（测试计量技术及仪器专业论文）汽车电控喷气控制系统中传感器的研究.pdf

汽车电控喷气控制系统中传感器的研究摘要本课题是外单位为满足市场需要委托的产品研发项目。目的是研制出一套可以替代国外同类产品的汽车电控喷气控制系统传感器，在降低成本的前提下，达到期望的技术要求，改进原有系统传感器的不足。在汽车实际运行中，汽车电喷系统阀芯由于某种原因可能出现卡死现象，造成驱动喷气阀芯进退的步进电机失步堵转，从而会影响到对喷气量的控制，因此在系统中引入的用于检测气门开度的位移检测传感器就将扮演着重要的角色。汽车电控喷气控制系统传感器可以精确检测气门开度位移，再通过发动机电控单元e c u 控制步迸电机补偿动作，进而回馈控制气门开度位移，保障对喷气量的精确控制，减少能源消耗和产生的污染。利用汽车电控系统原理、差动变压器原理、电动机等相关知识，在对差动变压器结构形式研究的基础上，研制出加工工艺相对简单、体积小的汽车电控喷气控制系统传感器。同时，根据电子电路知识，遵循智能化仪器仪表的设计思想，设计出性能可靠、结构简单的传感器信号处理电路，使其具有调零、校准、滤波放大等功能。在结构设计中也相应采取抗干扰屏蔽措施，提高系统传感器的工作可靠性。与国外同类产品比较，所研发的汽车电控喷气控制系统传感器性能相当，工作可靠，成本低，基本能够满足市场需要。关键词：位移传感器电控喷气控制系统汽车差动变压器步迸电枧数据处理s t u d vo nt h es e n s o ro fa u t o m o b i l ee i e c t r o n i c a i i yc o n t r o l i e dg a s i n j e c t i o nc o n t r o is y s t e ma b s t r a c tt h ep r o j e c ts t e m s 舶mac o m p a n y sc o r 啪i s s i o n 髓dm ep u r p o s ei st oa d a p tm e i rn r o d u c t st om a r k e t o r i e n t e dr e q u e s t s t h ea i mo fp r o j e c “st od e v e l o pas e to fs e n s o ro fa u t o m o b i l ee l e c 廿o n i c a l l yc o n 们1 1 e dg a s 厕e c 畦o n 曲o ls y s t e mt or c p l a c ei m p o r t e dg i m i l a rp r o d u c t s ，t 0m e e tt 1 1 et e c h i l i q u cr e q u 岫n e n t ，锄dt oi m p r 0 v et l l ep e r f o 髓a 芏l c eo f s e n s o r 证o l ds y s l e mt n l d e rt h el o w c rc o s t d u 打n gt l l ep r o c e s so f a u t o m o b i l eo p e 豫d o n ，b e c a u s eo f s o m ef e a s o n s ，t l l ev a l v ep l u go fe l e 呶o 沁一c o n 廿o l l e di n j e c t i o ns y s t e mw i l lc h o k eu p ，i tw mm a k et h es t e p p i n gm o t o r1 0 s es t 印a n d 词es ot h a t “w 珊i n f i u e n c et h ec o n 仃0 io f g 勰d i s c h a 玛er a t e t h 盯e f o r e ，s e n s o rw h i c hi sl l s e dt om e a s u r ev a l v eo p e n i n gw i l lp l a ya ni m p o tr o i ei nt h es y s t 。l n t h es e n s o ro fa u t o m o b j l ee l 鹳c n i c a l l yc o n 虹l l e dg 蠲一硼e c t i o nc o n t r o ls y g t e mc a i lm e a s 盯ct h cd i s p l a c e m 锄to fv a l v e0 p e l l i n gp r e c i s e l y t h e n 也ei n f 0 瑚a t i o ni sp u ti n l oe l e c 的n i ce n g i n ec o n 打o 】t l l l i t ( e c u ) 衙a l l a l y s e s ，c o n s e q u e n t l y e c uw i l lc o n n d ls t 印p i n gm o t o ra c t i o nmo r d e rt oc o m lv a l v eo p e n i n gb a c kf e e d ，g u a f a n t e ep 埠c i s ec