角度傳感器電路 - 汽車側(cè)向傾斜角度傳感器的應(yīng)用初探

　　圖2是側(cè)向傾斜角度傳感器的一種實(shí)用電路，主要由單電源運(yùn)算放大器(如LM324)組成，其作用是將角度傳感器中的電位器W1輸出的線性變化的模擬電量進(jìn)行處理、放大，能夠按規(guī)定輸出數(shù)字量和模擬量。令水平時(shí)電位器W1滑動(dòng)點(diǎn)Ui的電位為(12)Ec(Ec為穩(wěn)壓電源電壓，通常為9V或15V,下同)，R1、R2、R3、R4為附加電阻，并使R1=R2,R3=R4,W2為調(diào)中電位器，阻值很小。調(diào)整W2,當(dāng)W1處于水平狀態(tài)時(shí)，使運(yùn)放A1、A2輸出端電位為(12)Ec。運(yùn)放A1組成反相比例運(yùn)算放大器，作為電路的前置級(jí)放大，輸入電壓為Ui,輸出電壓U1=-(R7R5)Ui,且應(yīng)使R6=R5%R7;運(yùn)放A2組成反相器，電阻R10=R8,且應(yīng)使R9=R8%R10;輸出電壓U2=-U1=(R7R5)Ui。A1和A2的輸出端分別由發(fā)光二極管LED1、LED2組成或門電路輸出，使得汽車不論是左傾還是右傾，輸出端Uo1均能輸出與輸入量Ui(隨傾斜角度變化)成正比例線性關(guān)系的模擬信號(hào)，即Uo1=(R7R5)|Ui|,去控制后面的電路或機(jī)構(gòu)。發(fā)光二極管還能指示傾斜方向，當(dāng)水平狀態(tài)時(shí)，模擬量輸出端Uo1=(12)Ec：

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　　運(yùn)放A3、A4和A5、A6分別組成窗口比較器，電阻R20、R23、R26、R29是阻值較大的正反饋電阻，以改善運(yùn)放的開關(guān)狀態(tài)工作性能，電阻R13~R17為分壓電阻，且應(yīng)R14=R15,R16=R17,電阻R13中點(diǎn)處的電位為(12)Ec,分壓電阻的阻值應(yīng)根據(jù)U2的變化所反應(yīng)的傾翻力決定，使得運(yùn)放A3和A5的反相輸入端、運(yùn)放A4和A6的同相輸入端獲得不同的開關(guān)轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電位，而且所反應(yīng)的左右傾斜程度是一致的。水平時(shí)，U2=(12)Ec,運(yùn)放A3~A6均輸出低電平;傾斜時(shí)，U2的電位發(fā)生變化，運(yùn)放A3~A6按規(guī)定要求輸出高電平。例如，電位器W1左擺時(shí)，使U2電位升高，當(dāng)高于A點(diǎn)電位時(shí)，運(yùn)放A3輸出高電平，二極管LED3顯示傾斜方向，若汽車?yán)^續(xù)向左傾斜，使U2電位繼續(xù)升高，當(dāng)高于C點(diǎn)電位時(shí)，運(yùn)放A5輸出高電平，二極管LED5顯示傾斜方向且程度加重;同理，若電位器W1右擺，運(yùn)放A4和A6的工作亦如此。2個(gè)輸出端Uo2和Uo3輸出的數(shù)字信號(hào)所反映傾斜程度與傾斜方向無關(guān)，很明顯，Uo3有高電平信號(hào)輸出時(shí)，Uo2已經(jīng)輸出高電平，Uo3所反映的傾斜程度大于Uo2。

　　K為自動(dòng)復(fù)中位型扭子開關(guān)，作為電路的檢驗(yàn)開關(guān)，當(dāng)上下搬動(dòng)時(shí)，應(yīng)分別使二極管LED2、LED3、LED5和LED1、LED4、LED6發(fā)亮。電容器C1為高頻旁路電容器，C2為低頻濾波電容器，并與電阻R12組成放電回路，形成延時(shí)環(huán)節(jié)，在系統(tǒng)中相當(dāng)于傳感器中的阻尼作用增加。

　　3 應(yīng)用初探

　　根據(jù)前文對(duì)圖2電路的敘述可知，汽車側(cè)向傾斜角度傳感器的應(yīng)用有2種形式。一是由電路發(fā)出的數(shù)字信號(hào)Uo2,驅(qū)動(dòng)聲光信號(hào)裝置，提醒駕駛員減速;二是由電路發(fā)出的數(shù)字信號(hào)Uo3或模擬信號(hào)Uo1控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使汽車自動(dòng)減速，采用數(shù)字信號(hào)組成定量減速系統(tǒng)，減速時(shí)略有些速度忽變，采用模擬信號(hào)組成比例減速系統(tǒng)，減速的效果比較平滑，實(shí)現(xiàn)減速的方法有2種，一是減小發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度，二是增加制動(dòng)。下文分述。

　　3.1 減小油門開度的定量減速系統(tǒng)

