仇世侃， 雷淼全

（長安大學(xué)， 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(yīng)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(jīng)常工作區(qū)段 （中等負荷） 的輸出信號時大時小， 時有時無， 導(dǎo)致故障報警。 為克服觸點滑動帶來的缺點， 各汽車生產(chǎn)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(yīng)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(chǎn)的電磁耦合式節(jié)氣門位置傳感器。

1 傳感器的組成與結(jié)構(gòu)

傳感器實物由定子、 轉(zhuǎn)子和印刷電路等組成， 如圖1所示。

圖1 定子、 轉(zhuǎn)子及電路

1） 轉(zhuǎn)子裝于節(jié)氣門軸的一端， 是傳感器的轉(zhuǎn)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(dǎo)線， 即反饋線圈， 每瓣占據(jù)60°， 如圖1所示。 裝配后， 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路的另一部分， 它形似一個古代木質(zhì)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(cè)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(nèi)圈的穿孔相連， 如圖2所示； ④這6組接收線圈的匝數(shù)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(gòu)成一個信號單元， 6組線圈構(gòu)成2個信號單元。

圖2 單組接收線圈結(jié)構(gòu)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(diào)解、 解碼和轉(zhuǎn)換等功能電路。

2 工作原理

根據(jù)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(jù)電磁效應(yīng)， 在激勵線圈內(nèi)外將對應(yīng)地產(chǎn)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(nèi)一平面內(nèi)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(zhuǎn)子后的磁場

當轉(zhuǎn)子靠近激勵線圈后， 轉(zhuǎn)子上的接收線圈 （轉(zhuǎn)子繞組） 受激勵磁場的作用， 便在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出交流電。轉(zhuǎn)子繞組是僅有一匝的閉合線圈， 于是在轉(zhuǎn)子中形成電流（渦流）， 進而也產(chǎn)生磁場， 而且渦流磁場企圖阻礙激勵線圈產(chǎn)生的磁場， 其結(jié)果使激勵磁場的大小和形態(tài)發(fā)生變化：與轉(zhuǎn)子繞組相對部分的磁場減弱或完全抵消， 而沒有與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子。 這種分布將隨轉(zhuǎn)子（節(jié)氣門） 的轉(zhuǎn)動發(fā)生移動。

圖5 加入轉(zhuǎn)子后的激勵磁場

3） 無轉(zhuǎn)子時接收線圈的信號輸出

無轉(zhuǎn)子時， 接收線圈處于只有激勵線圈的磁場中， 根據(jù)電磁感應(yīng)原理， 在接收線圈中將有交流電產(chǎn)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(jié)果在各組中正繞線圈感應(yīng)出的交流電與反繞線圈感應(yīng)出的交流電大小相等， 變化同步， 而方向相反， 結(jié)果在各組接收線圈中都沒有交流電輸出。

4） 有轉(zhuǎn)子時接收信號的輸出及幅值變化

當轉(zhuǎn)子置于激勵磁場中， 受轉(zhuǎn)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(yīng)電壓隨轉(zhuǎn)子的介入也發(fā)生改變。 研究發(fā)現(xiàn)其幅值與轉(zhuǎn)子位置有著確定的關(guān)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(zhuǎn)子的零位是轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子完全正對B組的3個反繞線圈， 受轉(zhuǎn)子渦流磁場的影響， B組的3個反繞線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓之和最小， 而B組其他3個正繞線圈不受轉(zhuǎn)子渦流磁場的影響， 感應(yīng)電壓之和最大， 結(jié)果B組的輸出交流信號的電壓幅值最大。 ②隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動 （0°～30°）， 轉(zhuǎn)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(jié)果B組輸出交流電的幅值處于下降區(qū)域。 ③當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子渦流影響，而另一半不受影響， 結(jié)果正繞線圈感應(yīng)出的電壓與反繞線圈感應(yīng)出的電壓相等， 而方向相反， 結(jié)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到60°時， 反向電壓和達到最大。 隨著轉(zhuǎn)子的繼續(xù)轉(zhuǎn)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(yīng)的交流信號的電壓幅值都與轉(zhuǎn)子位置有著一一對應(yīng)的關(guān)系。因此， 通過測量其中一路信號電壓的幅值即可獲取轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的角度卻變化較大， 或者說極值點附近， 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)換是該傳感器的關(guān)鍵， 都集成在一個芯片內(nèi)。 這項技術(shù)是一項非常專業(yè)的電子技術(shù)和運算技術(shù)， 其間包含有技術(shù)秘密， 因此關(guān)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(chǔ)， 由激勵線圈和片內(nèi)電路共同組成LC振蕩器。 除提供激勵磁場外， 還作為數(shù)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(shù)值。 其信號如圖8所示。 在5V工作電壓下， 測量其數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(jīng)ADC （模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器） 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號， 再經(jīng)CORDIC角度解碼電路轉(zhuǎn)換成角度， 最后輸出與角度大小成線性關(guān)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(jié)

該傳感器轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)獨特， 為后續(xù)的信號處理的簡化奠定了基礎(chǔ)， 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(jīng)典功能模塊于一體得以實現(xiàn)傳感器的小型化， 拓展了傳感器的應(yīng)用空間， 這些都值得我們學(xué)習(xí)和研究。