o n 仃o lo fg 丑sd i s 6 h a 玛er a t e 锄dr e d u c ee n e r g yc o n s u m e sa r l dp o l l u t i o no f m ee 1 1 、r i m n m e n t o nt l l eb 踮eo fs t u d y i n gs t m c t i l r ef o 衄a to fd i l i 醯e n d a l 证姐s f o m l e ra 1 1 db yi n t r o d u c i n gm ep r i n c i p l e0 fa u t o r r 尬b i l ee l e c 怕l l i cc o n t r o ls y s t e m ，p r i m i p l eo fd i f f h e n t i a lt r a n s f o r r n c r 锄dk n o w l e d g ea b o u tm d t d r w eh a v ed e v e l o p e dan e ws e n s o ro fa u t o m o b i l ee l e c 打o i l i c “l yc o n t r o l l c dg a s i n j e c t i o nc o m r o ls y s t e m ，w h i c hi ss m a l li nv 0 1 1 1 1 1 1 ea n dh a ss i m p l em 孤u f 址t l l r ep m c 甜u r e m o r e o v e r ，o n 也eb a s eo f t h eh l o w l e d g eo fe l e c t r o na 1 1 de 1 t r o c j r c u i t ，粕df o l l o w i l l gt l l ed e s i 髓t h o u g h to fi n t e l l i g e n ti n s 订l 吼e n t ，g i 弘a 1h a l l d l m gc i r c u i to ft h i ss e l l s o r h 鹊b e e nd e s i 印e dt ob er e l i a b l ea l l ds i m p i ei ns t n l c n h ，i ti sc a p a b l eo fs e l f a d j u s t i n gt oz e r o ，c a l i b r a t i o n ，f i l t e ra n da m p l i & a t i o n i na d d i t i 。n ，a n t i - j a 强i n gp l a nh a sa 王s ob e e nm 8 曲i n 也es c t m _ cd e s i 弘t oi m p r o v et h en e wg e n s o rs t a b i l i z a t i o n 孤dr c l i a b i l i 咄c o m p a r e dw i mi m p o n e ds i m i l a rp r o d u c t s ，l h en e wd i s p l a c e m e n ts c i l s o rh 踮t h es a m ep 吲f o 姗a n c e ，w o r kr e l i a b l e ，c o s tc h e a p qa n dw i l i b ea b l et om a t c hr e q l l i r e m e n to fm a l k e tk e y w o r d s ：d i s p l a c e m e n ts e n s o r ，e l e c 圩o n i c a 】1 yc o n 扛d 1 1 e dg a s 一蜘e c t i o nc o n 打o ls y s t e m ，a u t o m o b i l e ，d i 舵r e n t i a lt r a n s f 0 肋c r ，s t 印p i l l gm o t o r ，d a t ap r o c e s s i n g合肥工业大学本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕士学位论文质量要求。答辩委员会签名：( 工作单位、职称)主席：马力弘盖霰孑委员：导废缓，叼假俳观工 西严哎锯砑侃州李励7 硼图2 1图2 2图2 3图2 4图2 5图2 6图3 一l图3 2图3 3图3 4图3 5图3 6图3 7图3 8图3 9图3 一l o图3 1 1图3 1 2图3 1 3图3 一1 4图3 1 5图4 一l图4 2图4 3图4 4图4 5图4 6图4 7图4 8图4 9图4 一1 0图4 1 l插图清单系统原理示意图3电控单元e c u 结构组成3单片机基本结构框图4步进电动机定子的组成与原理6步进电动机的工作过程6步进电机驱动电源方框图7螺管型差动变压器的结构8差动变压器等效电路9等效电压源1 0螺管型差动变压器1 0螺管型差动变压器输出特性曲线1 3激励频率与灵敏度的关系1 3次级匝数与灵敏度的关系1 4激励电压与灵敏度的关系1 