汽車轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì))

1、 傳感器技術(shù) 課程設(shè)計(jì) 題 目 汽車轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘要隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐的加快，汽車開始越來越多地進(jìn)入現(xiàn)代家庭，汽車電子也因此受到更多的重視。近些年來，國內(nèi)外眾多企業(yè)和學(xué)術(shù)科研機(jī)構(gòu)投入了大量的人力物力，研究和開發(fā)新的汽車電子技術(shù)，并在某些領(lǐng)域取得了許多突破性的進(jìn)展。傳感器技術(shù)作為現(xiàn)代工業(yè)控制的支柱產(chǎn)業(yè)，在汽車電子的設(shè)計(jì)研究中占有突出的地位，傳感器已成為汽車控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。通常一輛現(xiàn)代化的汽車，裝備的傳感器數(shù)量可多達(dá) 5060 個(gè)，而國外有些高級轎車，其裝備的傳感器數(shù)量已達(dá)到數(shù)百個(gè)，至于概念型汽車裝備的傳感器數(shù)量就更多了。傳感器已成為世界裝備市場上增長最快的領(lǐng)域之一。事實(shí)上

2、，應(yīng)用于汽車上的傳感器有很多種，目前主要有：轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、車速傳感器、節(jié)氣門位置傳感器等等。其中轉(zhuǎn)速傳感器是控制汽車運(yùn)轉(zhuǎn)非常重要的一種傳感器。本文對滯環(huán)電流控制的電流跟蹤型逆變器進(jìn)行了原理的分析，并且利用Matlab/Simulink動(dòng)態(tài)仿真工具對其系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)的仿真，驗(yàn)證了其原理的正確性和可行性，證明了滯環(huán)電流控制具有輸出電流正弦，具有魯棒性好和動(dòng)態(tài)性能好的突出優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：傳感器 汽車 霍爾傳感器目 錄一 、設(shè)計(jì)目的1二、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求12.1設(shè)計(jì)任務(wù)12.2設(shè)計(jì)要求1三、設(shè)計(jì)步驟及原理分析23.1設(shè)計(jì)方法23.2設(shè)計(jì)步驟23.3設(shè)計(jì)原理分析4四、課程設(shè)

3、計(jì)小結(jié)與體會74.1轉(zhuǎn)速傳感器的故障診斷-74.2 心得體會-9五、參考文獻(xiàn)10一、 設(shè)計(jì)目的 對汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)測，以便于控制車速，減少安全事故的發(fā)生。二、 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求2.1設(shè)計(jì)任務(wù)轉(zhuǎn)速測量的方案選擇一般要考慮傳感器的結(jié)構(gòu)、安裝以及測速范圍與環(huán)境條件等方面的適用性再就是二次儀表的要求除了顯示以外還有控制、通訊和遠(yuǎn)傳方面的要求，因此我們要選擇合適的傳感器和控制儀表。 2.2設(shè)計(jì)要求2.2.1低成本化：目前電控技術(shù)應(yīng)用已從高級轎車逐漸向中低檔轎車普及。今后，為了向普及型轎車和商用車普及，要求電控系統(tǒng)小型化、低成本，特別要控制好傳感器數(shù)量及制造成本，并要簡化結(jié)構(gòu)。2.2.2復(fù)合化：近年汽

4、車中新開發(fā)的 ASR（汽車驅(qū)動(dòng)防滑系統(tǒng)）、ESP（車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)）、巡航等系統(tǒng)，都能從共用原汽車 ABS 里的輪速傳感器中采集到相關(guān)信息。2.2.3接融性要好：現(xiàn)代中高檔汽車的各控制單元之間都已采用 CAN 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，汽車的各傳感器及控制單元的接融性要好，便于軟件升級。2.2.4可靠性、保險(xiǎn)性要高：如別克車的點(diǎn)火系統(tǒng)中若 1X、24X 出故障時(shí)，只要 7X 傳感器正常，系統(tǒng)還能維持汽車運(yùn)行，只是發(fā)動(dòng)機(jī)性能有所下降。三、設(shè)計(jì)步驟及原理分析 3.1設(shè)計(jì)方法 首先，我們要對測量轉(zhuǎn)速的傳感器有個(gè)大概的了解，我們要去弄懂這些傳感器的工作原理好加以設(shè)計(jì)。3.2設(shè)計(jì)步驟 首先，選擇設(shè)計(jì)方案，以下有兩套

