◆文/山東 劉春暉

(接2021年第9期)

10.超聲波傳感器

超聲波傳感器用于測(cè)量距離。超聲波傳感器發(fā)出較短的超聲波脈沖，環(huán)境中的物體反射超聲波脈沖，超聲波傳感器接收反射脈沖。

如圖34所示，超聲波傳感器將發(fā)射超聲波脈沖與接收第一個(gè)反射回聲之間的持續(xù)時(shí)間傳輸給控制單元，控制單元根據(jù)這個(gè)持續(xù)時(shí)間計(jì)算出至附近物體的距離。

圖34 超聲波傳感器的工作機(jī)理

(1)發(fā)送模式

處于發(fā)射模式時(shí)，超聲波傳感器的作用相當(dāng)于揚(yáng)聲器。所選擇的超聲波頻率約為40kHz至50kHz，在這個(gè)頻率范圍內(nèi)對(duì)人和家畜無(wú)害。超聲波傳感器電子裝置通過(guò)電脈沖使壓電陶瓷移動(dòng)(將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能)。壓電陶瓷位于外部隔膜的內(nèi)側(cè)。外部隔膜以共振頻率振動(dòng)并產(chǎn)生超聲波。短脈沖序列碰到障礙物后反射回來(lái)。

(2)接收模式

處于接收模式時(shí)，超聲波傳感器的作用相當(dāng)于話筒。外部隔膜振蕩衰減后(約1ms)，超聲波傳感器接收到障礙物反射回來(lái)的超聲波。外部隔膜和壓電陶瓷受激振動(dòng)并向超聲波傳感器電子裝置發(fā)送電脈沖(將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能)。

電氣測(cè)量信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理后傳輸給控制單元。在控制單元內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并計(jì)算出至障礙物的距離。通過(guò)開(kāi)始發(fā)射的時(shí)間和接收到回聲的時(shí)間可計(jì)算出回聲傳播時(shí)間。根據(jù)超聲波在空氣中傳播的速度和回聲傳播時(shí)間可計(jì)算出至障礙物的距離。超聲波傳感器的電路符號(hào)如圖35所示。

圖35 超聲波傳感器的電路符號(hào)

11.電容傳感器

電容傳感器也屬于非接觸式傳感器。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度和機(jī)油狀態(tài)傳感器常采用電容傳感器。

如圖36所示，寶馬在發(fā)動(dòng)機(jī)的油底殼中安裝了一個(gè)機(jī)油狀態(tài)傳感器。通過(guò)測(cè)量機(jī)油油位可以避免油位過(guò)低及因此而造成發(fā)動(dòng)機(jī)損壞，并且通過(guò)測(cè)量機(jī)油狀態(tài)可以精確測(cè)算出何時(shí)需要更換發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油。該傳感器由兩個(gè)重疊安裝的筒形電容器組成。機(jī)油狀態(tài)通過(guò)下面的小電容器(6)測(cè)得。兩根金屬管(2+3)作為電容器電極嵌套安裝。在電極之間有發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油(4)作為電介質(zhì)。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油的電特性隨著發(fā)動(dòng)機(jī)磨損碎屑不斷增加以及添加劑的分解而變化。電容器(機(jī)油狀態(tài)傳感器)的電容又因這個(gè)變化(電介質(zhì))而變化，相應(yīng)的電容值將在傳感器內(nèi)的電子分析裝置(7)中處理成一個(gè)數(shù)字信號(hào)。這個(gè)傳感器數(shù)字信號(hào)作為發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油狀態(tài)信息傳送給DME。這個(gè)傳感器信號(hào)值將在DME中進(jìn)行處理以便計(jì)算距下次換油保養(yǎng)的日期。

圖36 機(jī)油狀態(tài)傳感器的結(jié)構(gòu)

機(jī)油油位在傳感器(5)的上部測(cè)得傳感器的這一部分在油底殼的油位，高度處隨著油位(電介質(zhì))的下降電容器的電容也發(fā)生變化。這個(gè)電容值將由傳感器電子裝置處理成一個(gè)數(shù)字信號(hào)并傳送到DME。為了測(cè)量機(jī)油溫度，在機(jī)油狀態(tài)傳感器的底座上裝有一個(gè)鉑溫度傳感器(9)。傳感器通過(guò)BSD總線與DME進(jìn)行通訊。