4某三节式差动变压器输出特性1 5差动变压器理想输出1 7零位电压的波形和波形组成1 7汽车电控喷气控制系统电喷执行器1 8差动变压器次级台阶绕法1 9差动变压器线圈骨架结构1 9初次级电压相位差与激励频率的关系2 1传感器信号处理电路框图2 3传感器信号处理电路2 3非对称式多谐振荡器电路2 3图4 3 电路中c m o s 反相器静态工作点的确定2 4图4 3 电路中电容的充、放电等效电路2 5图4 3 电路的工作波形图2 5差动整流电路部分2 6单相桥式整流电路2 6单相桥式整流电路的波形图2 7信号调理放大电路部分2 8电源电路部分2 9图4 1 2图4 一1 3图5 一l图5 2图5 3图5 4图5 5图5 6电源电路中部分电路的等效分析3 0电源电路中对应a ，b 点及输出电压波形3 0传感器的非线性特性3 2各种直线拟合方法3 3最小二乘拟合方法3 3迟滞特性3 5重复性3 5差动变压器性能实验方法示意图3 6表表表表表格清单实验数据3 7迟滞误差分析表3 8进程重复性考察实验数据及其分析表3 9回程重复性考察实验数据及其分析表3 9独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金魍工些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签字：知确签字日期； 蚶年垆月，南j学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金魍王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘允许论文被查阅或借阅。本人授权盒蟹；e 些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者毕业后去向工作单位：通讯地址：导师签名签字日期电话：邮编：尧目才杉：年躺硝者：文期沦日位字学签致谢本论文是在我的导师胡生清教授的悉心指导下完成的。胡生清教授不仅是我的导师，更是一位时时刻刻都在关心我的长辈。一直以来，胡老师不仅在学习和专业技术方面给予我精心的指导和帮助，而且在生活上也加以悉心的关怀，帮助我克服了很多困难，使我可以顺利地完成学业。胡老师以渊博的知识、严谨的治学态度和为人师表的学长风范影响着每位学生。特别是他宽宏的性格和搏大的胸怀让我钦佩不已，他的谆谆教诲将指引我今后的人生道路，鼓励我排除万难，勇往直前。在此，我要衷心感谢我的导师胡生清教授，感谢胡老师无微不至的关怀和帮助。我要感谢胡毅老师、张辉老师、刘巧云老师、金施群老师、汪萍萍老师、李晓玲老师、郑荣美老师等一直关心和帮助我的领导、老师、同事和朋友们。我要感谢我的师姐刘芳芳、蒋敏兰、刘湘，师兄陈小艳、张登攀、张文，我的朋友杨凌波、魏礼俊、代鲲鹏、陈海荣、赵升等，他们给了我很多的帮助，使我愉快地度过了这两年多的时光。最后，我还要感谢我的父亲李刚田、杨连庭。我的母亲刘传荚、仉风英，我的弟弟李红颍和我的爱人杨伟，没有他们的支持和关爱，我不可能取得今天的成绩。谨以此论文献给关心、帮助、爱护我的家人、老师、同事和朋友们j作者：李红莉2 0 0 5 年4 月2 日第一章绪论当前，燃气汽车以其排放清洁、技术成熟、资源丰富等特点在世界范围内已得到广泛应用，成为汽车产业发展的主流【1 】。另外，电控喷油装置可以自动地保证发动机始终工作在最佳状态，使其在输出一定功率的条件下最大限度地节浊和净化空气。因而在现代汽车上，电控喷油装置因其性能优越而得到了普及【2 】【3 】。对于汽车产业的发展来说，将燃气与电喷技术结合起来应用，具有重要的研究价值。1 1 汽车电控喷气控制系统传盛器的研究意义通过对汽车电控喷气控制系统传感器的研究，需研发出一套工作可靠、控制方便、价格便宜的汽车电控喷气控制系统产品，以取代此系列产品依靠进口的状况，使国内汽车、尤其是卡车( 大车) 由燃油车向燃气机车转型。我国石油资源短缺，天然气资源比较丰富。同时能较好地解决汽车污染环境问题1 4 1 5 】【q ，因而本课题的研究适合我国的国情，具有广阔的市场以及深远的社会意义。1 2 国内外的概况目前，国内天然气的液化问题以及其他汽车用气的问题已经解决，存在主要问题即如何对喷气量进行电控，使汽车工作在最佳状态，对汽车喷气量的控制与喷油量控制又有所不同。汽车电控喷气技术在国外发展已经比较成熟，在国内受限于执行器和传感器的研究应用水平，对汽车电控喷气技术的研究应用处于初级阶段，尚无研究出成功的产品，在汽车喷气量的控制上主要是依靠美国进口产品，它采用多线圈电位器作为节气门位置传感器【7 】。其工作原理是将电位器转臂与节气门同轴安装在步进电机两侧，当电机转动时，带动电位器转臂滑到一定的位置，电位器输出与节气门位置成比例的电压信号，以实现提供电机负荷信息、工况信息的功能；但其材料质萤、加工工艺、加工精度及使用可靠性都要求很高，成本较高f b 】，目前进口的价位一般在5 0 0 0 元左右。1 3 研究的主要内容及预期目标本课题研究的汽车电控喷气控制系统传感器，以螺管型差动变压器来替代进口产品中的电位器，设计出满足精度要求的汽车电控喷气控制系统开度控制位置传感器，使实现非接触式测量替代接触式电位器位移测量。