新型非接觸式節(jié)氣門位置傳感器原理解析

仇世侃， 雷淼全

（長安大學， 陜西 西安 710064）

節(jié)氣門位置傳感器是汽車發(fā)動機控制系統(tǒng)的重要傳感器之一， 長期以來采用滑動變阻器作為節(jié)氣門開度的傳感裝置。 因其制作簡單、 價格便宜、 線性度好， 在汽車上被廣泛應用， 也廣為人們所知。 但其在使用中也暴露出明顯的缺點： 滑動觸點與固定電阻發(fā)生相對移動， 使用一定時間后因不斷地滑動致使經常工作區(qū)段 （中等負荷） 的輸出信號時大時小， 時有時無， 導致故障報警。 為克服觸點滑動帶來的缺點， 各汽車生產廠家開始采用非接觸式傳感器，并有普及的趨勢。 故介紹一種應用于德國大眾系列轎車上的非接觸式節(jié)氣門位置傳感器， 即由德國海拉 （Hella） 公司生產的電磁耦合式節(jié)氣門位置傳感器。

1 傳感器的組成與結構

傳感器實物由定子、 轉子和印刷電路等組成， 如圖1所示。

圖1 定子、 轉子及電路

1） 轉子裝于節(jié)氣門軸的一端， 是傳感器的轉換電路的一部分， 制作成3瓣梅花狀， 其上粘特定形狀的不銹鋼導線， 即反饋線圈， 每瓣占據60°， 如圖1所示。 裝配后， 轉子與定子同軸相對， 距離約2～3mm。

2） 定子印制在雙層電路板上， 是傳感器的轉換電路的另一部分， 它形似一個古代木質車輪， 包括激勵線圈和接收線圈。 外邊沿是激勵線圈， 輪輻位置是接收線圈。 激勵線圈共8圈， 其中4匝布于電路板的上面， 另4匝布于電路板的下面， 兩側線圈通過一穿孔相連。

3） 接收線圈共有6組， 每組均由一根印刷線繞制而成，如圖2所示。 其各組線圈的布置很特殊， 特點如下： ①每組包含有6個單匝線圈， 正向連續(xù)繞制3個單匝， 再反向連續(xù)繞制3個單匝， 正向單匝與反向單匝間隔排布， 形成一個花瓣形的封閉區(qū)； ②每單匝線圈邊跨距60°； ③每組線圈單匝的一半印制在上層電路板 （實線）， 另一半印制在下層電路板 （虛線）， 兩半匝之間通過外圈的穿孔相連， 各單匝之間通過內圈的穿孔相連， 如圖2所示； ④這6組接收線圈的匝數和形狀完全相同， 相鄰兩組間隔10°， 其中相互間隔的3個線圈組構成一個信號單元， 6組線圈構成2個信號單元。

圖2 單組接收線圈結構圖

4） 電路印制在雙層板上， 除電阻外就是兩個完全相同的集成塊 （79075701）， 該集成塊擁有激勵信號發(fā)生、 位置信號的放大、 濾波、 采集和保持， 以及信號的調解、 解碼和轉換等功能電路。

2 工作原理

根據其組成和基本原理， 簡化后的電路原理如圖3所示。

圖3 電路原理

1） 激勵磁場的形成

傳感器工作時，集成塊給激勵線圈施加3.1MHz 的正弦交流信號， 根據電磁效應， 在激勵線圈內外將對應地產生一個交變磁場。 由于交變磁場是不斷變化的， 這里用某瞬時線圈內一平面內的最大值 （幅值） 來說明激勵磁場的分布狀況， 如圖4所示。

圖4 激勵磁場分布示意圖

2） 加入轉子后的磁場

當轉子靠近激勵線圈后， 轉子上的接收線圈 （轉子繞組） 受激勵磁場的作用， 便在轉子繞組中感應出交流電。轉子繞組是僅有一匝的閉合線圈， 于是在轉子中形成電流（渦流）， 進而也產生磁場， 而且渦流磁場企圖阻礙激勵線圈產生的磁場， 其結果使激勵磁場的大小和形態(tài)發(fā)生變化：與轉子繞組相對部分的磁場減弱或完全抵消， 而沒有與轉子繞組相對區(qū)域的磁場不變， 如圖5所示。 這個形態(tài)分布如同在激勵磁場這個蛋糕中陷入轉子。 這種分布將隨轉子（節(jié)氣門） 的轉動發(fā)生移動。

圖5 加入轉子后的激勵磁場

3） 無轉子時接收線圈的信號輸出

無轉子時， 接收線圈處于只有激勵線圈的磁場中， 根據電磁感應原理， 在接收線圈中將有交流電產生。 由于每組接收線圈由3個正繞線圈和3個反繞線圈組成， 且正繞線圈和反繞線圈所處的激勵磁場的大小和變化相同， 結果在各組中正繞線圈感應出的交流電與反繞線圈感應出的交流電大小相等， 變化同步， 而方向相反， 結果在各組接收線圈中都沒有交流電輸出。

