汽車(chē)側向傾斜角度傳感器的應用

角度傳感器在控制系統中通常作為采樣元件,其性能的優(yōu)劣對整個(gè)系統起著(zhù)重要作用。電位器式角度傳感器已在各種控制系統中廣泛應用, 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體技術(shù)制造的新型純電阻性元件, 特點(diǎn)是無(wú)觸點(diǎn), 當擺動(dòng)部分偏轉時(shí), 通過(guò)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, 使得對所測得角度的響應有一個(gè)短暫的延時(shí)———對控制系統來(lái)講是有益處的。

3 角度傳感器電路

圖2 是側向傾斜角度傳感器的一種實(shí)用電路,主要由單電源運算放大器(如LM324) 組成, 其作用是將角度傳感器中的電位器W1 輸出的線(xiàn)性變化的模擬電量進(jìn)行處理、放大, 能夠按規定輸出數字量和模擬量。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 為調中電位器, 阻值很小。調整W2 ,當W1 處于水平狀態(tài)時(shí), 使運放A1 、A2 輸出端電位為(1P2) Ec 。運放A1 組成反相比例運算放大器, 作為電路的前置級放大, 輸入電壓為Ui , 輸出電壓U1 =- ( R7PR5 ) Ui , 且應使R6 = R5 ∥R7 ; 運放A2 組成反相器, 電阻R10 = R8 , 且應使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(mén)電路輸出,使得汽車(chē)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(xiàn)性關(guān)系的模擬信號, 即Uo1 = ( R7PR5 ) | Ui | , 去控制后面的電路或機構。發(fā)光二極管還能指示傾斜方向, 當水平狀態(tài)時(shí), 模擬量輸出端Uo1 = (1P2) Ec 。

運放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,以改善運放的開(kāi)關(guān)狀態(tài)工作性能, 電阻R13 ～R17 為分壓電阻, 且應R14 = R15 , R16 = R17 , 電阻R13 中點(diǎn)處的電位為(1P2) Ec , 分壓電阻的阻值應根據U2的變化所反應的傾翻力決定, 使得運放A3 和A5 的反相輸入端、運放A4 和A6 的同相輸入端獲得不同的開(kāi)關(guān)轉換基準電位, 而且所反應的左右傾斜程度是一致的。水平時(shí), U2 = (1P2) Ec , 運放A3 ～A6均輸出低電平; 傾斜時(shí), U2 的電位發(fā)生變化, 運放A3～A6 按規定要求輸出高電平。例如, 電位器W1 左擺時(shí), 使U2 電位升高, 當高于A(yíng) 點(diǎn)電位時(shí),運放A3 輸出高電平, 二極管L ED3 顯示傾斜方向,若汽車(chē)繼續向左傾斜, 使U2 電位繼續升高, 當高于C 點(diǎn)電位時(shí), 運放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, 運放A4 和A6 的工作亦如此。2 個(gè)輸出端Uo2和Uo3輸出的數字信號所反映傾斜程度與傾斜方向無(wú)關(guān), 很明顯, Uo3有高電平信號輸出時(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)復中位型扭子開(kāi)關(guān), 作為電路的檢驗開(kāi)關(guān), 當上下搬動(dòng)時(shí), 應分別使二極管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, 在系統中相當于傳感器中的阻尼作用增加。

4 應用

根據前文對圖2 電路的敘述可知, 汽車(chē)側向傾斜角度傳感器的應用有2 種形式。一是由電路發(fā)出的數字信號Uo2 , 驅動(dòng)聲光信號裝置, 提醒駕駛員減速; 二是由電路發(fā)出的數字信號Uo3 或模擬信號Uo1控制執行機構, 使汽車(chē)自動(dòng)減速, 采用數字信號組成定量減速系統, 減速時(shí)略有些速度忽變, 采用模擬信號組成比例減速系統, 減速的效果比較平滑, 實(shí)現減速的方法有2 種, 一是減小發(fā)動(dòng)機油門(mén)開(kāi)度, 二是增加制動(dòng)。下文分述。

