汽車電控系統中測量旋轉變量的方法比較

在汽車電控系統中，電腦需要隨時監控系統的運行狀態，根據不同的運動狀態采取相應的措施。由于汽車部件大多是處于高速運動中的，為使控制精確，則監控對象運動狀態的采集就要力求準確迅速。旋轉部件在汽車組成中大量存在，例如與發動機有關的如：曲軸、凸輪軸、機油泵、水泵等，與附件有關的如：發電機、空調壓縮機等，與底盤相關的如：變速器中的輸入輸出軸、傳動軸、車輪等。在與這些部件相關的控制系統中，電腦都需隨時檢測旋轉運動部件的旋轉變量，如旋轉速度和旋轉加速度等。下面就分析一下車輛控制系統中旋轉部件的旋轉變量測量的幾種方法原理。

1 磁電效應法

在一個棒狀磁鐵上繞有多匝線圈，此時，磁鐵就會在周圍建立磁場，周邊就有磁力線存在。當磁鐵的頂端有鐵質物體通過時，就會切割磁力線，在磁鐵上的線圈中就會產生電磁感應，如果鐵質物體安裝在旋轉的部件上，循環的切割磁力線，則在磁鐵線圈兩端會輸出交變的電壓信號，電腦接收到該信號后，通過分析該信號的頻率即可計算出旋轉的速度，通過頻率在單位時間內的變化量即可計算出旋轉的加速度。圖1所示為發動機中檢測曲軸轉速的曲軸位置傳感器的結構示意圖。齒圈為鐵質材料制成，安裝在旋轉的曲軸上。在齒圈的頂端位置安置有曲軸位置傳感器，該傳感器中心安裝有一個永久傳統，在永久磁鐵上繞有感應線圈，感應線圈的兩端輸出信號至控制電腦。當齒圈隨著發動機曲軸旋轉時，就會切割永久磁鐵形成的磁場中的磁力線，從而在感應線圈中產生交變的電壓信號(即交流信號)。產生的交流信號如圖2中所示。

從圖2中波形可知，該信號是模擬信號，即是幅值連續變化的波形。

模擬信號的第一個特點是：信號幅值的高低與齒圈和傳感器的相對運動速度有關。

當相對速度高時，齒圈單位時間內切割的磁力線就多，產生波形的幅值就高，反之，相對速度低時，切割的磁力線少，信號的幅值就低。所以，磁電式檢測轉速的傳感器往往有最低轉速要求，即當信號盤的轉速低于一定值時，傳出的信號電腦就無法識別了，因為在電腦內部接收信號后要進行整形和識別，只有高于一定幅值的信號才能達到電腦識別的閥值。當信號幅值低于電腦識別的閥值時，電腦就認為沒有信號送達。

理論分析及解析解的研究，試圖通過不需要經過復雜的數值模擬計算即可得到系統數學模型的求解結果，進而指導工業設計或系統性能優化等。

光電效應法檢測旋轉量常用的方法是在一對光耦元件的中間設置一個旋轉的遮光板，如圖5所示，發光二極管面對光敏三極管發出光線，當光敏三極管能接收到光線時，電子電路就輸出高電位；當遮光板旋轉到發光二極管與光敏二極管之間時，光線被隔絕，光敏三極管接收不到光線，電子電路就輸出一個低電位。如圖5所示，遮光板由四片葉片組成，則旋轉一周，遮光四次，電子電路就輸出四個方波，電腦收到該方波信號后就可根據單位時間內方波的個數計算出有關參數。

信號幅值的高低除與相對速度有關外，還與其間距有關。傳感器中永久磁鐵的頂端與齒圈的間距越小，相對運動時切割的磁力線就越多，因為越靠近磁鐵其磁場強度就越強，磁力線也越密集。在實際安裝操作中，一般把其間隙控制在0.2—0.4毫米間。如果安裝間隙過小，傳感器會加大與齒圈相撞的危險，從而造成兩者的損壞；如果安裝間隙過大，會使信號變弱，例如曲軸位置傳感器安裝間隙過大，會使發動機啟動困難。

希拉里在演講中運用了許多陳述語氣運用為命令語氣的句子，其中希拉里所采用的語詞基本幾種在“let’s...””I want to...””we need you to...”

