Magnetorezisztív kerékfordulatszám-érzékelők működése
Az Autószaki 1998/4. számában Csúri György tollából megjelent 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.
Az ismertetés előtt 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 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).
Zafira A kerékfordulatszám szenzor hiba
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). 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 továbbiakban érdemes a szenzort egy kicsit részletesebben is górcső alá venni. 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.
Hogyan Javítsuk a Katalizátor Hőmérséklet Jeladó Hibáját?
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.
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.
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.
L300 üzemanyag jeladó javítása
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!
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. 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-től 85 °C-ig
- A vezérlő mágneses tér frekvenciatartománya: 0-25 kHz
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.
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). 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.
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.
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.
- Az 5., 6. és 7. bit a már előbb említett légrést számszerűsíti. Hibátlan jelképzés fennálló lehetséges légrésnagysága 8 részre van felosztva (3 bittel ennyi adat kódolható), ennek a pontos értékét a szenzor közli az elektronikával. Így a légrés értéke és esetleges változása pontosan mérhetővé válik. Ezen mérési adatok így mind a gyártás utáni teszteknél, illetve gépkocsiba beszerelt állapotban is felhasználhatóak.
- A 8. bit a kódsorozat esetleges adathibái kiszűrésében jut szerephez (páros paritás).
Lassú keréksebességnél és a kerék álló helyzetében a fenti kommunikációs protokoll 150 ms-enként ismétlődik. Ekkor mivel a keréksebesség-jelek viszonylag lassan vagy egyáltalán nem követik egymást, a protokollindítást a már említett 28 mA értékű keréksebességjel helyett egy 14 mA-es jel indítja, mivel ez elengedhetetlen a szinkronizáláshoz.
Gyors keréksebességnél, amikor a sebességjel közé ,,nem fér be” a teljes adatsor, akkor az első 3 bit hosszúságra rövidül le a közlendő információ. Ennél nagyobb sebességeknél, már csak a keréksebességjelek ,,élnek”, az adatsor továbbítása megszűnik.
Az ismertetett áramkör alkalmazásával kialakított érzékelő főbb jellemzői:
- Tápfeszültség: 4,5-18 V-ig
- Kimeneti áram alacsony értéke: 5,8-8,4 mA
- Kimeneti áram középső értéke: 11,7-16,8 mA
- Kimeneti áram magas értéke: 23,5-33,5 mA
- Adat-bitek periódusideje (bit-idő): 50 μs
- Alacsony keréksebességnél az adatprotokoll ismétlési ideje: 150 ms
ABS jeladó hibák és tünetek
Az ABS jeladó létfontosságú eleme az ABS rendszernek, így fontos, hogy mindig megfelelően működjön. Az ABS rendszer megfelelő működéséhez az ABS jeladók kulcsszerepet játszanak. Ezek a jeladók érzékelik a kerekek forgási sebességét, és információt továbbítanak az ABS modulnak, amely ez alapján szabályozza a fékrendszert.
A sebesség jeladók meghibásodása számos, gyakran félreérthető tünetet produkálhat, amelyek befolyásolják a jármű vezethetőségét, biztonságát és teljesítményét.
- Az egyik leggyakoribb jel, hogy az ABS jeladóval probléma van, az az ABS figyelmeztető lámpa megvilágítása a műszerfalon.
- Az ABS rendszerrel kapcsolatos problémák esetén a fékpedál érzékenyebbé vagy keményebbé válhat.
- Egyes esetekben az ABS jeladó hibás működése miatt atipikus zajok hallhatók a fékezés során.
- Ha a VSS (Vehicle Speed Sensor) hibás, a sebességmérő pontatlanul vagy egyáltalán nem fog működni, a tempomat kikapcsol, az automata váltó rendszertelenül kapcsolhat, vagy akár vészüzemmódba is kerülhet.
A korai felismerés kulcsfontosságú a további károk megelőzésében. A sebesség jeladók hibái gyakran rejtélyesnek tűnhetnek, mivel tüneteik más rendszerek problémáival is átfedésben lehetnek.
Diagnosztika és javítás
A sebesség jeladó hibák diagnosztizálása precizitást és módszeres megközelítést igényel. Az első lépés mindig az ABS rendszer diagnosztikai tesztje kell legyen. A modern járművekben a diagnosztikai eszközök és a multiméter alapvető fontosságúak a probléma azonosításában. Az első és legfontosabb lépés a diagnosztikai hibakódok (DTC) kiolvasása egy OBD-II szkenner segítségével.
A hibakód kiolvasása után érdemes a kód leírását ellenőrizni egy megbízható adatbázisban, hogy pontosan megértsük, mire utal. Az OBD-II kódok útmutatása alapján a következő lépés a gyanús jeladó fizikai ellenőrzése multiméterrel.
A jeladó ellenőrzése: A hibás jeladó fizikailag is sérült vagy koszos lehet. A jeladó felületén felgyülemlett fémreszelék, por, sár vagy egyéb szennyeződés zavarhatja az érzékelő működését, különösen az induktív és Hall-effektus típusoknál.
Ha a jeladó hibásnak bizonyul, a legjobb megoldás annak cseréje. Ha a tisztítás és a csatlakozók rendbetétele nem oldja meg a problémát, vagy a jeladó mérései hibát mutatnak, valószínűleg cserére van szükség.
A diagnosztika során a türelem és a módszeresség elengedhetetlen. Az OBD-II kódok csak iránymutatást adnak, a multiméteres mérések és a vizuális ellenőrzés segítenek a pontos hibaforrás azonosításában.
Összefoglalás
A blokkolásgátló rendszer, ismertebb nevén ABS, az autóipar egyik legnagyobb innovációja, amely jelentősen hozzájárul az úton való vezetés biztonságához. Az ABS rendszer egyik fő előnye, hogy megakadályozza a kerekek blokkolását erős fékezés során. Az ABS rendszer nem csak a fékezési hatékonyságot növeli, hanem segíti az autó kormányozhatóságát is veszélyes helyzetekben.
A megfelelő sebesség jeladó kiválasztása kritikus a rendszer megbízhatósága és pontossága szempontjából. A gépjárművekben található sebesség jeladók komplex hálózatot alkotnak, amelyek összehangolt működése garantálja a modern autók biztonságát, hatékonyságát és kényelmét.
Remélem, azok a kitartóak, akik a cikket végigolvasták, számos új ismerettel lettek gazdagabbak. Igaz ugyan, hogy az ismertetett szenzortípusok hibás működésének felismeréséhez talán nem is szükséges ennyire mélyen belelátni a lelkivilágukba, de legalább ismét szembesülhetünk azzal a ténnyel, hogy ez elektronika ma már mindenbe beleüti az orrát.
Hogyan teszteld az ABS szenzort egy multiméterrel?
tags: #kerekfordulatszam #abs #jelado #működése