Opel Hall-jeladó bekötése és működése
Az Autószaki 1998/4. számában jelent meg egy cikk az indukciós kerékfordulatszám-érzékelők kiváltására használt kétvezetékes, HALL-effektus alapján működő ABS kerékfordulatszám-érzékelőkről.
A továbbiakban egy szintén kétvezetékes kerékforgás-érzékelőről lesz szó, azonban ennek a működési elve a magnetorezisztív hatáson alapul.
1. ábra: A magnetorezisztív kerékforgás-érzékelő és a mágneses csapágy-tömítőgyűrű
Miért van szükség más szenzorokra?
Felmerülhet az a kérdés, hogy egyáltalán miért használnak az indukciós kerékforgás-érzékelők helyett más szenzorokat? Ezen szenzorok, az elvükből adódóan, azaz a mágneses tér változása által létrejövő indukciónak köszönhetően hoznak létre szinuszos feszültségjelet.
Egy adott keréksebesség alatt azonban nincs kiértékelhető sebességjel, továbbá érzékenyek a szenzor és a póluskerék közötti légrés értékére.
A Continental Temic által számos gépjárműgyártó részére (BMW, Opel, Ford) gyártott szenzorváltozatok - a későbbiekben bemutatott módon - már elinduláskor is küldik a keréksebesség-információkat, a légrés akár 3,5-4 mm-ig növekedhet a szenzorvég és a jeladótárcsa között, anélkül hogy a szenzor által küldött sebességjel romlana.
Az újabb kiviteleknél már a kerék forgásiránya is meghatározásra kerül. A gépjármű hátrameneti állapota fontos paraméter a lejtőn való elindulást segítő rendszereknek (Hillholder function), illetve navigációs rendszerek részére is hasznos információ a pontos helyzetmeghatározáshoz, időszakosan kieső GPS-jelek esetén.
Napjainkig a különböző magnetorezisztív szenzorváltozatokból több mint 100 millió darabot gyártottak!
A szenzor típusai
A számos szenzorváltozat között alapvető különbség, hogy léteznek olyan típusváltozatok, melyek a már az indukciós kerékforgás-érzékelőknél használt póluskereket használják jeladó tárcsaként, illetve vannak olyan változatok is, ahol a kerékcsapágy tömítőgyűrűjére integrált északi és déli pólusokkal ellátott tárcsát használják jeladó tárcsaként (1. ábra).
Abban az esetben, amikor a jeladó tárcsa a kerékcsapágy tömítőgyűrűje, akkor a gyűrű állapota egy ellenőrző kártyával ellenőrizhető. Használatával a csapágy fordított beszerelése elkerülhető, illetve a mágneses pólusok sérülése felismerhető (2-3. ábra).
2. ábra: A mágneses tömítőgyűrű helyzetének vizsgálata ellenőrző kártyával
3. ábra: Sérült csapágy-tömítőgyűrű
Az ilyen kódtárcsával ellátott csapágyak beszerelésénél tilos a tárcsa felületét megütni, ellenkező esetben a mágneses pólusok sérülhetnek.
Működési elv
A szenzor működési elve voltaképpen egyszerű, mivel a magnetorezisztív szenzorok a ferromágneses anyagoknak azt a tulajdonságát használják ki, hogy ezeknek az anyagoknak mágneses tér hatására megváltozik az ellenállásuk. Az ellenállás nagyságát az áram és a mágneses erővonalak iránya között bezárt szög határozza meg.
Legnagyobb az ellenállás, ha az áram és a mágneses tér iránya párhuzamos egymással. Az áram irányára merőleges mágneses tér eredményezi a legkisebb ellenállást.
Mivel az ellenállás-változás nem lineáris a mágneses tér változásával, a szenzorok kialakításakor különböző eljárásokkal kompenzálják a linearitási és a hőmérséklet-változásból adódó hibát. Különösen jó magnetorezisztív tulajdonsággal rendelkezik a permalloy (20%Ni, 80%Fe).