　　由傳感器電路發(fā)出的數(shù)字信號(hào)，控制執(zhí)行元件(如電磁鐵)組成減小發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度的定量減速系統(tǒng)，如圖3所示。汽車正常行駛時(shí)，油門拉桿由油門踏板控制，電磁鐵中的動(dòng)鐵心隨油門拉桿同步移動(dòng);當(dāng)汽車側(cè)向傾斜(指速度、轉(zhuǎn)彎半徑及路面坡度的綜合值，下同)超過設(shè)定值時(shí)，傳感器電路輸出端Uo3發(fā)出信號(hào)，經(jīng)延時(shí)環(huán)節(jié)YS(如時(shí)間繼電器，Uo3消失后，YS延時(shí)斷開，若阻尼和電路的延時(shí)足夠，可以不設(shè))，開關(guān)量放大環(huán)節(jié)KF(如繼電器)，使電磁鐵DCT得電工作，動(dòng)鐵心迅速移動(dòng)至終止位置，帶動(dòng)油門拉桿，使油門開度突然減小。

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　　在這一系統(tǒng)中，動(dòng)鐵心移動(dòng)的起始位置不是固定的，終止位置是可以預(yù)先設(shè)定的，所獲得的減速程度有所不同。因此，應(yīng)根據(jù)不同的車型，合理地設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)減速所要達(dá)到的轉(zhuǎn)速，使減速不至于過于突然。

　　3.2 減小油門開度的比例減速系統(tǒng)

　　為了避免上述系統(tǒng)中減速的突變性，應(yīng)采用比例減速系統(tǒng)，如圖4所示。在比例減速系統(tǒng)中，由傳感器電路Uo1端輸出模擬電壓信號(hào)，控制電流放大板DF,按照輸入信號(hào)Uo1的大小，輸出不同的電流值，使比例電磁鐵產(chǎn)生不同的位移，油門開度的減小與Uo1的增大成正比關(guān)系，減速所達(dá)到的最終結(jié)果是傾斜程度所決定的。

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　　再看一下減速的過程：電流放大板輸出電流的存在或消失要經(jīng)上升斜坡延時(shí)tu和下降斜坡延時(shí)td。上升斜坡延時(shí)是指輸出電流(平均值)從0達(dá)到某一穩(wěn)定值(由Uo1決定)所需要的時(shí)間。下降斜坡延時(shí)是指控制信號(hào)Uo1消失，輸出電流從這一穩(wěn)定值減小至0的時(shí)間，詳見圖5。在電流放大板上，上升斜坡延時(shí)和下降斜坡延時(shí)可以分別調(diào)整，減速的平穩(wěn)性由上升斜坡延時(shí)所決定，上升斜坡延時(shí)越長(zhǎng)，輸出電流的上升速率越小，比例電磁鐵移動(dòng)到終止位置(由輸出電流決定)所用的時(shí)間就越長(zhǎng)，減速效果越平穩(wěn);異而反之。比例電磁鐵移動(dòng)到某一終止位置后，即完成減速的平穩(wěn)過渡，持續(xù)一段時(shí)間后，傾翻力矩小于設(shè)定值或消失，使Uo1減小或消失。若使Uo1減小，則輸出電流按td所決定的斜率下降，直至為0。假設(shè)Uo1突然消失，輸出電流則經(jīng)過td延時(shí)后為0,從而，實(shí)現(xiàn)了減速后重新加速的平穩(wěn)性。對(duì)于上升斜坡延時(shí)和下降斜坡延時(shí)，亦應(yīng)根據(jù)不同車型和系統(tǒng)參數(shù)決定。

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　　電流放大板輸出電流的大小通常采用脈寬調(diào)制(簡(jiǎn)稱PMW)技術(shù)獲得，由輸入信號(hào)Uo1決定輸出電流波形的占空比，改變電流的平均值，這種直流電流中含有一定成份的顫振分量，可克服比例電磁鐵的調(diào)節(jié)滯環(huán)，提高位置控制精度。

　　3.3 減小油門開度減速系統(tǒng)與原車油門機(jī)構(gòu)的連接

　　由圖3和圖4可知，減速系統(tǒng)的執(zhí)行元件所產(chǎn)生的位移與原車油門踏板所產(chǎn)生的位移的方向是相反的，當(dāng)執(zhí)行元件使油門開度減小時(shí)，勢(shì)必會(huì)使油門踏板抬起，并要克服原車油門機(jī)構(gòu)的阻力，若駕駛員的腳踏在踏板上，執(zhí)行元件需產(chǎn)生較大的力量才能完成動(dòng)作，同時(shí)，對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中機(jī)械零件的強(qiáng)度、剛度也要提高要求，使得減速系統(tǒng)不夠完善。

　　為了解決這一問題，在油門踏板與油門拉桿之間增加了一個(gè)過渡彈簧，詳見圖3和圖4。實(shí)際上，油門踏板作用到油門拉桿的力量較小，油門踏板的復(fù)位彈簧并不是直接作用到油門拉桿上，因此，由原來油門踏板直接帶動(dòng)油門拉桿改為增加一個(gè)剛度適中的過渡彈簧(拉簧)帶動(dòng)油門拉桿，正常工作時(shí)，并不影響油門踏板對(duì)油門拉桿的控制，當(dāng)減速執(zhí)行元件動(dòng)作時(shí)，使油門開度減小并將過渡彈簧拉長(zhǎng)，假設(shè)駕駛員的腳未抬起，并不會(huì)有太大的踏板向上的感覺或沒有感覺。如果油門踏板的位置保持不變，減速階段結(jié)束后，傾翻力矩已不起作用，傳感器電路停止信號(hào)輸出，減速執(zhí)行元件停止工作，過渡彈簧縮回，帶動(dòng)油門拉桿回到原來位置，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加速，在定量減速系統(tǒng)中獲得與減速程度一樣的加速，在比例減速系統(tǒng)中可獲得與下降斜坡延時(shí)相對(duì)應(yīng)的加速速率，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)加速。