Датчик скорости вращения колеса: принцип работы и типы.

Датчик скорости колеса (ВSS): принцип работы, устройство и применение в автомобилях. Важный элемент ABS и современных систем безопасности.

12 мин чтения

100%

Источник: Wheel speed sensor — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Тип тахометра

Датчик скорости вращения колеса (WSS) или датчик скорости транспортного средства (VSS) является типом тахометра. Это устройство, используемое для определения скорости вращения колеса автомобиля. Обычно он состоит из зубчатого венца и датчика.

Цель

Датчик скорости колеса изначально применялся для замены механической передачи от колёс к спидометру, устраняя обрыв троса и упрощая конструкцию прибора за счёт исключения движущихся частей. Эти датчики также генерируют данные, необходимые для работы систем помощи водителю, таких как ABS.

Строительство

Наиболее распространенная система датчиков скорости колеса состоит из ферромагнитного зубчатого кольца-релюктора (тонкого колеса) и датчика (который может быть пассивным или активным). Тонкое колесо обычно изготавливается из стали и может иметь открытую конструкцию или быть герметичным (как в случае с интегрированными узлами подшипников). Количество зубьев выбирается как компромисс между точностью и чувствительностью на низких и высоких скоростях, а также стоимостью. Большее количество зубьев потребует большего количества механической обработки и (в случае пассивных датчиков) приведет к генерации выходного сигнала с более высокой частотой, который может быть сложнее интерпретировать на принимающей стороне, но обеспечит лучшее разрешение и более высокую частоту обновления сигнала. В более продвинутых системах зубы могут иметь асимметричную форму, чтобы датчик мог различать прямое и обратное вращение колеса. Пассивный датчик обычно состоит из ферромагнитного стержня, ориентированного радиально от тонкого колеса, с постоянным магнитом на противоположном конце. Стержень обмотан тонкой проволокой, в которой возникает индуцированное переменное напряжение при вращении тонкого колеса, поскольку зубья нарушают магнитное поле. Пассивные датчики выдают синусоидальный сигнал, амплитуда и частота которого увеличиваются с увеличением скорости колеса. В одной из вариаций пассивного датчика отсутствует магнит, вместо него тонкое колесо состоит из чередующихся магнитных полюсов, генерирующих переменное напряжение. Выходной сигнал этого датчика больше похож на прямоугольную волну, чем на синусоиду, но также увеличивается по амплитуде с ростом скорости колеса. Активный датчик представляет собой пассивный датчик с встроенной схемой обработки сигнала. Эта обработка сигнала может включать усиление амплитуды сигнала, изменение формы сигнала на ШИМ, прямоугольную волну или другие формы, или кодирование значения в протокол связи перед передачей.

Вариации

Датчик скорости транспортного средства (VSS) может быть, но не всегда является датчиком фактической скорости колеса. Например, в автоматической коробке передач Ford AOD, VSS устанавливается на корпус удлинителя выходного вала и представляет собой автономный тональный диск и датчик. Хотя это не обеспечивает измерение скорости каждого колеса (поскольку каждое колесо на оси с дифференциалом может вращаться с разной скоростью, и ни одно из них не зависит исключительно от карданного вала для определения конечной скорости), в обычных условиях вождения этого достаточно для формирования сигнала спидометра. Он также использовался в задних ABS системах Ford F Series начиная с 1987 года – первых пикапов, оснащенных ABS.

Дорожные транспортные средства

Датчики скорости колес — важнейший компонент антиблокировочной тормозной системы.

Датчики скорости вращения для железнодорожных транспортных средств

Многие подсистемы железнодорожного подвижного состава, такие как локомотив или моторвагонное депо, нуждаются в надежном и точном сигнале скорости вращения, в некоторых случаях для измерения скорости или изменения скорости. Это особенно важно для управления тягой, но также и для защиты от пробуксовки колес, регистрации данных, управления поездом, управления дверьми и так далее. Эти задачи выполняются множеством датчиков скорости вращения, которые могут располагаться в различных частях подвижного состава. Отказы датчиков скорости происходят часто и в основном обусловлены крайне сложными условиями эксплуатации, характерными для железнодорожного транспорта. Соответствующие стандарты устанавливают подробные критерии испытаний, однако на практике условия эксплуатации зачастую оказываются еще более экстремальными (например, удары/вибрация и, в особенности, электромагнитная совместимость (ЭМС)).