( 1 ) 新型位置传感器的设计及特性的实验验证( 2 ) 传感器测量电路的设计( 3 ) 汽车电控喷气控制系统开度控制的电路设计根据目前国内生产的实际需要及同类产品的性能，研究的新型位置传感器所要达到的技术指标如下：( 1 ) 直线位移工作范围：1 l 衄( 2 ) 精密测量范围3 栅。对直线位移要实现精度要求，达到5 ( 0 0 1 5 邮)( 3 ) 供电电源：d c 3 8 v本课题研究的目的是将其产品化，适应国内市场的需要，代替进口产品，提高工作效率和可靠性，降低使用成本。2第二章电控喷气控制系统开度控制系统的介绍2 。1 基本工作原理”1 1 10 】1 3 1 l p 5 汽车电控喷气控制系统开度控制系统的基本工作原理如图2 1 所示。在步进电机式怠速控制阀中加入位移传感器，使位移传感器与阀芯同轴安装在步进电机两侧，当e c u 发出脉冲驱动步进电机转动时，经螺杆螺母转换带动阀芯和位移传感器作线位移，位移传感器检测阀芯的瞬时直线位移量，通过信号处理电路将位移变化量转化为电信号，经a d 转换送入e c u ，e c u 通过专用软件分析比对步进电机转过的名义角位移( 由脉冲数表示) 与传感器所反映的微直线位移量间的对应关系是否成比例，从而判断步进电机有无失步，经e c u 由软件分析出失步数并立即发出相应脉冲数驱动步进电机作出补偿动作【3 2 ”3 】【”】，避免因电机堵转造成迸气量失控。田2 - i秉装曩爱示l 田开度控制系统主要由步进电机、螺杆螺母、阀芯、位移传感器以及a d 、e c u( 电控汽车发动机电子控制器) 组成。2 2 发动机电控单元e c 俨1 l i ”j 电控单元e c u 又称电子控制器或电子控制组件，俗称电脑。电控单元e c u是电子控制系统的控制中心，是以单片微型计算机( 即单片机) 为核心组成的电子控制装置。具有强大的数学运算和逻辑判断功能。2 2 1e c u 的组成电控单元e c u 主要由输入回路、单片机和输出回路三部分组成，组成框图如图2 2 ( a ) 所示。鞑至丽萄皤2 2电控单元e c 瞄构组成( - ) e c l 粗成榧图( b ) 职u 穸b 形结构输入回路和输出回路与单片机一起制作在一个金属盒内，图2 2 ( b ) 所示为桑塔纳2 0 0 0 g 1 i 型轿车电控单元e c u 的外形结构。发动机电控单元固定在车内不易受至8 碰撞的部位，如仪表台下面或座椅下面等，具体安装位置依车而异。1 、输入回路输入回路又称为输入接口，由a d 转换器和数字输入缓冲器两部分组成，缓冲器电路主要包括整形电路、波形变换电路、限幅电路和滤波电路等等。输入回路的功用是将传感器输入的各种信号变换成微机能够接收的数字信号。2 、单片机目前。汽车电控系统采用的单片机如图2 3 所示。由随机存储器r a m 、只读存储器r 删、输入输出i o 接口以及中央处理器c p u 组成。( a )( b )图2 3 单片机基本结构框图( a ) 单片机外形( b ) 单片机结十芍框图汽车上各种电控系统( 燃油喷射系统e f i 、防抱死制动系统a b s 、安全气囊系统s r s 、自动变速器e c t 控制系统) 以及e c u 内部的数据运算与逻辑判断都在中央处理器c p u 中进行。在汽车电控系统中，只读存储器r o m 用来存储制造厂家编制的控制程序、运行程序和原始试验数据，即使点火开关断开切断电源，r o m 中存储的这些信息也不会丢失。汽车上，随机存储器r a m 通常用来存储单片机工作时暂时需要存储的数据( 如输入输出数据、单片机运算得出的结果、故障代码、空燃比修正数据等等) ，这些数据根据需要可随时调用或被新的数据改写。3 、输出回路输出回路是单片机与执行器之间的中继站，其功用是根据单片机发出的指令，控制执行器执行具体动作。单片机对采样信号进行分析、比较、运算后，由预定的程序形成控制指令并通过输出端子输出。由于微机只能输出微弱的电信号( 如喷油喷气脉冲、点火信号等) ，电压一般为5 v ，不能直接驱动执行部件，【司此必须通过输出回路对控制指令进行功率放大、译码或d a 转换，变成可以4驱动各种执行元件的强电信号。2 2 2e c u 的工作过程发动机启动时，电子控制器e c u 进入工作状态，某些运行程序或操作指令从存储器r o m 中调入中央处理单元c p u 。这些程序可以控制燃油燃气喷射、点火时刻、怠速转速等等。在c p u 的控制下，一个个指令按照预先编制的程序有条不紊地进行循环。在程序运行过程中，所需要的发动机工况信息由各种传感器提供。传感器的输出信号首先进入输入回路进行信号处理，实现模拟信号数字化，然后经i 0接口电路输入c p u 。大多数信息暂时存储在r a m 中，根据指令再从r a m 传送到c p u 。下一步是将预先存储在r o m 中的最佳试验数据引入c p u ，将传感器输入的信息与其进行比较。c p u 将来自传感器的各种信息依次取样，与预先设定的数据进行逻辑运算，通过比较作出判定结果并发出指令信号，经i o 接口电路、输出回路控制执行器动作。发动机工作时，微机运行速度相对发动机工作状态相当快，因此可实现适时控制。2 3 步进电机1 1 4 1 1 2 2 l 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的电动机。用专用的驱动电源向步进电机供给一系列的且有一定规律的电脉冲信号，每输入一个电脉冲，步进电机就前进一步，其角位移与脉冲数成正比，电机转速与脉冲频率成正比，而且转速和转向与各绕组的通电方式有关。