汽车电控系统中测量旋转变量的方法比较

在汽车电控系统中，电脑需要随时监控系统的运行状态，根据不同的运动状态采取相应的措施。由于汽车部件大多是处于高速运动中的，为使控制精确，则监控对象运动状态的采集就要力求准确迅速。旋转部件在汽车组成中大量存在，例如与发动机有关的如：曲轴、凸轮轴、机油泵、水泵等，与附件有关的如：发电机、空调压缩机等，与底盘相关的如：变速器中的输入输出轴、传动轴、车轮等。在与这些部件相关的控制系统中，电脑都需随时检测旋转运动部件的旋转变量，如旋转速度和旋转加速度等。下面就分析一下车辆控制系统中旋转部件的旋转变量测量的几种方法原理。

1 磁电效应法

在一个棒状磁铁上绕有多匝线圈，此时，磁铁就会在周围建立磁场，周边就有磁力线存在。当磁铁的顶端有铁质物体通过时，就会切割磁力线，在磁铁上的线圈中就会产生电磁感应，如果铁质物体安装在旋转的部件上，循环的切割磁力线，则在磁铁线圈两端会输出交变的电压信号，电脑接收到该信号后，通过分析该信号的频率即可计算出旋转的速度，通过频率在单位时间内的变化量即可计算出旋转的加速度。图1所示为发动机中检测曲轴转速的曲轴位置传感器的结构示意图。齿圈为铁质材料制成，安装在旋转的曲轴上。在齿圈的顶端位置安置有曲轴位置传感器，该传感器中心安装有一个永久传统，在永久磁铁上绕有感应线圈，感应线圈的两端输出信号至控制电脑。当齿圈随着发动机曲轴旋转时，就会切割永久磁铁形成的磁场中的磁力线，从而在感应线圈中产生交变的电压信号(即交流信号)。产生的交流信号如图2中所示。

从图2中波形可知，该信号是模拟信号，即是幅值连续变化的波形。

模拟信号的第一个特点是：信号幅值的高低与齿圈和传感器的相对运动速度有关。

当相对速度高时，齿圈单位时间内切割的磁力线就多，产生波形的幅值就高，反之，相对速度低时，切割的磁力线少，信号的幅值就低。所以，磁电式检测转速的传感器往往有最低转速要求，即当信号盘的转速低于一定值时，传出的信号电脑就无法识别了，因为在电脑内部接收信号后要进行整形和识别，只有高于一定幅值的信号才能达到电脑识别的阀值。当信号幅值低于电脑识别的阀值时，电脑就认为没有信号送达。

理论分析及解析解的研究，试图通过不需要经过复杂的数值模拟计算即可得到系统数学模型的求解结果，进而指导工业设计或系统性能优化等。

光电效应法检测旋转量常用的方法是在一对光耦元件的中间设置一个旋转的遮光板，如图5所示，发光二极管面对光敏三极管发出光线，当光敏三极管能接收到光线时，电子电路就输出高电位；当遮光板旋转到发光二极管与光敏二极管之间时，光线被隔绝，光敏三极管接收不到光线，电子电路就输出一个低电位。如图5所示，遮光板由四片叶片组成，则旋转一周，遮光四次，电子电路就输出四个方波，电脑收到该方波信号后就可根据单位时间内方波的个数计算出有关参数。

信号幅值的高低除与相对速度有关外，还与其间距有关。传感器中永久磁铁的顶端与齿圈的间距越小，相对运动时切割的磁力线就越多，因为越靠近磁铁其磁场强度就越强，磁力线也越密集。在实际安装操作中，一般把其间隙控制在0.2—0.4毫米间。如果安装间隙过小，传感器会加大与齿圈相撞的危险，从而造成两者的损坏；如果安装间隙过大，会使信号变弱，例如曲轴位置传感器安装间隙过大，会使发动机启动困难。

希拉里在演讲中运用了许多陈述语气运用为命令语气的句子，其中希拉里所采用的语词基本几种在“let’s...””I want to...””we need you to...”