Датчики скорости вращения для двигателей

Хотя железнодорожные транспортные средства иногда используют приводы без датчиков, большинству из них необходим датчик вращающейся скорости для их системы регулирования. Наиболее распространенным типом является двухканальный датчик, который сканирует зубчатое колесо на валу двигателя или коробке передач, которое может быть предназначено для этой цели или может быть уже установлено в системе привода. Современные датчики эффекта Холла такого типа используют принцип модуляции магнитного поля и подходят для ферромагнитных зубчатых колес с модулем между m = 1 и m = 3,5 (D.P.=25 до D.P.=7). Форма зубьев имеет второстепенное значение; можно сканировать зубчатые колеса с инволютными или прямоугольными зубьями. В зависимости от диаметра и количества зубьев колеса можно получить от 60 до 300 импульсов за оборот, что достаточно для приводов с низкой и средней тяговой мощностью. Этот тип датчика обычно состоит из двух датчиков эффекта Холла, магнита из редкоземельных элементов и соответствующей электронной схемы обработки. Поле магнита модулируется проходящими зубьями. Эта модуляция регистрируется датчиками Холла, преобразуется в сигнал прямоугольной формы на компараторе и усиливается на драйвере. Эффект Холла сильно зависит от температуры. Поэтому чувствительность датчиков и смещение сигнала зависят не только от воздушного зазора, но и от температуры. Это также значительно уменьшает максимально допустимый воздушный зазор между датчиком и зубчатым колесом. При комнатной температуре воздушный зазор от 2 до 3 мм допустим без затруднений для типичного зубчатого колеса с модулем m = 2, но в требуемом диапазоне температур от -40 °C до 120 °C максимальный зазор для надежной регистрации сигнала снижается до 1,3 мм. Для получения более высокого разрешения по времени или для упрощения конструкции часто используются зубчатые колеса меньшего размера с модулем m = 1. В этом случае максимально возможный воздушный зазор составляет всего 0,5–0,8 мм. Для конструктора фактический воздушный зазор, который получается у датчика, в первую очередь определяется конструкцией машины, но должен соответствовать ограничениям, необходимым для регистрации скорости вращения. Если это означает, что возможный воздушный зазор должен находиться в очень узком диапазоне, это также ограничит механические допуски корпуса двигателя и зубчатых колес, чтобы предотвратить потерю сигнала во время работы. Это может привести к проблемам на практике, особенно с зубчатыми колесами меньшего размера с модулем m = 1 и неблагоприятным сочетанием допусков и экстремальных температур. С точки зрения производителя двигателя и, тем более, оператора, поэтому лучше искать датчики скорости с более широким диапазоном воздушных зазоров. Основной сигнал от датчика Холла резко теряет амплитуду при увеличении воздушного зазора. Для производителей датчиков Холла это означает, что им необходимо обеспечить максимальную возможную компенсацию физически вызванного смещения сигнала Холла. Традиционный способ – измерять температуру датчика и использовать эту информацию для компенсации смещения, но это не всегда эффективно по двум причинам: во-первых, дрейф не изменяется линейно с температурой, а во-вторых, даже знак дрейфа не одинаков для всех датчиков. Некоторые датчики теперь оснащены встроенным процессором сигнала, который пытается скорректировать смещение и амплитуду сигналов датчика Холла. Эта коррекция позволяет увеличить максимально допустимый воздушный зазор датчика скорости. На зубчатом колесе с модулем m = 1 эти новые датчики могут выдерживать воздушный зазор 1,4 мм, что больше, чем у обычных датчиков скорости на зубчатых колесах с модулем m = 2. На зубчатом колесе с модулем m = 2 новые датчики скорости могут выдерживать зазор до 2,2 мм. Также удалось значительно повысить качество сигнала. Как рабочий цикл, так и фазовый сдвиг между двумя каналами, по крайней мере, в три раза стабильнее при колебаниях воздушного зазора и дрейфе температуры. Кроме того, несмотря на сложную электронику, удалось увеличить среднее время наработки на отказ для новых датчиков скорости в три-четыре раза. Таким образом, они обеспечивают не только более точные сигналы, но и значительно повышают их доступность. Альтернативой датчикам эффекта Холла с зубчатыми колесами являются датчики или энкодеры, использующие [магниторезистивный эффект]. Поскольку зубчатое колесо является активным многополюсным магнитом, воздушные зазоры могут быть еще больше – до 4,0 мм. Поскольку магниторезистивные датчики чувствительны к углу и нечувствительны к амплитуде, качество сигнала повышается по сравнению с датчиками Холла при изменяющемся зазоре. Кроме того, качество сигнала значительно выше, что позволяет проводить [интерполяцию] внутри датчика/энкодера или внешней схемой.