12.智能型蓄電池傳感器

IBS是一個(gè)自身帶有微型控制器μC的智能型蓄電池傳感器。IBS持續(xù)測(cè)量蓄電池端電壓、蓄電池充電/放電電流以及蓄電池酸液溫度。IBS直接安裝在蓄電池的負(fù)極上。IBS由機(jī)械、硬件和軟件三部分功能元件組成。如圖37所示，IBS的機(jī)械部分是由蓄電池負(fù)極接線柱及接地線組成。

圖37 IBS的結(jié)構(gòu)

IBS功能：IBSμC中的軟件控制該功能過(guò)程以及與上級(jí)控制單元之間的通信聯(lián)絡(luò)。與DME/DDE的聯(lián)系通過(guò)BSD完成。在行駛過(guò)程中，DME/DDE從IBS獲取數(shù)據(jù)。此外，IBS中還集成有下列功能：

①持續(xù)測(cè)量車(chē)輛每種行駛狀態(tài)下蓄電池的電流、電壓和溫度；

②計(jì)算蓄電池指示參數(shù)作為蓄電池SoC和SoH的基礎(chǔ)；

③平衡蓄電池充電/放電電流；

④SoC處于臨界狀態(tài)時(shí)作為相應(yīng)措施監(jiān)測(cè)SoC并使車(chē)輛處于工作狀態(tài)；

⑤計(jì)算啟動(dòng)電流特性曲線用于確定蓄電池SoH；

⑥車(chē)輛休眠電流監(jiān)控；

⑦向上級(jí)控制單元傳輸數(shù)據(jù)。

13.智能型蓄電池傳感器電子分析裝置

如圖38所示為IBC的功能原理圖，IBS電子分析裝置持續(xù)獲取測(cè)量數(shù)據(jù)。IBS利用這些數(shù)據(jù)來(lái)下列電壓、電流、溫度等蓄電池指示參數(shù)。IBS通過(guò)BSD將這些蓄電池指示參數(shù)的數(shù)據(jù)傳遞到DME/DDE。為了計(jì)算蓄電池指示參數(shù)，還要同時(shí)對(duì)蓄電池的充電狀態(tài)SoC進(jìn)行測(cè)量計(jì)算。

圖38 IBC的功能原理

三、執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是通過(guò)控制單元輸出信號(hào)執(zhí)行轉(zhuǎn)動(dòng)(電動(dòng)、步進(jìn)電機(jī))、打開(kāi)/關(guān)閉(繼電器)、照明(LED、白熾燈泡)以及發(fā)出聲音(揚(yáng)聲器)等操作的組件。

1.電機(jī)

寶馬車(chē)輛內(nèi)安裝了大量電機(jī)，如用于滑動(dòng)/外翻式天窗、車(chē)窗升降器、座椅、車(chē)窗玻璃刮水器等的電機(jī)。直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)是特別重要的兩種電機(jī)。

(1)直流電機(jī)

直流電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)能。這種電機(jī)由一個(gè)固定部件“定子”和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)支撐部件“轉(zhuǎn)子”(電樞)構(gòu)成。大多數(shù)直流電機(jī)采用內(nèi)部轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子是內(nèi)部部件，定子是外部部件。定子由電磁鐵組成，在小型電機(jī)內(nèi)由永久磁鐵構(gòu)成。轉(zhuǎn)子也稱為電樞。

如圖39所示，電機(jī)工作原理以作用力施加在磁場(chǎng)內(nèi)的載流導(dǎo)體上為基礎(chǔ)。載流導(dǎo)體的磁場(chǎng)和永久磁鐵的磁場(chǎng)相互影響。如果永久磁鐵牢固固定且導(dǎo)體以可轉(zhuǎn)動(dòng)方式支撐，則會(huì)在導(dǎo)體上施加一個(gè)力并使其轉(zhuǎn)動(dòng)。這個(gè)作用力取決于導(dǎo)體內(nèi)的電流強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度以及導(dǎo)體有效長(zhǎng)度(線圈圈數(shù))。

圖39 電機(jī)工作原理

如圖40、圖41所示，在線圈上施加電壓時(shí)，線圈內(nèi)流動(dòng)的電流產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)(線圈磁場(chǎng))。永久磁鐵兩極間的磁場(chǎng)和線圈磁場(chǎng)形成一個(gè)總磁場(chǎng)。根據(jù)線圈內(nèi)的電流方向產(chǎn)生一個(gè)左旋或右旋力矩(圖42)。線圈繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至線圈磁場(chǎng)方向與永久磁體兩極間磁場(chǎng)方向相同。隨后線圈停留在所謂的磁極磁場(chǎng)中性區(qū)域內(nèi)。