A szenzor két részből áll, az első áramköri elemen található a Wheatstone-hídba kötött ellenállás-hálózat, melynek a mágnesestér-változás hatására létrejövő szinuszos feszültségjelét a második áramköri elem feldolgozza és létrehozza a szenzor négyszög kimenő jelét.
A szenzor kimenő jele - a HALL elven működőével megegyezően - kétféle áramérték. Ugyanis a szenzor 7 és 14 mA között „kapcsolgat”.
A szenzor voltaképpen két külön tokozásban kialakított, egymással villamos kapcsolatban lévő áramköri elemet tartalmaz. A 4. ábrán átható néhány Philips OH191-es áramkör még mielőtt a műanyag házat köré fröccsöntenék.
4. ábra: Szenzor áramkörök a műanyag ház fröccsöntése előtt
5. ábra: A Wheatstone-híd kimenő feszültsége a mágneses erővonalak helyzetétől függően
A szenzor felső négyszög tokozása tartalmazza a magnetorezisztív anyagból kialakított Wheatstone-hidat. A Wheatstone-híd szilíciumhordozóra felvitt fésűs elrendezésű magnetorezisztív anyagú ellenállás-hálózat. Az 5. ábrán egy elvi vázlat látható, mely az egyenfeszültséggel megtáplált Wheatston-híd kimenetén mérhető feszültség jelalakját magyarázza.
A híd kiegyenlített állapotában - amikor a mágneses erővonalak nem hajolnak el, azaz a póluskerék foga, illetve fogárka van közvetlenül a szenzor előtt - a kimeneti feszültség 0 V, a póluskerék ettől eltérő helyzetében a kimeneti feszültség 0 V-tól eltér.
A szenzoráramkör alsó tokozása a kiértékelő elektronikát tartalmazza. A 4. ábrán látható a két műanyag tok között a Wheatstone-híd négy kivezetése, illetve a kiértékelő elektronika tokozásából lefelé kilép két kivezetés.
A kiértékelő elektronikának a blokkvázlata a 6. ábrán látható. A blokkvázlaton feltüntetésre került a szenzor Wheatstone-hídjának tápfeszültség-ellátását biztosító tápegység. A híd szinuszos kimenő feszültsége az erősítő áramkörbe jut, majd mivel a jel általában valamekkora zajjal terhelt, ezért ha a jel átlagértéke az átbillenési feszültség közelében van, akkor a zaj ide-oda billentené az áramkört, s végül is a zaj amplitúdója szabná meg, hogy mekkora feszültségnél ,,nyugszik meg” az egyik végállapotában. Ezek elkerülése érdekében alkalmaznak egy Schmitt trigger áramkört, melynek a hiszterézise miatt (eltérő az egyik irányba történő átbillenés feszültsége, mint a másik irányba) létrejön a helyes, zavarmentes négyszögfeszültség. Ilyen zavart okozhat a jelben például fékezés közben létrejövő vibráció is.
A szenzor kimenetén látható a kétértékű áramforrás, mely végül is biztosítja a szenzor kimenő jelét, azaz a már említett kétféle áramértéket.
A gyári blokkvázlat nem mutatja az órajel-generátort, a szenzorba beépített fordított bekötés és túlfeszültség-védelmi, illetve a hőmérséklet-kompenzáló áramköröket.
6. ábra: A szenzor felépítésének blokkvázlata
7. ábra: A szenzor röntgenképe
A 7. ábrán látható röntgenképen szintén áttekinthető a már az előzőekben bemutatott belső elrendezés. A röntgenkép bal oldalán látható a Wheatstone-hidat tartalmazó áramkör a ráerősített állandó mágnessel. A kép jobb oldalán az ezzel az áramkörrel összekapcsolt kiértékelő elektronika található.