模拟信号的第三个特点是：信号容易受到干扰。

模拟信号的幅值是连续变化的，当此信号送到电脑时，任何中间值电脑都是认可接受的。干扰信号一般都是以强电磁波的形式出现的，在车上最常见的电磁波干扰源有火花塞的跳火，司机使用的高功率步话机，手机信号以及发电机等。这些干扰源的干扰信号表现在波形上就是又窄又高的尖波，且其杂乱无章类似噪音波形。当干扰信号的杂波进入正常的模拟信号传输线路后，电脑收到的就是多个信号的叠加。这些无意义的信号进入电脑，电脑是无法识别的，这就造成了电脑无法判断监测部件的运动状态，后果是要么执行错误的控制命令，要么电脑停止发出控制命令。为了防止电磁干扰，一般在模拟信号输送线路的外面再包裹上一层金属屏蔽层，再把金属屏蔽层接地。当有外来的强电磁干扰时，干扰电磁信号就进入屏蔽层最终被导入车体(负极)，从而保护了内层的正常信号传输。

霍尔效应法的特点是霍尔元件输出的方波信号是数字信号。数字信号只包含两个状态，即逻辑的0和逻辑的1，在信号波形上逻辑的0表示为0V，逻辑的1表示为12V。有叶片遮挡时为0，无叶片遮挡时为1。

但是，当屏蔽层破损或干扰信号通过其他线路进入也会造成模拟信号干扰。

例如，车载交流发电机中的整流板损坏，发电机发出的交流电无法经过整流变成直流电，交流电的正弦波信号进入了控制线路，该信号与曲轴位置传感器产生的模拟信号叠加，最后造成发动机电脑在某一个转速时段逻辑混乱，车速提不起来，车身发抖。

依前所述，干扰信号是以强电磁波的形式出现的，且在波形上表现为尖波状杂波。当干扰的尖波进入数字信号传输路线后与方波进行叠加，叠加后的混合波形送进电脑，在电脑侧只识别0V与12V的信号，其他的信号电脑自动识别为干扰信号而过滤掉。因此说，方波信号的抗干扰能力强。

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不过，磁电式传感器的优点也有很多。例如，结构简单，只有磁铁和线圈，工作时不需要外部供电；性能可靠，不怕污水，不怕灰尘，不怕油污；同时造价低廉。从而使其应用非常广泛。

2 霍尔效应法

霍尔效应法就是利用霍尔元件的特性制成的检测旋转量的传感器。如图3中所示，就是一个由霍尔元件制成的转速传感器。在霍尔元件4的垂直方向上安装有一个永久磁铁2，金属信号转子叶片3随轴1一起旋转。给霍尔元件通电，正常工作。转动轴1，带动金属叶片3转动，当金属叶片3处于永久磁铁2与霍尔元件4之间时，永久磁铁的磁力线因金属叶片的阻隔无法到达霍尔元件，此时霍尔元件输出低电位(如图四中的0V)；金属叶片3随着轴1继续，当叶片间的空隙部分经过永久磁铁与霍尔元件之间时，磁力线就能顺利穿过霍尔元件，此时霍尔元件就输出一个高电位(如图四中的12V)。当金属叶片再次阻隔了磁力线时，霍尔元件又再次输出低电位，如此往复。最后霍尔传感器就输出如图4所示的方波。电脑可计算该方波的频率以获得转速信号。

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霍尔效应传感器的第一个特点是：霍尔传感器输出的方波信号是数字信号，数字信号抗干扰能力强。

磁电式旋转变量传感器还有一个明显的缺点就是怕铁屑，当有铁屑附着在传感器的铁芯上达到足够多的量时，就会弥补上传感器与齿圈间的间隙，造成无法切割磁力线，因而无法产生感应电动势，即传感器无信号输出。