5、設(shè)計(jì)方案的簡要說明：方案一： 霍爾傳感器測量方案傳感器的定子上有2個(gè)互相垂直的繞組A和B,在繞組的中心線上粘有霍爾片和,轉(zhuǎn)子為永久磁鋼霍爾元件和的激勵(lì)電機(jī)分別與繞組和相連,它們的霍爾電極串聯(lián)后作為傳感器的輸出。圖3.2.1 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖圖 3.2.2 方案霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的接線圖采用霍爾傳感器在信號采樣的時(shí)候，會出現(xiàn)采樣不精確，因?yàn)樗强看判愿袘?yīng)才采集脈沖的，使用時(shí)間長了會出現(xiàn)磁性變小，影響脈沖的采樣精度。但是它可避免由于汽車行駛中產(chǎn)生的環(huán)境干擾。避免了無效信號的產(chǎn)生。方案二： 光電傳感器從下圖中可見轉(zhuǎn)子由一直流調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的無級調(diào)速。轉(zhuǎn)速信號由光電傳感器拾取使

6、用時(shí)應(yīng)先在轉(zhuǎn)子上做好，光電標(biāo)記具體辦法可以是：將轉(zhuǎn)子表面擦干凈后用黑漆(或黑色膠布)全部涂黑再將一塊反光材料貼在其上作為光電標(biāo)，記然后將光電傳感器光電頭固定在正對光電標(biāo)記的某一適當(dāng)距離處。光電頭采用低功耗高亮度LED,光源為高可靠性可見紅光,無論黑夜還是白天，或是背景光強(qiáng)有大范圍改變，都不影響接收效果。光電頭包含有前置電路，輸出0-5V的脈沖信號。接到單片機(jī)89C51的相應(yīng)管腳上，通過89C51內(nèi)部定時(shí)/計(jì)時(shí)器 T0、T1及相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)，組成一個(gè)數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。圖 3.2.3 測量系統(tǒng)的組成框圖此方案的缺點(diǎn)：采用光電傳感器在信號采樣的時(shí)候，會出現(xiàn)采樣不精確，所以需要信號整形、放大電路，而

7、且如果運(yùn)用于汽車速度測量時(shí)，由于汽車行駛時(shí)，輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)會產(chǎn)生外部干擾如：水滴，飛石等環(huán)境因素，對光電傳感器產(chǎn)生影響。所以不能運(yùn)用于此。3.3設(shè)計(jì)原理分析霍爾傳感器測量原理：霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器?；魻栃?yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方法。通過霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)?；魻柶骷怯砂雽?dǎo)體材料制成的一種薄片，器件的長、寬、高分別為l、b、d。若在垂直于薄片平面（沿厚度d）方向施加外磁場B，在沿l方向的兩個(gè)端面加一外電場，則有一定的電流流過。由于電子在磁場中運(yùn)動(dòng)，所以將受到一個(gè)洛侖磁力，其大小為：式中：洛侖磁力，載

8、流子電荷，v載流子運(yùn)動(dòng)速度，B磁感應(yīng)強(qiáng)度。這樣使電子的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏移，在霍爾元器件薄片的兩個(gè)側(cè)面分別產(chǎn)生電子積聚或電荷過剩，形成霍爾電場，霍爾元器件兩個(gè)側(cè)面間的電位差稱為霍爾電壓?；魻栯妷捍笮椋?(mV) 式中：霍爾常數(shù)，d元件厚度，B磁感應(yīng)強(qiáng)度，I控制電流設(shè) , 則=(mV)為霍爾器件的靈敏系數(shù)(mV/mA/T)，它表示該霍爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流下輸出霍爾電動(dòng)勢的大小。應(yīng)注意，當(dāng)電磁感應(yīng)強(qiáng)度反向時(shí)，霍爾電動(dòng)勢也反向。圖3.3.1 霍耳元件的原理結(jié)構(gòu)圖若控制電流保持不變，則霍爾感應(yīng)電壓將隨外界磁場強(qiáng)度而變化，根據(jù)這一原理，可以將兩塊永久磁鋼固定在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)盤的邊沿，轉(zhuǎn)盤隨