Megjegyzendő, hogy az állandó mágnes méretétől függ, hogy a szenzor a kerékcsapágy tömítőgyűrűjébe integrált mágneses tárcsával vagy ferromágneses póluskerékkel használható. Nagyobb geometriai mérettel rendelkező mágnes alkalmazásakor a szenzor póluskerékkel történő működéshez illesztett. Ha a csapágy mágneses tömítőgyűrűjével tud működni a szenzor, akkor a Wheatstone-híd tokozása mellett lévő kis mágnesnek (kb. 4x2x1 mm méretű) csak a kialakuló mágneses tér ,,stabilizálásában” van szerepe. Ennek megfelelően ezt a mágnest a szakirodalom stabilizáló mágnesnek nevezi.
Jellemzők
Az eddigiek alapján belátható, hogy a szenzor áramfelvétele - a beleintegrált kétértékű áramgenerátornak köszönhetően - 7 és 14 mA között ,,ugrál” a kerékfordulatszám függvényében. A négyszög feszültségjel úgy jön létre, hogy az ABS elektronikában a szenzorral sorba kötötten megtalálható egy terhelő ellenállás is. Ezen az ellenálláson az áramváltozás hatására már négyszög feszültségjel jön létre.
Az indukciós kerékfordulatszám-szenzorral ellentétben ezen szenzor már a gépjármű álló helyzetében is szolgáltat jelet. A kerék pozíciójától függően alacsony (7 mA) vagy magas (14 mA) áramerősség jön létre, ezáltal a gépjármű álló helyzetében is a szenzor működése már ellenőrizhetővé válik az öndiagnosztika számára!
Vizsgálat
A jeladó vizsgálható természetesen tesztműszerrel, de kiszerelt állapotban is. Kiszerelt állapotban a jeladóra tápfeszültséget kell kapcsolni, amikor a szenzor előtt mágnest mozgatunk, akkor a szenzorral sorba kötött árammérőn 7, illetve 14 mA körüli áramfelvételt lehet mérni.
8. ábra: A szenzorvizsgálathoz javasolt tesztáramkör
A 8. ábrán látható a szenzorvizsgálathoz az áramkörgyártó által javasolt bekötési rajz. A szenzorral sorba kötve egy 115 Ω-os terhelő ellenállás alkalmazását javasolja a gyártó. Az ábra alapján a szenzorkimenetnél a terhelő ellenállás és a test közti feszültséget oszcilloszkóppal megmérjük, akkor nagyságrendileg 0,8-1,6 V között változó négyszögfeszültséget mérhetünk. A gyakorlatban a vizsgálatot lefolytathatjuk terhelő ellenállás nélkül is egy sorba kötött árammérővel.
A szenzor unipoláris, azaz csak egyféle bekötés esetén működik helyesen, fordított bekötésnél a szenzor áramfelvétele többszöröse a jelképzésnél mérhető áramértékeknek. A szenzor fordított bekötés ellen védett, de csak a 115 Ω-os terhelő ellenállás alkalmazásakor viseli ezt el hosszabb ideig!
Az ismertetett áramkör alkalmazásával kialakított érzékelő főbb jellemzői:
- Tápfeszültség: 0,5-16 V-ig
- Kimeneti áram alacsony értéke: 5,6-8,4 mA
- Kimeneti áram magas értéke: 11,2-16,8 mA
- Környezeti hőmérséklet: -40-tól 85 °C-ig
- A vezérlő mágneses tér frekvenciatartománya: 0-25 kHz
Továbbfejlesztett változatok
Az előzőekben ismertetett szenzor továbbfejlesztett változatai már a kerék forgásirányát, a szenzor és a jeladótárcsa közötti légrés nagyságát is érzékelik. A mért adatokat a már ismertetett kerékfordulatszám-jelek közé beszúrt adat-bitek segítségével közlik. A következőkben tekintsük át a szenzorok ezen típusát is.