圖40 兩極間的磁場(chǎng)

圖41 某個(gè)載流導(dǎo)體的磁場(chǎng)

圖42 轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生

如圖43所示，為了能夠繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，必須改變線圈內(nèi)的電流方向。在此通過(guò)與線圈起始端和線圈末端連接的電流換向器(集電環(huán))實(shí)現(xiàn)電流方向的切換。如果這種電機(jī)上沒(méi)有集電環(huán)，則電樞繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定子磁場(chǎng)的方向一致。為確保電樞不停留在這個(gè)“死點(diǎn)”位置，在每個(gè)新分段時(shí)電樞線圈內(nèi)的電流借助電流換向器(也稱為集電環(huán)或集電極)進(jìn)行切換。兩個(gè)位于中性區(qū)域內(nèi)的固定碳刷輸送電流。如圖44所示，如果使用多線圈電樞繞組替代一個(gè)電樞線圈，則可實(shí)現(xiàn)電流切換時(shí)線圈側(cè)的電流在某一磁極處始終保持方向相同。

圖43 線圈的旋轉(zhuǎn)過(guò)程

圖44 實(shí)際中采用多線圈的轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子位于定子內(nèi)部，大多數(shù)情況下轉(zhuǎn)子由一個(gè)帶有鐵芯的線圈(也稱為電樞)構(gòu)成，以可轉(zhuǎn)動(dòng)方式支撐在定子電極接線柱之間的磁場(chǎng)內(nèi)。通過(guò)一個(gè)分段集電環(huán)和滑動(dòng)觸點(diǎn)(碳刷)為電樞輸送電流。電流流經(jīng)轉(zhuǎn)子時(shí)，在此也產(chǎn)生一個(gè)與定子磁場(chǎng)相互作用的磁場(chǎng)。電樞上產(chǎn)生力矩，該力矩使電樞圍繞其支撐軸轉(zhuǎn)動(dòng)，電樞通過(guò)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)的集電環(huán)始終將相應(yīng)繞組接入電流通路內(nèi)。電功以這種方式轉(zhuǎn)換為機(jī)械功。如果這種電機(jī)上沒(méi)有集電環(huán)，則電樞繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定子磁場(chǎng)的方向一致。為確保電樞不停留在這個(gè)“死點(diǎn)”位置，在每個(gè)新分段時(shí)電樞線圈內(nèi)的電流借助電流換向器(也稱為集電環(huán)或集電極)進(jìn)行切換。集電環(huán)由金屬段組成，金屬段與細(xì)條狀絕緣材料(塑料、空氣)一起構(gòu)成間斷的圓柱或圓形面。每個(gè)分段都與電樞繞組連接。用于輸送電流的兩個(gè)碳刷通過(guò)彈簧壓緊在集電環(huán)上。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動(dòng)一次通過(guò)電樞繞組的電流方向就會(huì)改變一次，同時(shí)那些通過(guò)電流流動(dòng)而產(chǎn)生力矩的導(dǎo)體進(jìn)入定子磁場(chǎng)內(nèi)。電機(jī)轉(zhuǎn)速取決于電壓、轉(zhuǎn)動(dòng)方向和電流方向。

永久磁鐵兩極之間安裝了一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的線圈。電流流過(guò)線圈時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)。兩個(gè)磁鐵(電磁鐵和永久磁鐵)之間產(chǎn)生促使線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的引力。每旋轉(zhuǎn)180°集電環(huán)切換電流方向一次，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖45所示為滑動(dòng)/外翻式天窗傳動(dòng)裝置的部件結(jié)構(gòu)。

圖45 滑動(dòng)/外翻式天窗傳動(dòng)裝置

(2)步進(jìn)電機(jī)

如圖46所示，步進(jìn)電機(jī)將電脈沖轉(zhuǎn)換為規(guī)定轉(zhuǎn)角的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)是一種電動(dòng)機(jī)械組件，其驅(qū)動(dòng)軸根據(jù)控制脈沖以步進(jìn)方式轉(zhuǎn)動(dòng)。在要求受控移動(dòng)或定位處可以使用步進(jìn)電機(jī)。這種電機(jī)可以簡(jiǎn)化位置控制且可靠性和精度較高。必須具備直流電、控制開(kāi)關(guān)和控制脈沖(數(shù)字信息)才能運(yùn)行。相應(yīng)直流電通過(guò)電子開(kāi)關(guān)輸送給電機(jī)。電子控制開(kāi)關(guān)每發(fā)送一個(gè)控制脈沖電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步進(jìn)。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)情況步進(jìn)角度通常為2°至15°。