应用较为广泛的是反应式步进电动机。2 3 1 基本组成1以图2 4 所示的步进电机定子的组成为例，步进电机的转子由永久磁铁构成，有8 对磁极，其n 极和s 极在圆周上相间排列，定子有a 、b 两个( 图2 4 ) ，每个定子由具有8 对爪极铁心和两组绕向相反的线圈组成。当一个线圈通电后，a 、b 两定子便形成1 6 对( 3 2 个) 磁极。2 3 2 工作原理当定子的一个线圈通电时，定子的3 2 个磁极与转子磁极同性相斥、异性相吸，在此磁力的作用下，使转子转动，直到转子的n 、s 极与定子的异性磁极相对应的位置( 图2 5 ) 。定子的4 个线圈按1 、2 、3 、4 的顺序逐个通电，就可使电动机正向转动。其中，每次通电，定子磁极改变一次，转子转动一步( 1 3 2圈) 。如果要使电动机反转，则使4 个线圈按4 、3 、2 、1 的顺序通电即可。匝压叵叵叵曰匡叵圆圈，6“)圈2 4 步进电动机定子的组成与原理。一蜻子：一蠊罂瞿平；b 拦盂识一霆举掰墨芸爵撮性分击定于卫卫卫工工丑丑丑习 二姥虹j 二 二 定子蚌子【b j宣于正卫巫卫卫卫工正哑转手二 互 二 e 工三( c )圈2 5 步进电动机的工作过程( a ) 事皇曲一弗前“1 开拍蚪劫( c ) 蚪曲一出詹也就是说，当步进驱动器接到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度( 称“步距角”) ，它的转动是以固定的角度一步一步运行的，所以可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，达到准确定位的目的。该设计中步进电机的步距角为0 9 。，即1 4 0 0 圈，由e c u 通过改变步进电机4 个线圈的通电顺序来改变转予的旋转方向，即改变进气通路面积的调节方向( 加大或减小) 。n n 2 3 3 驱动电源步进电机的控制绕组中需要一系列的有一定规律的电脉冲信号，从而使电机按照要求运行。这个产生一系列有一定规律的电脉冲信号的电源称为驱动电源。步迸电动机的驱动电源主要包括变频信号源、脉冲分配器和脉冲放大器三个部分，其方框图如图2 6 1 所示。图2 6步进电机驱动电源方框图2 4 螺旋机构1 ”l1 3 7 l螺旋机构的作用是将步进电机的旋转运动变换为直线运动，由螺杆( 或称丝杆) 和螺母组成。螺杆与步进电机的转子经柔性联轴器连接。当步进电机的转子转动时，螺杆将带动螺母作轴向移动。转子转动一圈，螺杆移动一个螺距。螺杆的一端固定有阀芯，阀芯端的螺杆螺距每脉冲位移l 4 0 0 ，即为2 衄。另一端，同样通过螺母和螺杆与位移传感器的运动部分紧固连接。通过螺旋机构，就将步进电机的回转转变成了轴向上的微直线位移，传感器螺杆螺距每脉冲位移o 5 哪，为位移传感器进行检测提供了条件。2 5 位移检测传感器位移传感器是开度控制系统的重要组成部分，要求精确检测微直线位移，从而确保知道阀体瞬时位置和移动方向。同时，作为车用传感器，需要能在较为恶劣环境条件下工作，比如高温、震动，因此对位移传感器的工作可靠性要求很高。目前国外采用的位移检测系统，通常为电位计式传感器，因萁为接触式传感器，为确保可靠性，对制作传感器的材料、工艺等有非常严格的要求，因此现国内尚无生产。本文提出采用电感传感器，因其可以实现非接触测量，而且具有工作寿命长，灵敏度及准确度较高，线性好，性能稳定可靠等特点。螺管型差动变压器因其灵敏度高、线性范围大而被采用。第三章位移传感器的设计3 1 螺管型差动变压器”5 1 q l l 7 l 1 8 13 1 1 工作原理螺管型差动变压器的工作原理基于变压器作用原理。它由两个或多个带铁芯的电感线圈组成。初次级线圈之间的耦合是能随衔铁的相对移动而改变的，即能把被测位移转换为传感器的互感变化。当具有适当频率的电压激励初级绕组时，次级的输出电压将会随互感的改变而变化，从而将被测位移转换为电压输出。一般，这种传感器次级线圈有两个，而且两个次级绕组同名端串接，以差动方式输出。螺管型差动变压器如图3 1 所示。线圈由初级线圈p 和次级线圈s 、s 。组成。线圈中心插入圆柱形铁芯b ，其中图( a ) 为三段形差动变压器，图( b ) 为两段形差动变压器。s 1ps 2鄹一区溷b区一( a )( b )图3 一l 螺管型差动变压器的结绚( i ) 三段 l c b ) = 段形当衔铁在中间位置时。两个次级绕组互感相同，因而由初级激励引起的感生电动势相同。这时由于两个次级绕组s ，、s 。反向串接，因而差动输出电压为零。当衔铁移向次级绕组s ，一边，那么s 。互感大，s ：互感小，因而s ，内感生电动势匠。大于s 。内感生电动势e 。差动输出电压言，= 应。一言，：不为零，且在传感器的量程内，移动的越大，差动输出电压越大。同理，当衔铁移向次级绕组s ：一边，那么s ：互感大，s 。互感小，因而感生电动势e 。t 小于e 一差动输出电压仍不为零，但同移向s 。一边相比较，输出电压反相。因此由e 的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。3 。1 ，2 等效电路当忽略差动变压器的涡流损耗，磁滞损耗和分布电容等影响后，可将螺管型差动变压器看作一个理想的差动变压器，其等效电路如图3 2 p 8 1 所示。