Although rail vehicles occasionally do use drives without sensors, most need a rotary speed sensor for their regulator system. The most common type is a two channel sensor that scans a toothed wheel on the motor shaft or gearbox which may be dedicated to this purpose or may be already present in the drive system. Modern Hall effect sensors of this type make use of the principle of magnetic field modulation and are suitable for ferromagnetic target wheels with a module between m =1 and m = 3.5 (D. P.=25 to D. P.=7). The form of the teeth is of secondary importance; target wheels with involute or rectangular toothing can be scanned. Depending on the diameter and teeth of the wheel it is possible to get between 60 and 300 pulses per revolution, which is sufficient for drives of lower and medium traction performance. This type of sensor normally consists of two hall effect sensors, a rare earth magnet and appropriate evaluation electronics. The field of the magnet is modulated by the passing target teeth. This modulation is registered by the Hall sensors, converted by a comparator stage to a square wave signal and amplified in a driver stage. The Hall effect varies greatly with temperature. The sensors’ sensitivity and also the signal offset therefore depend not only on the air gap but also on the temperature. This also very much reduces the maximum permissible air gap between the sensor and the target wheel. At room temperature an air gap of 2 to 3 mm can be tolerated without difficulty for a typical target wheel of module m = 2, but in the required temperature range of from −40 °C to 120 °C the maximum gap for effective signal registration drops to 1.3 mm. Smaller pitch target wheels with module m = 1 are often used to get a higher time resolution or to make the construction more compact. In this case the maximum possible air gap is only 0.5 to 0.8 mm. For the design engineer, the visible air gap that the sensor ends up with is primarily the result of the specific machine design, but is subject to whatever constraints are needed to register the rotary speed. If this means that the possible air gap has to lie within a very small range, then this will also restrict the mechanical tolerances of the motor housing and target wheels to prevent signal dropouts during operation. This means that in practice there may be problems, particularly with smaller pitched target wheels of module m = 1 and disadvantageous combinations of tolerances and extreme temperatures. From the point of view of the motor manufacturer, and even more so the operator, it is therefore better to look for speed sensors with a wider range of air gap. The primary signal from a Hall sensor loses amplitude sharply as the air gap increases. For Hall sensor manufacturers this means that they need to provide maximum possible compensation for the Hall signal's physically induced offset drift. The conventional way of doing this is to measure the temperature at the sensor and use this information to compensate the offset, but this fails for two reasons: firstly because the drift does not vary linearly with the temperature, and secondly because not even the sign of the drift is the same for all sensors. Some sensors now offer an integrated signal processor that attempts to correct the offset and amplitude of the Hall sensor signals. This correction enables a larger maximum permissible air gap at the speed sensor. On a module m = 1 target wheel these new sensors can tolerate an air gap of 1.4 mm, which is wider than that for conventional speed sensors on module m = 2 target wheels. On a module m = 2 target wheel the new speed sensors can tolerate gap of as much as 2.2 mm. It has also been possible to markedly increase the signal quality. Both the duty cycle and the phase displacement between the two channels is at least three times as stable in the face of fluctuating air gap and temperature drift. In addition, in spite of the complex electronics it has also been possible to increase the mean time between failures for the new speed sensors by a factor of three to four. So they not only provide more precise signals, their signal availability is also significantly better. An alternative to Hall effect sensors with gears are sensors or encoders which use [magnetoresistance]. Because the target wheel is an active, multipole magnet, air gaps can be even larger, up to 4.0 mm. Because magnetoresistive sensors are angle sensitive and amplitude insensitive, signal quality is increased over Hall sensors in fluctuating gap applications. Also the signal quality is much higher, enabling [interpolation] within the sensor/encoder or by an external circuit.