圖46 步進(jìn)電機(jī)的工作原理

步進(jìn)電機(jī)軸所處位置等同于定子磁極數(shù)量與轉(zhuǎn)子磁極數(shù)量之比。因?yàn)檗D(zhuǎn)子使用永久磁鐵，所以磁極是確定的。定子始終由兩對(duì)或多對(duì)極點(diǎn)組成，每個(gè)極點(diǎn)都套有一個(gè)線圈，電流流過(guò)極點(diǎn)時(shí)形成磁極。磁鐵繞組內(nèi)的電流方向逆轉(zhuǎn)時(shí)磁場(chǎng)方向也隨之逆轉(zhuǎn)。

如果定子線圈內(nèi)的電流方向依次向一個(gè)方向逆轉(zhuǎn)，則產(chǎn)生一個(gè)跟隨轉(zhuǎn)子永久磁鐵的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在此轉(zhuǎn)動(dòng)速度由定子線圈的切換速度決定。例如，在寶馬車(chē)輛的IHKR(手動(dòng)恒溫空調(diào))中使用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制空氣風(fēng)門(mén)(空氣分層風(fēng)門(mén)、腳部空間風(fēng)門(mén)、循環(huán)空氣風(fēng)門(mén)和新鮮空氣風(fēng)門(mén))。

(3)啟動(dòng)機(jī)

車(chē)輛的啟動(dòng)機(jī)是直流電機(jī)(圖47)。其任務(wù)是使內(nèi)燃機(jī)曲軸以啟動(dòng)所需的最低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖48所示，內(nèi)燃機(jī)啟動(dòng)的工作原理是一個(gè)小齒輪與飛輪齒圈嚙合。由于小齒輪和飛輪齒圈之間的傳動(dòng)比較大(約為15:1)，啟動(dòng)機(jī)只需在較高轉(zhuǎn)速下提供較小的力矩。因此啟動(dòng)機(jī)的尺寸較小。啟動(dòng)機(jī)由直流啟動(dòng)電機(jī)、嚙合繼電器和嚙合齒輪箱等總成構(gòu)成。

圖47 啟動(dòng)機(jī)

圖48 啟動(dòng)機(jī)的安裝位置

啟動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖49所示，啟動(dòng)機(jī)的電路符號(hào)圖50所示，操作啟動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí)，小齒輪通過(guò)嚙合繼電器和嚙合齒輪箱與飛輪齒圈嚙合。小齒輪嚙合后，啟動(dòng)電機(jī)通過(guò)小齒輪和齒圈帶動(dòng)內(nèi)燃機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后小齒輪脫開(kāi)。啟動(dòng)機(jī)類型根據(jù)小齒輪嚙合方式劃分。寶馬車(chē)輛中使用帶有中間減速機(jī)構(gòu)的螺旋推移傳動(dòng)式啟動(dòng)機(jī)。

圖49 啟動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

圖50 啟動(dòng)機(jī)的電路符號(hào)

啟動(dòng)電機(jī)與小齒輪之間裝有作為中間減速機(jī)構(gòu)的行星齒輪箱。行星齒輪箱的任務(wù)是降低較高的啟動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)提高小齒輪上的力矩。因?yàn)閱?dòng)機(jī)軸輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比，所以可以由此提高啟動(dòng)機(jī)功率，或在相同功率下減小尺寸。嚙合過(guò)程包括小齒輪推移運(yùn)動(dòng)和螺旋運(yùn)動(dòng)兩部分運(yùn)動(dòng)。

如圖51所示，啟動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程為操作啟動(dòng)開(kāi)關(guān)(2)后通過(guò)嚙合繼電器(1)使嚙合撥叉(8)移動(dòng)。此時(shí)小齒輪(11)通過(guò)彈簧向前移動(dòng)并在大螺距螺紋作用下轉(zhuǎn)動(dòng)。小齒輪(11)的某個(gè)輪齒位于齒隙前時(shí)立即接合。如果小齒輪輪齒碰到飛輪(10)的輪齒，則壓回小齒輪側(cè)的彈簧，直到嚙合繼電器(1)接通電流。轉(zhuǎn)子(5)轉(zhuǎn)動(dòng)使小齒輪(11)繼續(xù)移向齒圈(10)的端面，直到小齒輪可以嚙合。

圖51 啟動(dòng)機(jī)的電路結(jié)構(gòu)