囤3 2 差动变压器等效电路图3 2 中u 。，初级线圈激励电压( 其频率为u ) ；r 。初级线圈有效电阻；。初级线圈电感； 彳初级线圈与次级线圈s 。之间的互感；j = i 初级线圈与次级线圈s 。之间的互感：e 。次级线圈s t 中的感生电动势；e ，次级线网s ：中的感生电动势；，初级激励电流：三，次级线圈s - 的电感；r 。次级线圈s 。的有效电阻；三，次级线圈s z 的电感；月。次级线圈s t 的有效电阻je 。空载时差动输出电压。由图3 2 可推导出es = e “一e 。t将式( 3 一1 ) 、式( 3 2 ) 、式( 3 3 ) 代入式( 3 4 ) ，得昏。地叫：) 去其有效值为9( 3 1 )( 3 2 )( 3 3 )( 3 4 )( 3 5 )鼍誓咐一w倒侧一=b曩e ：罢些虬( 3 _ 6 )us r r t 。j ，、”r ；+ 妞，) 2若衔铁移向s ，一边，则肘l = m + 埘m 2 = m 一枷( 3 7 )式( 3 7 ) 中，m 为衔铁在中间位置时，初次级间的互感，这时m = m ：= m 。将式( 3 7 ) 代入式( 3 6 ) 得耻考涛。等- 2 如等( 3 _ 8 )式中e 。一衔铁处于中间平衡位置时，单个次级线圈的感生电动势。由图3 2 可知：输出复阻抗为z = r “+ r ，2 + j 犯+ 三，2 )( 3 9 )即阻抗模为l z i = c r 。+ r ，：) 2 + 国2 乜；。+ 三。：) 2( 3 1 0 )从输出端看进去，即可等效为电压为毒，复阻抗z 陋。+ 胄。：) + ，犯。+ t ：)的一个电压源。如图3 3 所示。宙3 3 等效电压谲3 1 3 基本特性1 、输出特性以图3 4 所示三节式螺管型差动变压器为例分析其输出特性。漏磁遇缸)田3 4 鳋苗盈差动变压器f d 结构矛；蠹m ) 潞咖分布k ) 禺静结构1 0图3 4 中：6 初级线圈的长度( 初级线圈的匝数为坼) ；m 一个次级线圈的长度( 次级线圈的匝数为m ) ；n 螺管线圈的内径；螺管线圈的外径；衔铁长度：而衔铁进入左边次级线圈内的长度( 衔铁进入右边次级线圈内的长度为* ) ；f ，衔铁左端面到初级线圈左端的长度；l 衔铁右端面到初级线圈右端的长度。由磁场的全电流定律：在磁场中沿任一闭合路径，磁场强度向量的线积分等于穿过该闭合路径所界的面积的电流的代数和。对于图3 4 中闭合磁路，有声枷= f 瓴& 垮方= 4 珂，x l o 。( 3 一= 慨一吼) 1 1 1 ( o i )经整理后得卟耻篙c m 矿，( 。q z ，式中b ，图3 4 中左边磁感应强度：毽图3 4 中右边磁感应强度；，。初级激励电流a式( 3 1 2 ) 为次级漏磁感强度计算公式。对于图3 4 ( a ) ，另取一个闭合磁路，同理可 导 = 耥c 。叫。，根据磁通量连续定理：通过任何闭合面的磁通量的代数和等于零。则有f l 旦+ r 口* 讲，+ l = o( 3 一1 4 )因此& 一& 筹( 3 - 1 5 )o 殂+ 6、。把式( 3 1 2 ) 代入，即得& = 竽斋c 。州，l1 07 l n 眈)。一耻竽高叫“l1 0 _ 1 n k lj忽略导磁材料的磁阻、衔铁端部效应和散漏磁通，漏磁通的分布如图3 4( b ) 所示。如图3 4 ( c ) 所示，如果衔铁进入距离为x 。，而从初级算起的距离为x 、宽度为威，则环形磁通为丸= 2 谚b x ( 3 一1 8 )所以在次级的磁通匝数为肾“争= 半胁：等竽c m ，c s 州，由于频率为厂的正弦激励电流l 的作用，所以次级线圈1 中的感生电势是e = 国y 2 2 矾e ，：笔曼；罂型矸( 3 砌)1 0 7 1 毗7 i ) 聊t “同理在次级线圈2 中的感生电势是e ，：=4 旁 lp np nsl o ( r d )( 3 2 1 )差动输出电压，可根据式3 2 0 和式3 2 1 推导得出，即es 2 es 。一e he = k 。z ( 1 一k ：z 2 )( 3 2 2 )式中x = 去g 。一x ：) 是衔铁的位移量；粕= 妻“+ 如) 是中间平衡位置时衔铁进入次级线圈内的长度。k = 堕糍挚c v 一，c 。瑙，置2 = l ( 6 + 2 d + ) z 。( m - 2 )( 3 2 4 )对于给定的精度和最大位移量，当工。= 6 时，传感器的全长将是最小的。这里假定最大位移时，衔铁不露出次级线圈外，在这个条件下，将式( 3 2 3 ) 、式( 3 2 4 ) 代入式( 3 2 2 ) 中，并忽略别( 撇 6 ) ，则e ：薷等f ，丢c s z s ，q 1 0 7 l n ( r o t ) 3 ，i r2 6 2j忽略差动变压器中的涡流损耗、铁损和耦合电容等，理想的空载输出电压的有效值可写成e 。= j 式中j 为铁芯中心偏离线圈中心的位移，七为传感器灵敏度。由此可见：传感器输出电压与铁芯位移成线性关系。蟋管型差动变压器的输出特性如图3 5 f ”1 所示。【于卧盐+ q 0 + 。|位稠，一9 d “)( b )固3 5 螺管型是动变压器输出特性曲戏( a ) 输出电压量；大小变化西) 输出屯压或相位变化2 、灵敏度灵敏度用单位位移输出的电压或电流表示。对于三节螺管型差动变压器。其灵敏度可近似用式( 3 2 3 ) 计算，即，。