文/上海 王錦俞 北京 朱 軍

談汽車上常用的占空比信號(hào)和脈寬信號(hào)

文/上海 王錦俞 北京 朱 軍

朱軍

(本刊專家委員會(huì)委員)

從事汽車維修工作30余年，現(xiàn)任北京理工大學(xué)車輛交通工程學(xué)院兼職教授、山東德州汽車摩托車學(xué)院名譽(yù)院長、北京市汽車維修職業(yè)學(xué)校名譽(yù)校長。

王錦俞

(本刊專家委員會(huì)委員)

40年汽車教師生涯，與汽車構(gòu)造、維修保養(yǎng)技能、技術(shù)始終相聯(lián)。現(xiàn)任上海宇龍軟件公司技術(shù)顧問，從事汽車維修仿真教學(xué)軟件的開發(fā)。兼任江西汽車維修技師、工程師俱樂部主任。

占空比信號(hào)和脈寬信號(hào)都是數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)實(shí)際上是從傳感器傳出或從控制器(ECU)發(fā)出的脈沖電壓信號(hào)。

一、數(shù)字信號(hào)

1．定義和波形

數(shù)字信號(hào)的信號(hào)幅度參數(shù)取值是離散突變的，幅值通常表現(xiàn)為高電平和低電平兩個(gè)信號(hào)；模擬信號(hào)的信號(hào)幅度參數(shù)在給定范圍內(nèi)表現(xiàn)為連續(xù)的信號(hào)。

這些定義解釋起來較為抽象，但若用波形表示則形象又簡單。

由圖1、圖2可見，數(shù)字信號(hào)的波形是方波，而模擬信號(hào)波形不是方波。這些波形用示波器及有波形轉(zhuǎn)換功能的故障診斷儀能方便地顯示出來。

由于數(shù)字信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)多于模擬信號(hào)，所以目前在汽車控制系統(tǒng)信號(hào)中大多都采用了數(shù)字信號(hào)，本文將重點(diǎn)闡述在汽車上數(shù)字信號(hào)的運(yùn)用和檢測(cè)上的原理。

2．?dāng)?shù)字信號(hào)的用途

數(shù)字信號(hào)的主要用途有：①用在串行數(shù)據(jù)通信中(如CAN-BUS)；②作為來自傳感器的采樣信號(hào)送至控制器；③作為來自控制器的信號(hào)觸發(fā)功率三極管驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器。

3．?dāng)?shù)字信號(hào)波形中的常用術(shù)語

(1)脈寬(W)：脈沖寬度的簡稱，脈沖寬度就是高電平持續(xù)的時(shí)間，圖3波形的脈寬是2ms。

(2)占空比(P)：高電平脈寬與信號(hào)周期的比值叫做占空比，圖3波形的占空比為25%。

(3)空占比：低電平脈寬與信號(hào)周期的比值叫做空占比，圖3波形的空占比為75%。

(4)幅值：高電平與低電平之差叫做幅值，圖3波形的幅值是12V。

(5)頻率：周期的倒數(shù)叫做頻率，圖3波形的頻率是125Hz。

(6)脈寬與周期、占空比的關(guān)系：W=T×P(其中T為周期)。

二、占空比信號(hào)在汽車控制系統(tǒng)中的運(yùn)用

1．控制器至執(zhí)行器的占空比信號(hào)

測(cè)量占空比信號(hào)時(shí)一般都是用示波器(波形顯示)或萬用表(數(shù)值顯示)來完成的。大多數(shù)執(zhí)行器都采用接地端控制，也就是執(zhí)行器一端始終接電源，另一端接控制器(ECU)。而測(cè)量時(shí)，無論是示波器還是萬用表的表筆都會(huì)是一端接地、一端接執(zhí)行器控制端，這時(shí)波形顯示出低電平為執(zhí)行器通電過程，高電平為執(zhí)行器斷電過程(見圖3)。因此，波形的低電平在圖形中是“占空”的，這是占空比的另外一種定義。所以目

前習(xí)慣上把“空占比信號(hào)”也稱作“占空比信號(hào)”。

來自控制器至執(zhí)行器的占空比信號(hào)尤其適合控制需在某一時(shí)間段內(nèi)有可控開啟度的電磁閥，如炭罐清除閥和自動(dòng)變速器等機(jī)構(gòu)中的液壓控制閥。