霍尔效应传感器的第二个特点是：信号幅值的高低与传感器的相对速度无关。

例如，在电瓶电压较低或启动温度较低的状态下启动发动机，发动机转速会较慢，电脑就可能检测不到曲轴旋转信号，从而不点火和不喷油，造成发动机启动困难。

旋转的叶片，无论旋转的多慢，只要遮挡住了磁力线，霍尔传感器就输出0V；只要叶片转到缺口处，有磁力线通过，霍尔传感器就输出12V。其输出0V与12V的状态与叶片旋转的速度没有关系。与模拟信号的输出幅值与相对转速有很大关系形成了鲜明对比。霍尔传感器的这个特性，应用在发动机的曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器上，就可降低发动机启动时的初始转速要求，提高启动成功率。

霍尔效应传感器的第三个特点是：传感器与叶片的安装间隙不需要精确调整。

霍尔传感器与永久磁铁在制作时已经固定了相对位置，安装时只需与旋转叶片保持相对正确即可，不需要像磁电式传感器样的精确调整。

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霍尔效应传感器的优点总结如下：抗干扰能力强，信号幅值与传感器的相对转速无关，传感器与信号盘(旋转叶片)安装位置相对固定。同时，霍尔效应传感器不怕污水、不怕灰尘和不怕油污。但是怕铁屑影响了磁力线通道。

与磁电式相比，霍尔效应传感器工作时是需要工作电源的，所以霍尔传感器可能因为供电故障的原因而降低了其自身的工作可靠度。甚至可能因为供电的原因而引起传感器损坏。

3 光电效应法

模拟信号的第二个特点是：信号幅值的高低与齿圈和传感器的间距有关。

由于光线的精确性，用于遮光的部件可以做得非常精确，比如可以在圆形钢片上每隔1度刻出一个槽，这样的钢片通过光耦件旋转一周时，电子电路就输出360个方波信号，则电脑即可精确定位该旋转部件到1度的精度。所以光电式传感器的测量精度比前面介绍的两种方式都高很多。

从图5中可知，光电效应法输出的信号也是数字信号，所以该种方式也具有信号抗干扰能力强的优点。同时，信号的幅值变化与转速无关，即无论叶片旋转多慢，也不影响输出信号的方波波形幅值大小。光电效应法检测旋转量的传感器工作时需要工作电源以给电子电路和光耦件供电。

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但是，光电式传感器也有很多缺点，由于其太精确，所以受到污染后传感器很容易失效。例如当灰尘、泥水、油污甚至光线进入该传感器的光耦间时，都会造成传感器的失效。所以，该传感器必须工作在密封良好且不透光的环境中。就是由于这个特性，影响了其在汽车上某些地方的应用。例如，不能用于检测车轮的转速，因为车轮处灰尘、污水、污泥太多，会造成传感器失效。也不能用于检测发动机曲轴和凸轮轴转速，因为该处油污太重，也会使传感器失效。

将每个平板均分成4个区域，编号，每个区域滴三滴样液，每滴10μL。重复三次（4DP法）。所有平板均在37℃恒温箱中培养，48 h后观察结果。试验重复3次，计算各组的活菌浓度（cfu/mL）。其杀菌率由以下公式计算：

不过，如果光电效应式传感器能够安装在符合工作条件的环境，例如驾驶室内部，则可充分利用其检测精度高的优点加以运用。比如用于检测方向盘转向角度的传感器，因其可以安装在方向盘下方。

4 各种方法的对比与展望

前文所述的三种方法各有优缺点，在汽车电控系统中均有运用，下面对其几个方面进行横向对比下如下表所示。

因磁电式传感器的高可靠性和对环境要求很低的特点，使其在工作环境较恶劣的发动机、变速箱和底盘中得到广泛的运用。

霍尔式传感器因其对环境要求也不高，同时抗干扰能力强，有逐步取代磁电式的趋势，以后的运用会逐渐增多。

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光电式虽然检测精度高，但其工作的特殊性，只能用于较干净的环境，所以在汽车的室内有较多的采用，在发动机、变速箱和底盘控制上应用很少。

[1]汽车底盘电控技术，赵良红主编，机械工业出版社。ISBN：711107095X.

[2]汽车传感器原理与检修，作者:何金戈 主编出版社:化学工业出版社，ISBN：9787122235466.

[3]汽车电控发动机：构造·原理·分析·诊断·维修，作者:曹晶 编著出版社:化学工业出版社，ISBN：9787122391087.