，1 6 丌5 乒b n ，n i l ) + 2 d + x 。k 。丘= 墨= 二生# 孑二弋竺1 07l n k ，加l由式( 3 2 3 ) 可知传感器结构对灵敏度的影响。式( 3 2 3 ) 也反映了随激励频率的增加灵敏度也提高，但仅在定频率范围内有此现象，频率增加超过这一范围时，由于高频时导线有效电阻增加，涡流损耗、磁滞损耗亦增加等原因，使灵敏度反而下降。一般说在低频如5 0 0 h z 以下，计算和实测灵敏度是相符的，但在高频时，大约2 0 0 0 h z ，实测灵敏度比理论计算值的1 2 还小，这主要是涡流损耗等原因所致，而这些因素在理论分析中是被忽视的，如图3 6 所不。0 l05lj1 0，( k h 工)豳3 6 澈袖频率与豆秭度的关j i i1 3夏敏度当激励频率为 ，且z 兀 ，这时灵敏度最大，同时由于频率变动的影响也小，输入输出电压相位基本一致。本设计厶取1 k h z 。当负载阻抗远大于差动变压器内阻时可粗选厶为五：( 1 1 4 ) 嵝兰j m o式中n 初次级匝数比：r 。初级有效电阻；工。初级电感。由式( 3 2 3 ) 还可知，灵敏度与线圈匝数有关，如其它条件保持不变时，次级匝数。增加，灵敏度随之增加。差动变压器的次级线圈匝数与灵敏度之间的关系见图3 7 。匝数m图3 一t 次级匝数与灵敏度的关j i l辕入电压( v )厨3 8 激励电压与灵敏度的关幕由图3 7 可以看出，灵敏度与次级匝数呈线性关系。然而不能无限增大，一则增加传感器的体积，二则增大零点残余电压。本设计取初次级线圈匝数比栉= 2 。提高激励电压也将提高灵敏度。由于适当增大激励电压，在传感器结构参数不变的条件下，。将会增加，因此灵敏度会提高，其关系如图3 8 所示，也呈线性关系a 由于差动变压器一般功率限制在1 v a 左右，所以电源电压受线圈发热的限制常用3 8 v 激励电压。本设计取3 v 。此外提高灵敏度还可以通过以下措施：提高线圈q 值：增大衔铁直径，使其接近线圈组内侧，但不能触及线圈骨架；选用导磁性能好、铁损小、涡流损耗小的导磁材料，如铁氧体等等。本设计为便于加工，选用铍莫合金。3 、线性和线性量程由式( 3 2 2 ) 可知其计算的输出特性为巨= k 。x 0 一置：x z )一谚一陟彻姗耋|姗。口篁芒薯雠搿嘣，若以曩= k 。x( 3 2 6 )为理想输出特性，显然计算的输出特性小于理想输出特性，如图3 9 所示。；2誊各o ，x 如m )囝3 9 某三节式整动变压器输出特性l 一理想特性j2 一计茸特性由图3 9 可见，随测量位移增大，线性误差增加，满量程时为最大。对于差动变压器，其线性为实际输出特性曲线和输出拟合曲线之间的最大偏差，以满量程输出的百分率表示。可推得。，：掣。1 0 0 ：! 兰! 兰竺：9 二墨! 兰；竺2 二兰! 三竺! 。1 0 0 。e 。k l x m：掣1 0 0 ：如磕；x 1 0 0 ( 3 蝴)n l m对于设计好的差动变压器，在测量范围内，其线性度是常数。实践表明三节式差动变压器次级线圈的两端部和外层是造成灵敏度下降，线性变坏的重要原因。激励频率太低( 如5 0 h z ) ，则铜损增大，线性亦差。能得到最佳线性的激励频率因衔铁长度不同面不同，一般采用4 0 0 h z 1 0 k h z 为佳。故取l ( h z 。在满足一定线性要求的前提下，线性范围般约为线圈骨架长度的1 1 0 l 4 。差动变压器的线性范围一般为：2 5 n m 5 0 0 衄，线性度可以达到0 1 o ，5 。4 、激励频率的选择( 1 k h z )差动变压器的激励频率对其灵敏度、线性和衔铁运动的可测频率等都有关系，因而恰当地选择激励频率是很重要的。差动变压器的可用激励频率为5 0 h z 1 m h z ，但实际最常用的是在4 0 0 h z 1 0 k h z 。激励频率至少要大于衔铁运动频率的十倍。换句话说可测信号频率取决于激励频率，一般在2 k h z 以内；另外还受到测量系统的机械负载效应限制，主要是惯性质量膨的影响。当然，选择时还要兼顾激励频率对灵敏度和输出电压的影响，兼顾其对线性和线性量程的影响，以及对输入输出电压相位差的影响，从而选出最佳激励频率。在激励频率较低时，选用恒流源作为激励电源会有助于消除温度误差等因素造成的输出电压的变化，从而能较精确地进行测量。5 、温度特性由于机械结构的膨胀、收缩、测量电路的温度特性等的影响，会造成差动变压器测量精度的下降。机械部分的热胀冷缩，对差动变压器测量精度的影响可达数微米到十微米左右。在造成温度误差的各项原因中，影响最大的为初级线圈的电阻温度系数。当温度变化时，初级线圈的电阻变化引起初级电流增减，从而造成次级电压随温度而变化。一般铜导线的电阻温度系数约为0 4 。对于小型的差动变压器，且在较低激励频率下使用，那么差动变压器的温度系数约为一o 3 ；对于大型差动变压器，在使用较高的激励频率时，温度系数较小，约为一( o 1 0 0 5 ) 。若温度变化目，初级线圈( 铜线) 电阻r 。增加欲。，那么温度系数可用下式求出，即衄。e 。：一旦氅p( 3 2 8 )1 + 生r ，由上式可见，提高初级绕组的品质因数q = ：，可减少温度变化对次级输 p出电压的影响。差动变压器一般使用温度可达8 0 ，汽车发动机环境温度可高达7 0 8 0 ，甚至更高，因此经特殊的热设计制造，差动变压器的使用温度要达到1 0 0 左右。