 北京 朱 軍

朱軍

(本刊專家委員會委員)

從事汽車維修工作30余年，現(xiàn)任北京理工大學(xué)車輛交通工程學(xué)院兼職教授、山東德州汽車摩托車學(xué)院名譽院長、北京市汽車維修職業(yè)學(xué)校名譽校長。

王錦俞

(本刊專家委員會委員)

40年汽車教師生涯，與汽車構(gòu)造、維修保養(yǎng)技能、技術(shù)始終相聯(lián)。現(xiàn)任上海宇龍軟件公司技術(shù)顧問，從事汽車維修仿真教學(xué)軟件的開發(fā)。兼任江西汽車維修技師、工程師俱樂部主任。

占空比信號和脈寬信號都是數(shù)字信號，數(shù)字信號實際上是從傳感器傳出或從控制器(ECU)發(fā)出的脈沖電壓信號。

一、數(shù)字信號

1．定義和波形

數(shù)字信號的信號幅度參數(shù)取值是離散突變的，幅值通常表現(xiàn)為高電平和低電平兩個信號；模擬信號的信號幅度參數(shù)在給定范圍內(nèi)表現(xiàn)為連續(xù)的信號。

這些定義解釋起來較為抽象，但若用波形表示則形象又簡單。

由圖1、圖2可見，數(shù)字信號的波形是方波，而模擬信號波形不是方波。這些波形用示波器及有波形轉(zhuǎn)換功能的故障診斷儀能方便地顯示出來。

由于數(shù)字信號的優(yōu)點遠多于模擬信號，所以目前在汽車控制系統(tǒng)信號中大多都采用了數(shù)字信號，本文將重點闡述在汽車上數(shù)字信號的運用和檢測上的原理。

2．?dāng)?shù)字信號的用途

數(shù)字信號的主要用途有：①用在串行數(shù)據(jù)通信中(如CAN-BUS)；②作為來自傳感器的采樣信號送至控制器；③作為來自控制器的信號觸發(fā)功率三極管驅(qū)動執(zhí)行器。

3．?dāng)?shù)字信號波形中的常用術(shù)語

(1)脈寬(W)：脈沖寬度的簡稱，脈沖寬度就是高電平持續(xù)的時間，圖3波形的脈寬是2ms。

(2)占空比(P)：高電平脈寬與信號周期的比值叫做占空比，圖3波形的占空比為25%。

(3)空占比：低電平脈寬與信號周期的比值叫做空占比，圖3波形的空占比為75%。

(4)幅值：高電平與低電平之差叫做幅值，圖3波形的幅值是12V。

(5)頻率：周期的倒數(shù)叫做頻率，圖3波形的頻率是125Hz。

(6)脈寬與周期、占空比的關(guān)系：W=T×P(其中T為周期)。

二、占空比信號在汽車控制系統(tǒng)中的運用

1．控制器至執(zhí)行器的占空比信號

測量占空比信號時一般都是用示波器(波形顯示)或萬用表(數(shù)值顯示)來完成的。大多數(shù)執(zhí)行器都采用接地端控制，也就是執(zhí)行器一端始終接電源，另一端接控制器(ECU)。而測量時，無論是示波器還是萬用表的表筆都會是一端接地、一端接執(zhí)行器控制端，這時波形顯示出低電平為執(zhí)行器通電過程，高電平為執(zhí)行器斷電過程(見圖3)。因此，波形的低電平在圖形中是“占空”的，這是占空比的另外一種定義。所以目

前習(xí)慣上把“空占比信號”也稱作“占空比信號”。

來自控制器至執(zhí)行器的占空比信號尤其適合控制需在某一時間段內(nèi)有可控開啟度的電磁閥，如炭罐清除閥和自動變速器等機構(gòu)中的液壓控制閥。

下面以發(fā)動機控制器對炭罐清除閥的控制為例，介紹其工作原理。

炭罐清污控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示，當(dāng)發(fā)動機熱機運轉(zhuǎn)時，炭罐清除閥大約是每隔4min開啟1min。然而炭罐清除閥開度大小卻取決于發(fā)動機的工作狀況，簡單地全開、全閉不能滿足不同的發(fā)動機工況。采用占空比控制信號，能使炭罐清除電磁閥所通過的脈沖電流的脈寬在0～100%間任意控制。我們可理解為，炭罐清除閥開度在0～100%間由發(fā)動機控制器任意控制。

當(dāng)點火開關(guān)處于“ON”位置時，炭罐清除閥電插座的二端子一個由繼電器供正電，另一個接發(fā)動機控制器。發(fā)動機控制器是通過控制炭罐清除閥的搭鐵回路通斷時間的占空比信號來控制炭罐清除閥開度大小，如0是關(guān)斷，100%為全開。圖5中的空占比信號是8%，即發(fā)動機控制器在100ms這一信號周期內(nèi)，接通搭鐵8ms。我們也可以理解為炭罐清除閥開啟時間為8%，即開度不大。當(dāng)然，發(fā)動機ECU可在100ms這一信號周期內(nèi)，接通搭鐵99ms，炭罐清除閥開度就大了。

2．傳感器至控制器的占空比信號

下面以空調(diào)高壓傳感器為例，介紹其工作原理。此傳感器有一個內(nèi)部帶脈寬調(diào)制器的集成電路，將壓力傳感器生成的模似信號轉(zhuǎn)化為占空比數(shù)字信號輸出。

空調(diào)高壓傳感器有一個12V供電電源，當(dāng)空調(diào)高壓側(cè)壓力0.5MPa時，傳感器向控制器(ECU)發(fā)送占空比為25%的數(shù)字信號(見圖6)。占空比與壓力成比例，在3.2MPa時為75%(見圖7)，信號送到發(fā)動機控制器上。

由于散熱器風(fēng)扇由發(fā)動機控制器控制，在壓力上升時，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速也成比例地上升。如果占空比小于10%或大于90%，則空調(diào)壓力過小或過大。控制器會生成空調(diào)壓力過小或過大的故障碼。

如果在傳感器的插接器脫落，在信號線上的電壓為0，因為反偏電阻與接地連接，此時占空比為0。控制器會生成空調(diào)高壓傳感器斷路的故障碼。

如果信號線與12V電源線間短路，在信號線上的電壓始終為12V。此時信號占空比為100%。此時控制器會生成空調(diào)高壓傳感器對正極短路的故障碼。

三、脈寬信號在汽車控制系統(tǒng)中的運用

脈寬控制信號在多數(shù)情況下也指波形的低電平有效信號。來自ECU至執(zhí)行器的脈寬數(shù)字信號也是作為控制執(zhí)行器導(dǎo)通時間用的，它常用于控制電磁閥全開、全閉的時間上，而不像占空比信號用于控制電磁閥開度上。

典型的例子是噴油器都是采用脈寬信號來控制的。通常正電源常接在噴油器一端，另一端由發(fā)動機ECU控制接地(見圖8)。

當(dāng)點火開關(guān)ON時，噴油器電插座的二端子一個由燃油繼電器供正電，另一個端子接發(fā)動機控制器中三極管，發(fā)動機控制器是通過控制噴油器的搭鐵回路(三極管)的導(dǎo)通時間來控制燃油噴射量，對三極管的導(dǎo)通時間就是脈寬。