Кодировщики двигателей с встроенными подшипниками

Существует ограничение на количество импульсов, которое можно получить от датчиков Холла без встроенных подшипников: при использовании колеса-мишени диаметром 300 мм обычно невозможно превысить 300 импульсов на оборот. Однако многим локомотивам и электропоездам (ЭМУ) требуется большее количество импульсов для корректной работы тягового преобразователя, особенно при жестких ограничениях на регулятор тяги на низких скоростях. В таких применениях датчиков Холла может быть полезно использование встроенных подшипников, которые допускают воздушный зазор на несколько порядков меньше благодаря значительному уменьшению люфта непосредственно датчика по сравнению с люфтом подшипника двигателя. Это позволяет выбирать гораздо меньший шаг для измерительной шкалы, вплоть до модуля m = 0,22. Магниторезистивные датчики, в свою очередь, обеспечивают еще более высокое разрешение и точность, чем датчики Холла, при использовании в моторных энкодерах с интегрированными подшипниками. Для достижения еще большей точности сигнала можно использовать прецизионный энкодер. Принципы работы обоих энкодеров схожи: многоканальный магниторезистивный датчик сканирует колесо-мишень с 256 зубцами, генерируя синусоидальные и косинусоидальные сигналы. Для генерации прямоугольных импульсов из периодов синусоидально-косинусоидального сигнала используется арктангенсная интерполяция. Прецизионный энкодер также оснащен функциями коррекции амплитуды и смещения. Это позволяет дополнительно улучшить качество сигнала, что значительно повышает эффективность регулирования тяги.

Датчики скорости колесных колес без подшипников

Датчики скорости без подшипников можно найти практически в каждом колесном парке железнодорожного транспортного средства. Они в основном используются для защиты от проскальзывания колес и обычно поставляются производителем системы защиты от проскальзывания. Эти датчики требуют достаточно малого воздушного зазора и должны быть особенно надежными. Особенностью вращающихся датчиков скорости, используемых для защиты от проскальзывания, являются их встроенные функции самодиагностики. Для обнаружения обрыва кабеля используются двухпроводные датчики с выходным током 7 мА/14 мА. Другие конструкции предусматривают выходное напряжение около 7 В, как только частота сигнала падает ниже 1 Гц. Также применяется метод обнаружения выходного сигнала частотой 50 МГц от датчика при периодической модуляции питания частотой 50 МГц. Обычно двухканальные датчики имеют электрически изолированные каналы. В некоторых случаях необходимо снимать сигнал защиты от проскальзывания с тягового двигателя, при этом выходная частота часто оказывается слишком высокой для электроники защиты от проскальзывания. Для таких случаев может использоваться датчик скорости со встроенным делителем частоты или энкодером.

Импульсный генератор на колесах с интегрированным подшипником

Железнодорожный подвижной состав, в частности локомотив, содержит множество подсистем, которым требуются отдельные, электрически изолированные сигналы скорости. Обычно недостаточно мест для монтажа и пространства для установки отдельных генераторов импульсов. Решением являются многоканальные генераторы импульсов, которые крепятся фланцами к корпусам или крышкам подшипников колесных пар. Использование нескольких бесконтактных датчиков скорости также потребовало бы дополнительных кабелей, которых желательно избегать для оборудования, установленного на открытом воздухе, поскольку они подвержены повреждениям, например, от разлетающегося щебня.

Оптический датчик

Можно реализовать от одного до четырех каналов, каждый из которых оснащен фотосенсором, сканирующим один из максимум двух сигнальных треков на диске с прорезями. Практика показывает, что достижимое количество каналов с использованием данной технологии все еще недостаточно. Поэтому ряду подсистем приходится обходиться сигналами, передаваемыми по замкнутому контуру от электроники системы защиты от блокировки колес, и, следовательно, им приходится довольствоваться, например, доступным количеством импульсов, хотя отдельный сигнал скорости мог бы иметь определенные преимущества. Оптические датчики широко используются в промышленности. У них есть две фундаментальные проблемы, связанные с надежной работой в течение длительного времени: оптические компоненты крайне чувствительны к загрязнениям, а источник света слишком быстро стареет. Даже незначительные загрязнения значительно уменьшают количество света, проходящего через линзу, и могут приводить к пропуску сигналов. Поэтому такие энкодеры требуют очень надежной герметизации. Дополнительные проблемы возникают при использовании генераторов импульсов в условиях, когда температура опускается ниже точки росы: линзы запотевают, и сигнал часто прерывается. В качестве источников света используются светодиоды (LED). Однако светодиоды подвержены старению, что в течение нескольких лет приводит к заметному ослаблению светового потока. Для компенсации этого используются специальные регуляторы, постепенно увеличивающие ток через светодиод, но, к сожалению, это лишь ускоряет процесс старения.