6 、零位输出电压当差动变压器衔铁位于中间平衡位置时，由于对称的两个次级线圈反相串联，理论上感生电动势应该大小相等方向相反，因而差动输出电压应该为零，但实际情况并不为零，总会有几m v 到几十m v 的电压输出，不论怎样调整，该电压也难消除。我们把零位移时差动变压器输出的电压称为零位输出电压。零位输出电压使得传感器输出特性不过零点，因而实际特性和理想特性不完全一致，如图3 1 0 所示。图中【7 。为零位输出电压。堡生等一1嘶。彳。爹么专由，y一围3 一l o 差动变压器理想输出特性c 曲线”与实际输出特性c 曲线2 l零位输出电压的波形及波形组成如图3 一1 1 叫1 所示。俄7 一mi0k 一、i 一酽( )c b )囤3 1 i 零位电压的波形和波，i 矩成通过谐波分析，可见零位输出电压主要由于基波和奇次高次谐波组成，同时也包含了干扰引起的谐波成分，其中起主要作用的是3 次高次谐波。零位输出电压的存在使得传感器输出特性在零位附近不灵敏，不利于测量并带来测量误差。因而零位输出电压的大小是评定差动变压器性能优劣的重要指标。( 1 ) 零位输出电压产生的原因1 ) 基波分量产生的原因主要是次级绕组两线圈电气参数和几何尺寸不对称，因此两线圈感应电动势幅值不等，相位不同，因而零位输出电压中基波分量存在。2 ) 高次谐波( 主要是三次谐波) ，是由于磁性材料磁化曲线的非线性造成的，另外。激励电流波形失真，内含高次谐波分量，这也将导致零位输出电压中有高次谐波成分。( 2 ) 减小零位输出电压的方法1 ) 尽可能保证传感器几何尺寸，线圈电气参数和磁路的对称。2 ) 选用导磁性能好的材料作保护外壳。同时起到磁屏蔽的作用，要求赢时也可以用导电材料设置静电屏蔽层，以减小外界电磁场的干扰。3 ) 限制衔铁的最大工作磁感强度，使其小于磁化曲线u 。处对应的8 1 值，以便使磁路工作在磁化鳆线的线性段，减小高次谐波。4 ) 用合适的测量电路，例如相敏检波，可减小零位电压输出。采用直流差动整流电路，可把两次级线圈的感生的交流电动势，先整流滤波而后合成直流电压输出，因而也能较好地减少零位输出电压。3 2 汽车电控嚷气控制系统传感器的结构设计3 2 1 机械结构i l o 】例1 4 0 l所研究设计的汽车电控喷气控制系统传感器的机械结构如图3 一1 2 所示。234s图3 一1 2 汽车电控喷气控制系童亮电喷执行器电喷阀头1 6 通过轴套2 和螺纹丝杠1 5 的一端紧固连接，活动铁芯l o 固定在螺纹丝杠的另一端，安装在螺母1 3 上，步进电机3 通过轴承1 4 带动丝杠转动。螺母1 3 上开一槽，由锁紧螺母4 和锁紧螺钉5 配合用于限制螺母1 3 圆周方向上的转动，通过螺母与螺纹丝杠配合，即把回转变换为螺管型差动变压器铁芯的微直线位移。线圈骨架1 2 上绕有三组线圈，内侧是初级线圈9 ，外侧左右两边分别对称均匀绕制的是次级线圈i6 和次级线圈i i7 。两次级线圈差动使用，当衔铁过零点平衡位置向左边移动时，左边次级线圈电感量增加，右边次级线圈电感量减少；反之，衔铁向右移动，则左边次级线圈电感量减少，右边次级线圈电感量增加。两次级线圈输出通过导线与测量电路相接。前壳体1 、后壳体l l 和端盖组件8 配合用来防止灰尘进入传感器内部，其中后壳体还具有屏蔽保护作用，用以增加灵敏度和防止外磁场的干扰。3 2 2 位移传感器的设计1 1 6 】1 1 9 1 1 4 1 】3 2 2 1 传感器形式设计。螂4 5 0螺管型差动变压器。虽然分辨率和灵敏度较低，但其示值范围大，适于测量l 到几百m m 范围内的位移量，自由行程可任意安排，而且制造装配较方便，因而应用最为广泛。螺管型差动变压器根据初级、次级线圈排列形式不同，有二节式、三节式、四节式和五节式。其中二节式的灵敏度较高，线性范围大，因而在设计中采用二节式螺管型差动变压器。为了改变激励磁场的曲线形状，进而改善线性，线圈绕制时采用阶梯绕法，初级激励线圈绕在整个线圈骨架上，次级线圈对称地分布在左右两边，为了提高q 值，线圈设计成细长型【4 2 3 ”】。如图3 一l 8 1 所示。翱垃坎缓缝嗣l欤瑗拄舅2囤3 一1 3 差动变压器次级台阶绕法3 2 2 。2 衔铁长度和线圈长度的确定衔铁长度和线圈长度是决定线性量程和线性的关键尺寸。对于二节式小量程差动变压器设计有如下经验公式：f 。= 1 0 z，。= ( 7 8 ) z( 3 2 9 )式中z = 2 h ，工为铁芯在线性范围内的最大位移量。设计相关尺寸，。、，。等如图3 1 4 所示。冽一励钐j勿黝铭髟钐黝彩黝。咯卜曰缁豳隧ij 一扫一jf图3 一1 4差动变压器线圈骨架结构如前所述，本课题所研究的开度控制系统中，预期阀头可移动直线位移的工作范围要达到l lm m ，线性工作范围为5 蕊，为了方便位移传感器的设计，在螺旋机构的机械设计时，让阀芯端的螺杆螺距为2f l l l n ，而电感传感器端豹螺杼9螺距为0 5 嘞，这样两端螺距比为4 ：1 ，因此在设计传感器时，只要保证差动变压器工作的线性范围达到5 4 = 1 2 5 i l 即可。所以，实际设计铁芯在线性范围内的最大位移量x = 控咖，则由上经验公式可得线圈长度：z 。= 1 0 2 2 = 4 0 咖铁芯长度：，c = ( 7 8 ) 2 x 2 = ( 2 8 3 2 ) 帆由于线圈骨架设