下面以發(fā)動(dòng)機(jī)控制器對(duì)炭罐清除閥的控制為例，介紹其工作原理。

炭罐清污控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，炭罐清除閥大約是每隔4min開啟1min。然而炭罐清除閥開度大小卻取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況，簡單地全開、全閉不能滿足不同的發(fā)動(dòng)機(jī)工況。采用占空比控制信號(hào)，能使炭罐清除電磁閥所通過的脈沖電流的脈寬在0～100%間任意控制。我們可理解為，炭罐清除閥開度在0～100%間由發(fā)動(dòng)機(jī)控制器任意控制。

當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)處于“ON”位置時(shí)，炭罐清除閥電插座的二端子一個(gè)由繼電器供正電，另一個(gè)接發(fā)動(dòng)機(jī)控制器。發(fā)動(dòng)機(jī)控制器是通過控制炭罐清除閥的搭鐵回路通斷時(shí)間的占空比信號(hào)來控制炭罐清除閥開度大小，如0是關(guān)斷，100%為全開。圖5中的空占比信號(hào)是8%，即發(fā)動(dòng)機(jī)控制器在100ms這一信號(hào)周期內(nèi)，接通搭鐵8ms。我們也可以理解為炭罐清除閥開啟時(shí)間為8%，即開度不大。當(dāng)然，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU可在100ms這一信號(hào)周期內(nèi)，接通搭鐵99ms，炭罐清除閥開度就大了。

2．傳感器至控制器的占空比信號(hào)

下面以空調(diào)高壓傳感器為例，介紹其工作原理。此傳感器有一個(gè)內(nèi)部帶脈寬調(diào)制器的集成電路，將壓力傳感器生成的模似信號(hào)轉(zhuǎn)化為占空比數(shù)字信號(hào)輸出。

空調(diào)高壓傳感器有一個(gè)12V供電電源，當(dāng)空調(diào)高壓側(cè)壓力0.5MPa時(shí)，傳感器向控制器(ECU)發(fā)送占空比為25%的數(shù)字信號(hào)(見圖6)。占空比與壓力成比例，在3.2MPa時(shí)為75%(見圖7)，信號(hào)送到發(fā)動(dòng)機(jī)控制器上。

由于散熱器風(fēng)扇由發(fā)動(dòng)機(jī)控制器控制，在壓力上升時(shí)，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速也成比例地上升。如果占空比小于10%或大于90%，則空調(diào)壓力過小或過大?？刂破鲿?huì)生成空調(diào)壓力過小或過大的故障碼。

如果在傳感器的插接器脫落，在信號(hào)線上的電壓為0，因?yàn)榉雌娮枧c接地連接，此時(shí)占空比為0。控制器會(huì)生成空調(diào)高壓傳感器斷路的故障碼。

如果信號(hào)線與12V電源線間短路，在信號(hào)線上的電壓始終為12V。此時(shí)信號(hào)占空比為100%。此時(shí)控制器會(huì)生成空調(diào)高壓傳感器對(duì)正極短路的故障碼。

三、脈寬信號(hào)在汽車控制系統(tǒng)中的運(yùn)用

脈寬控制信號(hào)在多數(shù)情況下也指波形的低電平有效信號(hào)。來自ECU至執(zhí)行器的脈寬數(shù)字信號(hào)也是作為控制執(zhí)行器導(dǎo)通時(shí)間用的，它常用于控制電磁閥全開、全閉的時(shí)間上，而不像占空比信號(hào)用于控制電磁閥開度上。

典型的例子是噴油器都是采用脈寬信號(hào)來控制的。通常正電源常接在噴油器一端，另一端由發(fā)動(dòng)機(jī)ECU控制接地(見圖8)。

當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)ON時(shí)，噴油器電插座的二端子一個(gè)由燃油繼電器供正電，另一個(gè)端子接發(fā)動(dòng)機(jī)控制器中三極管，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器是通過控制噴油器的搭鐵回路(三極管)的導(dǎo)通時(shí)間來控制燃油噴射量，對(duì)三極管的導(dǎo)通時(shí)間就是脈寬。