Магнитный датчик

Принцип, используемый при магнитном сканировании ферромагнитной измерительной шкалы, не имеет этих недостатков. Многолетний опыт использования магнитных энкодеров показывает, что бывали случаи выхода из строя уплотнения, при этом импульсные генераторы оказывались полностью покрытыми толстым слоем тормозной пыли и другой грязи, но при этом продолжали работать безупречно. Исторически магнитные сенсорные системы стоили дороже оптических, однако эта разница быстро сокращается. Магнитные и магниторезистивные сенсорные системы могут быть залиты пластиком или компаундом, что повышает их механическую надежность и защищает от повреждений, вызванных водой и смазкой. Датчики скорости вращения колес также могут включать гистерезис, подавляющий ложные импульсы при остановленном транспортном средстве. Импульсные генераторы, сконструированные по этому принципу, с начала 2005 года успешно прошли полевые испытания у нескольких железнодорожных операторов. Также успешно завершены типовые испытания по стандарту EN 50155, что позволяет поставлять эти импульсные генераторы.

Импульсные генераторы на колесах с встроенными подшипниками для внутренних bogies

Внутренние буксы предъявляют особые требования к конструктору генератора импульсов, поскольку они не имеют подшипниковой крышки на конце, которая могла бы служить базой для регистрации вращения оси колесной пары. В этом случае генератор импульсов необходимо устанавливать на короткий выступ вала, прикрепленный к колесной паре, и оснащать ограничителем крутящего момента, соединенным с рамой буксы, чтобы предотвратить его вращение. Экстремальные вибрации в этом месте создают значительную нагрузку на подшипник генератора импульсов, который при таком способе установки должен выдерживать не только относительно небольшую массу вала генератора импульсов, но и массу всего генератора. Учитывая, что срок службы подшипника уменьшается как минимум в третьей степени от нагрузки, становится очевидным, что надежный и долговечный генератор импульсов для таких условий нельзя просто адаптировать из более распространенного стандартного генератора импульсов для наружных букс, добавив промежуточный фланец или подобную конструкцию. Требуется генератор импульсов с модифицированной конструкцией, адаптированной к требованиям данной установки.

датчики скорости для немагнитных цельных колес или приложения, которые производят шварф

Некоторые транспортные компании сталкиваются с особой проблемой: циркулирующий воздух, охлаждающий двигатели, переносит металлическую стружку, образующуюся при износе колес и рельсов. Эта стружка оседает на чувствительных элементах магнитных датчиков. Кроме того, все чаще используются двигатели, в которых датчики должны сканировать алюминиевые колеса-мишени, например, потому что крыльчатки изготовлены из алюминиевого сплава, а производитель не хочет устанавливать дополнительный ферромагнитный зубчатый обод. Для таких применений доступны датчики скорости, не требующие целевого магнита. В них для создания переменного электрического поля частотой порядка 1 МГц используется несколько передающих и принимающих катушек, а затем анализируется модуляция связи между передатчиком и приемником. Этот датчик совместим с магнитными датчиками по параметрам установки и сигнала; в большинстве случаев для замены устройств в стандартных модулях колеса-мишени не требуется никаких дополнительных действий.

Датчики скорости с интерполяцией

Заказчики часто хотят получить большее количество импульсов на оборот, чем возможно обеспечить в имеющемся пространстве и при наименьшем модуле m = 1. Для достижения этой цели используются датчики с функцией интерполяции, которые выдают сигнал, в 264 раза превышающий исходное количество зубьев шестерни или магнитных полюсов на целевом колесе. Точность зависит от качества входного сигнала датчика: датчики Холла дешевле, но менее точны, а магниторезистивные датчики дороже, но обеспечивают более высокую точность.