汽車側(cè)向傾斜角度傳感器的應(yīng)用

角度傳感器在控制系統(tǒng)中通常作為采樣元件,其性能的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起著重要作用。電位器式角度傳感器已在各種控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用, 但它的缺點(diǎn)是存在觸點(diǎn)的滑動(dòng)磨損和電噪聲; 磁敏電阻式角度傳感器是利用半導(dǎo)體技術(shù)制造的新型純電阻性元件, 特點(diǎn)是無觸點(diǎn), 當(dāng)擺動(dòng)部分偏轉(zhuǎn)時(shí), 通過磁敏電阻的磁通量發(fā)生變化, 使磁敏電阻的阻值發(fā)生數(shù)倍以上的變化, 從根本上消除了電噪聲, 并使精度得以提高。

各種角度傳感器都具有阻尼功能, 使得對(duì)所測(cè)得角度的響應(yīng)有一個(gè)短暫的延時(shí)———對(duì)控制系統(tǒng)來講是有益處的。

3 角度傳感器電路

圖2 是側(cè)向傾斜角度傳感器的一種實(shí)用電路,主要由單電源運(yùn)算放大器(如LM324) 組成, 其作用是將角度傳感器中的電位器W1 輸出的線性變化的模擬電量進(jìn)行處理、放大, 能夠按規(guī)定輸出數(shù)字量和模擬量。令水平時(shí)電位器W1 滑動(dòng)點(diǎn)Ui 的電位為(1P2) Ec ( Ec 為穩(wěn)壓電源電壓, 通常為9 V 或15 V ,下同) , R1 、R2 、R3 、R4 為附加電阻, 并使R1 = R2 ,R3 = R4 , W2 為調(diào)中電位器, 阻值很小。調(diào)整W2 ,當(dāng)W1 處于水平狀態(tài)時(shí), 使運(yùn)放A1 、A2 輸出端電位為(1P2) Ec 。運(yùn)放A1 組成反相比例運(yùn)算放大器, 作為電路的前置級(jí)放大, 輸入電壓為Ui , 輸出電壓U1 =- ( R7PR5 ) Ui , 且應(yīng)使R6 = R5 ∥R7 ; 運(yùn)放A2 組成反相器, 電阻R10 = R8 , 且應(yīng)使R9 = R8 ∥R10 ; 輸出電壓U2 = - U1 = ( R7PR5 ) Ui 。A1 和A2 的輸出端分別由發(fā)光二極管LED1 、LED2 組成或門電路輸出,使得汽車不論是左傾還是右傾, 輸出端Uo1均能輸出與輸入量Ui (隨傾斜角度變化) 成正比例線性關(guān)系的模擬信號(hào), 即Uo1 = ( R7PR5 ) | Ui | , 去控制后面的電路或機(jī)構(gòu)。發(fā)光二極管還能指示傾斜方向, 當(dāng)水平狀態(tài)時(shí), 模擬量輸出端Uo1 = (1P2) Ec 。

運(yùn)放A3 、A4 和A5 、A6 分別組成窗口比較器,電阻R20 、R23 、R26 、R29是阻值較大的正反饋電阻,以改善運(yùn)放的開關(guān)狀態(tài)工作性能, 電阻R13 ～R17 為分壓電阻, 且應(yīng)R14 = R15 , R16 = R17 , 電阻R13 中點(diǎn)處的電位為(1P2) Ec , 分壓電阻的阻值應(yīng)根據(jù)U2的變化所反應(yīng)的傾翻力決定, 使得運(yùn)放A3 和A5 的反相輸入端、運(yùn)放A4 和A6 的同相輸入端獲得不同的開關(guān)轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電位, 而且所反應(yīng)的左右傾斜程度是一致的。水平時(shí), U2 = (1P2) Ec , 運(yùn)放A3 ～A6均輸出低電平; 傾斜時(shí), U2 的電位發(fā)生變化, 運(yùn)放A3～A6 按規(guī)定要求輸出高電平。例如, 電位器W1 左擺時(shí), 使U2 電位升高, 當(dāng)高于A 點(diǎn)電位時(shí),運(yùn)放A3 輸出高電平, 二極管L ED3 顯示傾斜方向,若汽車繼續(xù)向左傾斜, 使U2 電位繼續(xù)升高, 當(dāng)高于C 點(diǎn)電位時(shí), 運(yùn)放A5 輸出高電平, 二極管L ED5顯示傾斜方向且程度加重; 同理, 若電位器W1 右擺, 運(yùn)放A4 和A6 的工作亦如此。2 個(gè)輸出端Uo2和Uo3輸出的數(shù)字信號(hào)所反映傾斜程度與傾斜方向無關(guān), 很明顯, Uo3有高電平信號(hào)輸出時(shí), Uo2 已經(jīng)輸出高電平, Uo3所反映的傾斜程度大于Uo2 。

K為自動(dòng)復(fù)中位型扭子開關(guān), 作為電路的檢驗(yàn)開關(guān), 當(dāng)上下搬動(dòng)時(shí), 應(yīng)分別使二極管L ED2 、L ED3 、L ED5 和L ED1 、L ED4 、L ED6 發(fā)亮。電容器C1 為高頻旁路電容器, C2 為低頻濾波電容器, 并與電阻R12 組成放電回路, 形成延時(shí)環(huán)節(jié), 在系統(tǒng)中相當(dāng)于傳感器中的阻尼作用增加。