Kerékforgásirány meghatározása
A kerékforgásirány meghatározásánál felmerül az a probléma, hogy ehhez bizony legalább két szenzorra lenne szükség. Ha a szenzorokat elég közel helyeznénk el egymáshoz - azaz póluskerék alkalmazásakor egy fog és fogárok távolságnyin belül, vagy mágneses csapágytárcsa esetén egy északi és déli póluson belül -, akkor logikai áramkörök alkalmazásával a két szenzor kimeneti jele alapján el lehetne dönteni a kerék forgásirányát (9. ábra).
9. ábra: A kerékforgásirány meghatározása két szenzor segítségével
Azonban egy szenzor alkalmazásával ez hogy lehetséges? Az alapelv voltaképpen egyszerű. A már ismertetett Wheatstone- hidat a tervezők „megfelezték”, azaz voltaképpen egy tokozáson belül két egymástól független magnetorezisztív ellenállás-hálózatot hoztak létre. A két fél híd kimenő feszültségének egymáshoz képesti eltolódásából a kerék forgásiránya meghatározható.
Annyit érdemes megjegyezni, hogy a feszültségjelek közötti fázisszög meghatározásához a jelek mind összegző, mind kivonó áramkörökön futnak keresztül és logikai kapcsolások segítségével kerül eldöntésre a kerék forgásiránya. A mérőhidak kimeneti feszültségének amplitúdójából a jeladókerék és a szenzor közötti távolság is meghatározható.
A szenzor által mért adatokat alacsony keréksebességnél a két sebességimpulzus közé szúrja be a szenzorelektronika. Azonban a keréksebességjel magas áramértéke ennél a szenzornál már nem 14 mA, hanem 28 mA! Az áram alacsony értéke változatlanul 7 mA. A kódolt információ úgynevezett Menchester-kódolású.
Ennél a kódolási formánál a kódoló minden bit-időt két egyenlő részre vág, ahol a bináris „0” küldése esetén az első intervallumban magas, míg a második alatt alacsony szint jelenik meg a vonalon. Bináris „1” elküldése esetén az előbbi folyamat inverze valósul meg, az első intervallumban alacsony, a másodikban pedig magas szint kerül a csatornára. Azaz ha a bit-idő közepén a jel felfutó, akkor az 1-et, ha lefutó, akkor az 0-t jelent. Mivel minden bit-idő közepén lesz egy átmenet, így a vevő könnyen összeszinkronizálódhat az adóval.
A Manchester-kódoló hátránya, hogy a felére csökkent impulzusszélesség miatt a bináris kódoláshoz elegendő sávszélesség kétszeresét igényli. Azonban az esetleges hibás adatátvitel könnyedén kiszűrhető, mivel ha a bit-idő közepén nincs le- vagy felfutó jel, akkor az hibaként detektálható.
GY.I.K. - főtengely jeladó hiba
A 10. ábra felső részén látható a jelfolyam, melyen jól nyomon követhető, hogy az ilyen típusú szenzor már három áramszinten küldi a jeleket az elektronikának. A sebességjel 7 és 28 mA között, míg a sebességjelek között lévő kódolt információ 7 és 14 mA között változik.
10. ábra: A keréksebességjelek közötti adatfolyam
Az ábra alsó részén a kódolt rész kinagyított képe látható. A 28 mA értékű, magas kerékfordulatszám-jelnek a fordulatszám-információn túl szinkronizálás is a feladata, mivel utána következik a 9 adat-bit. Egy bit-idő 50 μs hosszúságú.
A 10. ábra alsó részén 0-tól 8-ig számozott adatbitek magyarázata a következő. A 0-tól 3. bit-ig az elektronika számára biztosít információkat a magnetorezisztív ellenállás hálózaton mérhető feszültségamplitúdó nagyságáról. Ebből számunkra a 0. bit kiemelt fontosságú, mivel annak magas értéke azt jelzi, hogy a légrés a jeladótárcsa és a szenzor között túl nagy. A légrés további növekedése esetén a szenzor már nem lesz működőképes.
A 4. bit a kerék forgásirányát jelzi, annak magas értékekor a kerék forgásiránya pozitív, azaz a póluskerék forgásiránya a 9. ábrán látható mozgásiránnyal megegyező.