9、被測軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤附近安裝一個(gè)霍爾元件，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾元件受到磁鋼所產(chǎn)生的磁場影響，輸出脈沖信號。傳感器內(nèi)置電路對該信號進(jìn)行放大、整形，輸出良好的矩形脈沖信號，測量頻率范圍更寬，輸出信號更精確穩(wěn)定，已在工業(yè)，汽車，航空等測速領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。其頻率和轉(zhuǎn)速成正比，測出脈沖的周期或頻率即可計(jì)算出轉(zhuǎn)速。光電效應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理：光電效應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器是利用光敏元件（光敏三極管或光敏二極管）的光電效應(yīng)原理制成。如圖 3 所示，光電效應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器由遮光盤、遮光盤軸、光源、光接收器等組成。光電式發(fā)生器利用信號轉(zhuǎn)子即遮光盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，光接收器（光敏二極管或光敏三極管）就不斷地

10、受到照光和遮光，因而光敏二極管或光敏三極管不斷地導(dǎo)通或截止，從而輸出高、低電平信號。圖 3.3.2 光電效應(yīng)式傳感器1、 遮光盤 2、遮光盤軸 3、光源 4、光接收器四、課程設(shè)計(jì)小結(jié)與體會 4.1轉(zhuǎn)速傳感器的故障診斷：轉(zhuǎn)速傳感器故障檢查步驟如下：1. 轉(zhuǎn)速傳感器若出現(xiàn)故障，一般汽車的儀表上故障燈會亮，對于一般的故障可用經(jīng)驗(yàn)方法對其檢驗(yàn)與排除，例如，零件外觀有無破損及配線有無斷裂及損傷，接頭是否牢固。2利用自診斷系統(tǒng)檢查故障。若汽車自診斷系統(tǒng)檢查出系統(tǒng)有故障碼時(shí)，則要先找到此故障碼相對應(yīng)的傳感器，（一般對轉(zhuǎn)速傳感器而講 2 線是磁感應(yīng)式，3 線是霍爾感應(yīng)式或光電式）。（1） 霍爾傳感式：（如別克

11、車出現(xiàn) P0336CKP、P0341CM P 故障）我們可根據(jù)霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的原理，先應(yīng)檢查輸向傳感器電源的電壓是否正常，一般兩側(cè)腳為傳感器的輸入電壓，中央腳為信號線輸出。在輸入電壓正常的前提下，人為地使觸發(fā)葉輪擋住磁場，此時(shí)信號線輸出處于高電位。人為地使觸發(fā)葉輪離開磁場，此時(shí)信號線輸出應(yīng)處于低電位。（2） 磁感應(yīng)式：（如豐田車出現(xiàn) 12 碼NE 故障）我們可根據(jù)磁感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器的原理，應(yīng)先檢查傳感器在工作狀態(tài)下是否有交流電發(fā)出，有電發(fā)出說明傳感器基本工作正常，沒電發(fā)出則檢查轉(zhuǎn)速傳感器的線圈電阻是否正常，再測量傳感器與電腦之間電線的電阻值是否符合要求，適當(dāng)時(shí)拆下傳感器檢查它與觸發(fā)輪之間的間