模擬信號的第三個特點是：信號容易受到干擾。

模擬信號的幅值是連續變化的，當此信號送到電腦時，任何中間值電腦都是認可接受的。干擾信號一般都是以強電磁波的形式出現的，在車上最常見的電磁波干擾源有火花塞的跳火，司機使用的高功率步話機，手機信號以及發電機等。這些干擾源的干擾信號表現在波形上就是又窄又高的尖波，且其雜亂無章類似噪音波形。當干擾信號的雜波進入正常的模擬信號傳輸線路后，電腦收到的就是多個信號的疊加。這些無意義的信號進入電腦，電腦是無法識別的，這就造成了電腦無法判斷監測部件的運動狀態，后果是要么執行錯誤的控制命令，要么電腦停止發出控制命令。為了防止電磁干擾，一般在模擬信號輸送線路的外面再包裹上一層金屬屏蔽層，再把金屬屏蔽層接地。當有外來的強電磁干擾時，干擾電磁信號就進入屏蔽層最終被導入車體(負極)，從而保護了內層的正常信號傳輸。

霍爾效應法的特點是霍爾元件輸出的方波信號是數字信號。數字信號只包含兩個狀態，即邏輯的0和邏輯的1，在信號波形上邏輯的0表示為0V，邏輯的1表示為12V。有葉片遮擋時為0，無葉片遮擋時為1。

但是，當屏蔽層破損或干擾信號通過其他線路進入也會造成模擬信號干擾。

例如，車載交流發電機中的整流板損壞，發電機發出的交流電無法經過整流變成直流電，交流電的正弦波信號進入了控制線路，該信號與曲軸位置傳感器產生的模擬信號疊加，最后造成發動機電腦在某一個轉速時段邏輯混亂，車速提不起來，車身發抖。

依前所述，干擾信號是以強電磁波的形式出現的，且在波形上表現為尖波狀雜波。當干擾的尖波進入數字信號傳輸路線后與方波進行疊加，疊加后的混合波形送進電腦，在電腦側只識別0V與12V的信號，其他的信號電腦自動識別為干擾信號而過濾掉。因此說，方波信號的抗干擾能力強。

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不過，磁電式傳感器的優點也有很多。例如，結構簡單，只有磁鐵和線圈，工作時不需要外部供電；性能可靠，不怕污水，不怕灰塵，不怕油污；同時造價低廉。從而使其應用非常廣泛。

2 霍爾效應法

霍爾效應法就是利用霍爾元件的特性制成的檢測旋轉量的傳感器。如圖3中所示，就是一個由霍爾元件制成的轉速傳感器。在霍爾元件4的垂直方向上安裝有一個永久磁鐵2，金屬信號轉子葉片3隨軸1一起旋轉。給霍爾元件通電，正常工作。轉動軸1，帶動金屬葉片3轉動，當金屬葉片3處于永久磁鐵2與霍爾元件4之間時，永久磁鐵的磁力線因金屬葉片的阻隔無法到達霍爾元件，此時霍爾元件輸出低電位(如圖四中的0V)；金屬葉片3隨著軸1繼續，當葉片間的空隙部分經過永久磁鐵與霍爾元件之間時，磁力線就能順利穿過霍爾元件，此時霍爾元件就輸出一個高電位(如圖四中的12V)。當金屬葉片再次阻隔了磁力線時，霍爾元件又再次輸出低電位，如此往復。最后霍爾傳感器就輸出如圖4所示的方波。電腦可計算該方波的頻率以獲得轉速信號。

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霍爾效應傳感器的第一個特點是：霍爾傳感器輸出的方波信號是數字信號，數字信號抗干擾能力強。

磁電式旋轉變量傳感器還有一個明顯的缺點就是怕鐵屑，當有鐵屑附著在傳感器的鐵芯上達到足夠多的量時，就會彌補上傳感器與齒圈間的間隙，造成無法切割磁力線，因而無法產生感應電動勢，即傳感器無信號輸出。