4） 有轉子時接收信號的輸出及幅值變化

當轉子置于激勵磁場中， 受轉子渦流的影響， 不僅激勵磁場的分布和大小發(fā)生變化， 接收線圈中的感應電壓隨轉子的介入也發(fā)生改變。 研究發(fā)現其幅值與轉子位置有著確定的關系， 且符合余弦規(guī)律。 下面以幾個特殊的位置和區(qū)段說明接收信號的變化規(guī)律。

若以B繞組 （簡稱B組） 為例， 且轉子的零位是轉子的3瓣正對B組的3個反繞線圈， 如圖6所示。 ①在零位 （0°），3瓣轉子完全正對B組的3個反繞線圈， 受轉子渦流磁場的影響， B組的3個反繞線圈中產生的感應電壓之和最小， 而B組其他3個正繞線圈不受轉子渦流磁場的影響， 感應電壓之和最大， 結果B組的輸出交流信號的電壓幅值最大。 ②隨著轉子的轉動 （0°～30°）， 轉子渦流的磁場隨之移動， 并開始影響B(tài)組中的正繞線圈， 而反繞線圈卻部分地退出渦流磁場， 這使得該組所有正繞線圈的電壓之和下降， 而該組所有反繞線圈的電壓之和增加， 結果B組輸出交流電的幅值處于下降區(qū)域。 ③當轉子轉到30°時， B組所有正繞線圈與反繞線圈處于相同位置狀態(tài)， 線圈各有一半受轉子渦流影響，而另一半不受影響， 結果正繞線圈感應出的電壓與反繞線圈感應出的電壓相等， 而方向相反， 結果是B組線圈的輸出電壓為0。 ④在30°～60°時， 反繞線圈大多退出渦流磁場的影響， 而正繞線圈則大多進入有渦流影響的區(qū)域， 反繞線圈的電壓之和大于正向繞組的電壓之和， B組總輸出由正值變?yōu)樨撝怠?⑤當轉子轉到60°時， 反向電壓和達到最大。 隨著轉子的繼續(xù)轉動， 其后60°～90°的變化與0°～30°的變化相反。

圖6 工作原理

試驗和分析計算表明： 3路信號的幅值變化符合余弦規(guī)律， 同一單元的3路信號在相位上相差20°， 3路信號電壓幅值的變換規(guī)律如圖7所示。

圖7 3組接收線圈電壓幅值變化規(guī)律

5） 3組接收線圈的作用

由以上對B組線圈信號的分析可知， 每組接收線圈感應的交流信號的電壓幅值都與轉子位置有著一一對應的關系。因此， 通過測量其中一路信號電壓的幅值即可獲取轉子的位置信息。 但是， 由一路信號的幅值變化規(guī)律圖可以看出，每路的電壓幅值變化是非線性 （余弦曲線） 的， 尤其在曲線的極值點附近， 其幅值一個小的變化， 而轉子的角度卻變化較大， 或者說極值點附近， 轉子角度均勻變化， 而每組的電壓幅值變化卻很少， 這樣， 在該點附近就很難準確地分辨出轉子實際所處位置， 即節(jié)氣門的位置。 但是縱觀整個周期， 幅值曲線與零線交點前后各10°的區(qū)段線性度較好， 若以此區(qū)間來分辨轉子位置則比較容易。 可是對于B路信號只有兩個區(qū)段 （共計40°） 線性度較好， 因而通過一路信號不能獲取節(jié)氣門全程的高精度位置信息。 為了獲取節(jié)氣門全程的高精度的位置信息， 電路中設計出3組接收線圈， 這樣可通過多路易辨區(qū)間的組合， 形成一個完整的節(jié)氣門位置信息采集， 以達到對節(jié)氣門全區(qū)段的高精度測量的目的， 這就是每個信號單元有3組接收線圈的緣由。

3 電路與信號處理

將3路接收信號進行濾波、 放大、 采集以及幅值解碼與角度轉換是該傳感器的關鍵， 都集成在一個芯片內。 這項技術是一項非常專業(yè)的電子技術和運算技術， 其間包含有技術秘密， 因此關于這一部分只能從功能的角度做一些分析或敘述， 難以詳細解讀。

1） 激勵信號

激勵信號是傳感器工作的基礎， 由激勵線圈和片內電路共同組成LC振蕩器。 除提供激勵磁場外， 還作為數字電路時鐘信號。 由于該電路沒有負電源， 因此激勵信號沒有負向數值。 其信號如圖8所示。 在5V工作電壓下， 測量其數據如下： F=3.1MFz， V=2.5V。

圖8 激勵電源信號

2） 信號處理角度幾何量轉化成電信號

所獲取的3路接收信號非常微弱， 是毫伏級并且有雜波， 信號處理電路首先是對3路接收信號進行濾波以消除干擾雜波為后續(xù)處理做準備， 然后進行放大， 經ADC （模擬數字轉換器） 轉換成數字信號， 再經CORDIC角度解碼電路轉換成角度， 最后輸出與角度大小成線性關系的電壓信號給發(fā)動機控制電腦， 工作過程如圖9所示。

圖9 工作過程

4 小結

該傳感器轉換電路結構獨特， 為后續(xù)的信號處理的簡化奠定了基礎， 采用3路輸出巧妙地解決了單路信號解碼精度低的難題。 另外， 集許多經典功能模塊于一體得以實現傳感器的小型化， 拓展了傳感器的應用空間， 這些都值得我們學習和研究。