12、隙是否正常。有時(shí)檢查磁感應(yīng)式傳感器的好壞，也可用起子在傳感器觸發(fā)頭處來回移動(dòng)，用萬用表交流電壓 2V 檔，測它是否有電壓輸出，若有電壓輸出，則傳感器一般為好的。（3） 對于霍爾感應(yīng)式、光電式傳感器也可利用發(fā)光二極管接在信號線上，在系統(tǒng)工作時(shí)看發(fā)光二極管有無閃爍，若有閃爍說明此傳感器已工作。但此法一般不用于磁感應(yīng)式傳感器，因?yàn)榇鸥袘?yīng)式傳感器若轉(zhuǎn)速過低，磁感應(yīng)產(chǎn)生電壓很低，發(fā)光二極管閃爍不明顯。若轉(zhuǎn)速過高，信號頻率過高，發(fā)光二極管也閃爍不明顯。（4） 檢查發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器，有時(shí)利用汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表進(jìn)行判斷，若發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表正常說明發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器也正常。3在汽車修理實(shí)踐中故障碼并非是萬能的，故障代碼僅

13、是一個(gè)是或否的界定結(jié)論，不可能指出故障的具體原因，而且若傳感器的靈敏度下降（雖在 ECU 設(shè)定的范圍之內(nèi)，但反應(yīng)遲鈍、輸出特性偏移等），則自診斷系統(tǒng)就檢測不出來了。這時(shí)若無故障碼，但你可利用汽車專業(yè)的解碼器讀取汽車運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的數(shù)據(jù)流。 仔細(xì)閱讀各傳感器在發(fā)動(dòng)機(jī)各種工作狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，與維修手冊的資料相對比。若數(shù)據(jù)不同，應(yīng)檢查該傳感器的配線，或更換傳感器。4汽車的數(shù)椐流一般只是反映電腦中的各傳感器的數(shù)據(jù)，不能測量及反映各傳感器輸入的直接信號，而且測量范圍比較小，功能有限。要想真正地對傳感器信號進(jìn)行徹底的分析，就要用汽車綜合故障診斷儀進(jìn)行協(xié)助分析判斷，對傳感器單體進(jìn)行針對性的全過程檢測，才能有助于排

14、除傳感器故障。4.2 心得體會通過這次課程設(shè)計(jì)的書寫，資料搜索到設(shè)計(jì)的書寫整一個(gè)過程，讓我對過去課堂當(dāng)中所學(xué)到的知識進(jìn)行了一次系統(tǒng)性的回顧和強(qiáng)化，雖然沒有真正做出實(shí)物，但是也是一次機(jī)會難得的實(shí)踐學(xué)習(xí)，相當(dāng)于一次畢業(yè)設(shè)計(jì)前準(zhǔn)備工作。課程設(shè)計(jì)讓我深入理解了單片機(jī)的魅力，單片機(jī)在生產(chǎn)生活的廣泛應(yīng)用，和單片機(jī)不可忽視的社會作用；提高了我的創(chuàng)新能力，擴(kuò)展了我的想像，讓我在沒有任何實(shí)品的情況下，規(guī)劃制作的內(nèi)容、步驟、要點(diǎn)等等，敢想敢做是成功的一個(gè)重要的因素。這次課程設(shè)計(jì)，我翻閱了很多的書籍和畢業(yè)論文，并上網(wǎng)搜索了很多關(guān)于單片機(jī)的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)材料。并借鑒了許多期刊、論文、報(bào)告的指導(dǎo)，完成此課程設(shè)計(jì)。雖然在設(shè)計(jì)和書寫過程中，遇到了很多的問題，但是我都努力突破。當(dāng)然，我也知道該系統(tǒng)還存在很多的不足，還有很多的地方需要?jiǎng)?chuàng)新或者新技術(shù)的改進(jìn)。但是，完成的情況對于自己來說還是挺滿意的。不過，希望自己在以后更加努力的學(xué)習(xí)，爭取可以做出真正具有社會價(jià)值的東西來。在課程設(shè)計(jì)過程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，不斷改正，不斷領(lǐng)悟，不斷獲取。回顧此次課程設(shè)計(jì)，使我懂得了理論與實(shí)踐相結(jié)合的重要性，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實(shí)踐相結(jié)合起