霍爾效應傳感器的第二個特點是：信號幅值的高低與傳感器的相對速度無關。

例如，在電瓶電壓較低或啟動溫度較低的狀態下啟動發動機，發動機轉速會較慢，電腦就可能檢測不到曲軸旋轉信號，從而不點火和不噴油，造成發動機啟動困難。

旋轉的葉片，無論旋轉的多慢，只要遮擋住了磁力線，霍爾傳感器就輸出0V；只要葉片轉到缺口處，有磁力線通過，霍爾傳感器就輸出12V。其輸出0V與12V的狀態與葉片旋轉的速度沒有關系。與模擬信號的輸出幅值與相對轉速有很大關系形成了鮮明對比。霍爾傳感器的這個特性，應用在發動機的曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器上，就可降低發動機啟動時的初始轉速要求，提高啟動成功率。

霍爾效應傳感器的第三個特點是：傳感器與葉片的安裝間隙不需要精確調整。

霍爾傳感器與永久磁鐵在制作時已經固定了相對位置，安裝時只需與旋轉葉片保持相對正確即可，不需要像磁電式傳感器樣的精確調整。

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霍爾效應傳感器的優點總結如下：抗干擾能力強，信號幅值與傳感器的相對轉速無關，傳感器與信號盤(旋轉葉片)安裝位置相對固定。同時，霍爾效應傳感器不怕污水、不怕灰塵和不怕油污。但是怕鐵屑影響了磁力線通道。

與磁電式相比，霍爾效應傳感器工作時是需要工作電源的，所以霍爾傳感器可能因為供電故障的原因而降低了其自身的工作可靠度。甚至可能因為供電的原因而引起傳感器損壞。

3 光電效應法

模擬信號的第二個特點是：信號幅值的高低與齒圈和傳感器的間距有關。

由于光線的精確性，用于遮光的部件可以做得非常精確，比如可以在圓形鋼片上每隔1度刻出一個槽，這樣的鋼片通過光耦件旋轉一周時，電子電路就輸出360個方波信號，則電腦即可精確定位該旋轉部件到1度的精度。所以光電式傳感器的測量精度比前面介紹的兩種方式都高很多。

從圖5中可知，光電效應法輸出的信號也是數字信號，所以該種方式也具有信號抗干擾能力強的優點。同時，信號的幅值變化與轉速無關，即無論葉片旋轉多慢，也不影響輸出信號的方波波形幅值大小。光電效應法檢測旋轉量的傳感器工作時需要工作電源以給電子電路和光耦件供電。

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但是，光電式傳感器也有很多缺點，由于其太精確，所以受到污染后傳感器很容易失效。例如當灰塵、泥水、油污甚至光線進入該傳感器的光耦間時，都會造成傳感器的失效。所以，該傳感器必須工作在密封良好且不透光的環境中。就是由于這個特性，影響了其在汽車上某些地方的應用。例如，不能用于檢測車輪的轉速，因為車輪處灰塵、污水、污泥太多，會造成傳感器失效。也不能用于檢測發動機曲軸和凸輪軸轉速，因為該處油污太重，也會使傳感器失效。

將每個平板均分成4個區域，編號，每個區域滴三滴樣液，每滴10μL。重復三次（4DP法）。所有平板均在37℃恒溫箱中培養，48 h后觀察結果。試驗重復3次，計算各組的活菌濃度（cfu/mL）。其殺菌率由以下公式計算：

不過，如果光電效應式傳感器能夠安裝在符合工作條件的環境，例如駕駛室內部，則可充分利用其檢測精度高的優點加以運用。比如用于檢測方向盤轉向角度的傳感器，因其可以安裝在方向盤下方。

4 各種方法的對比與展望

前文所述的三種方法各有優缺點，在汽車電控系統中均有運用，下面對其幾個方面進行橫向對比下如下表所示。

因磁電式傳感器的高可靠性和對環境要求很低的特點，使其在工作環境較惡劣的發動機、變速箱和底盤中得到廣泛的運用。

霍爾式傳感器因其對環境要求也不高，同時抗干擾能力強，有逐步取代磁電式的趨勢，以后的運用會逐漸增多。

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光電式雖然檢測精度高，但其工作的特殊性，只能用于較干凈的環境，所以在汽車的室內有較多的采用，在發動機、變速箱和底盤控制上應用很少。

[1]汽車底盤電控技術，趙良紅主編，機械工業出版社。ISBN：711107095X.

[2]汽車傳感器原理與檢修，作者:何金戈 主編出版社:化學工業出版社，ISBN：9787122235466.

[3]汽車電控發動機：構造·原理·分析·診斷·維修，作者:曹晶 編著出版社:化學工業出版社，ISBN：9787122391087.