4.1.1 減小油門(mén)開(kāi)度的定量減速系統由傳感器電路發(fā)出的數字信號, 控制執行元件(如電磁鐵) 組成減小發(fā)動(dòng)機油門(mén)開(kāi)度的定量減速系統, 如圖3 所示。汽車(chē)正常行駛時(shí), 油門(mén)拉桿由油門(mén)踏板控制, 電磁鐵中的動(dòng)鐵心隨油門(mén)拉桿同步移動(dòng); 當汽車(chē)側向傾斜(指速度、轉彎半徑及路面坡度的綜合值, 下同) 超過(guò)設定值時(shí), 傳感器電路輸出端Uo3發(fā)出信號, 經(jīng)延時(shí)環(huán)節YS (如時(shí)間繼電器, Uo3消失后, YS 延時(shí)斷開(kāi), 若阻尼和電路的延時(shí)足夠, 可以不設) , 開(kāi)關(guān)量放大環(huán)節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(mén)拉桿, 使油門(mén)開(kāi)度突然減小。

在這一系統中, 動(dòng)鐵心移動(dòng)的起始位置不是固定的, 終止位置是可以預先設定的, 所獲得的減速程度有所不同。因此, 應根據不同的車(chē)型, 合理地設定發(fā)動(dòng)機減速所要達到的轉速, 使減速不至于過(guò)于突然。

4.1.2 減小油門(mén)開(kāi)度的比例減速系統為了避免上述系統中減速的突變性,應采用比例減速系統, 如圖4 所示。在比例減速系統中, 由傳感器電路Uo1 端輸出模擬電壓信號, 控制電流放大板DF , 按照輸入信號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(mén)開(kāi)度的減小與Uo1的增大成正比關(guān)系, 減速所達到的最終結果是傾斜程度所決定的。

再看一下減速的過(guò)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 達到某一穩定值(由Uo1 決定) 所需要的時(shí)間。下降斜坡延時(shí)是指控制信號Uo1 消失, 輸出電流從這一穩定值減小至0 的時(shí)間, 詳見(jiàn)圖5 。在電流放大板上, 上升斜坡延時(shí)和下降斜坡延時(shí)可以分別調整,減速的平穩性由上升斜坡延時(shí)所決定, 上升斜坡延時(shí)越長(cháng), 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(cháng), 減速效果越平穩; 異而反之。比例電磁鐵移動(dòng)到某一終止位置后, 即完成減速的平穩過(guò)渡, 持續一段時(shí)間后, 傾翻力矩小于設定值或消失, 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Uo1 突然消失, 輸出電流則經(jīng)過(guò)t d 延時(shí)后為0 , 從而, 實(shí)現了減速后重新加速的平穩性。對于上升斜坡延時(shí)和下降斜坡延時(shí), 亦應根據不同車(chē)型和系統參數決定。

電流放大板輸出電流的大小通常采用脈寬調制(簡(jiǎn)稱(chēng)PMW) 技術(shù)獲得, 由輸入信號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節滯環(huán), 提高位置控制精度。

4.1.3 減小油門(mén)開(kāi)度減速系統與原車(chē)油門(mén)機構的連接由圖3 和圖4 可知, 減速系統的執行元件所產(chǎn)生的位移與原車(chē)油門(mén)踏板所產(chǎn)生的位移的方向是相反的, 當執行元件使油門(mén)開(kāi)度減小時(shí), 勢必會(huì )使油門(mén)踏板抬起, 并要克服原車(chē)油門(mén)機構的阻力, 若駕駛員的腳踏在踏板上, 執行元件需產(chǎn)生較大的力量才能完成動(dòng)作, 同時(shí), 對傳動(dòng)機構中機械零件的強度、剛度也要提高要求, 使得減速系統不夠完善。