4 應(yīng)用

根據(jù)前文對(duì)圖2 電路的敘述可知, 汽車側(cè)向傾斜角度傳感器的應(yīng)用有2 種形式。一是由電路發(fā)出的數(shù)字信號(hào)Uo2 , 驅(qū)動(dòng)聲光信號(hào)裝置, 提醒駕駛員減速; 二是由電路發(fā)出的數(shù)字信號(hào)Uo3 或模擬信號(hào)Uo1控制執(zhí)行機(jī)構(gòu), 使汽車自動(dòng)減速, 采用數(shù)字信號(hào)組成定量減速系統(tǒng), 減速時(shí)略有些速度忽變, 采用模擬信號(hào)組成比例減速系統(tǒng), 減速的效果比較平滑, 實(shí)現(xiàn)減速的方法有2 種, 一是減小發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度, 二是增加制動(dòng)。下文分述。

4.1.1 減小油門開度的定量減速系統(tǒng)由傳感器電路發(fā)出的數(shù)字信號(hào), 控制執(zhí)行元件(如電磁鐵) 組成減小發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度的定量減速系統(tǒng), 如圖3 所示。汽車正常行駛時(shí), 油門拉桿由油門踏板控制, 電磁鐵中的動(dòng)鐵心隨油門拉桿同步移動(dòng); 當(dāng)汽車側(cè)向傾斜(指速度、轉(zhuǎn)彎半徑及路面坡度的綜合值, 下同) 超過設(shè)定值時(shí), 傳感器電路輸出端Uo3發(fā)出信號(hào), 經(jīng)延時(shí)環(huán)節(jié)YS (如時(shí)間繼電器, Uo3消失后, YS 延時(shí)斷開, 若阻尼和電路的延時(shí)足夠, 可以不設(shè)) , 開關(guān)量放大環(huán)節(jié)KF (如繼電器) , 使電磁鐵DCT 得電工作, 動(dòng)鐵心迅速移動(dòng)至終止位置, 帶動(dòng)油門拉桿, 使油門開度突然減小。

在這一系統(tǒng)中, 動(dòng)鐵心移動(dòng)的起始位置不是固定的, 終止位置是可以預(yù)先設(shè)定的, 所獲得的減速程度有所不同。因此, 應(yīng)根據(jù)不同的車型, 合理地設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)減速所要達(dá)到的轉(zhuǎn)速, 使減速不至于過于突然。

4.1.2 減小油門開度的比例減速系統(tǒng)為了避免上述系統(tǒng)中減速的突變性,應(yīng)采用比例減速系統(tǒng), 如圖4 所示。在比例減速系統(tǒng)中, 由傳感器電路Uo1 端輸出模擬電壓信號(hào), 控制電流放大板DF , 按照輸入信號(hào)Uo1的大小, 輸出不同的電流值, 使比例電磁鐵產(chǎn)生不同的位移, 油門開度的減小與Uo1的增大成正比關(guān)系, 減速所達(dá)到的最終結(jié)果是傾斜程度所決定的。

再看一下減速的過程: 電流放大板輸出電流的存在或消失要經(jīng)上升斜坡延時(shí)t u 和下降斜坡延時(shí)t d 。上升斜坡延時(shí)是指輸出電流(平均值) 從0 達(dá)到某一穩(wěn)定值(由Uo1 決定) 所需要的時(shí)間。下降斜坡延時(shí)是指控制信號(hào)Uo1 消失, 輸出電流從這一穩(wěn)定值減小至0 的時(shí)間, 詳見圖5 。在電流放大板上, 上升斜坡延時(shí)和下降斜坡延時(shí)可以分別調(diào)整,減速的平穩(wěn)性由上升斜坡延時(shí)所決定, 上升斜坡延時(shí)越長(zhǎng), 輸出電流的上升速率越小, 比例電磁鐵移動(dòng)到終止位置(由輸出電流決定) 所用的時(shí)間就越長(zhǎng), 減速效果越平穩(wěn); 異而反之。比例電磁鐵移動(dòng)到某一終止位置后, 即完成減速的平穩(wěn)過渡, 持續(xù)一段時(shí)間后, 傾翻力矩小于設(shè)定值或消失, 使Uo1減小或消失。若使Uo1減小, 則輸出電流按t d 所決定的斜率下降, 直至為0 。假設(shè)Uo1 突然消失, 輸出電流則經(jīng)過t d 延時(shí)后為0 , 從而, 實(shí)現(xiàn)了減速后重新加速的平穩(wěn)性。對(duì)于上升斜坡延時(shí)和下降斜坡延時(shí), 亦應(yīng)根據(jù)不同車型和系統(tǒng)參數(shù)決定。

電流放大板輸出電流的大小通常采用脈寬調(diào)制(簡(jiǎn)稱PMW) 技術(shù)獲得, 由輸入信號(hào)Uo1 決定輸出電流波形的占空比, 改變電流的平均值, 這種直流電流中含有一定成份的顫振分量,可克服比例電磁鐵的調(diào)節(jié)滯環(huán), 提高位置控制精度。

4.1.3 減小油門開度減速系統(tǒng)與原車油門機(jī)構(gòu)的連接由圖3 和圖4 可知, 減速系統(tǒng)的執(zhí)行元件所產(chǎn)生的位移與原車油門踏板所產(chǎn)生的位移的方向是相反的, 當(dāng)執(zhí)行元件使油門開度減小時(shí), 勢(shì)必會(huì)使油門踏板抬起, 并要克服原車油門機(jī)構(gòu)的阻力, 若駕駛員的腳踏在踏板上, 執(zhí)行元件需產(chǎn)生較大的力量才能完成動(dòng)作, 同時(shí), 對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中機(jī)械零件的強(qiáng)度、剛度也要提高要求, 使得減速系統(tǒng)不夠完善。