新型非接触式节气门位置传感器原理解析

仇世侃， 雷淼全

（长安大学， 陕西 西安 710064）

节气门位置传感器是汽车发动机控制系统的重要传感器之一， 长期以来采用滑动变阻器作为节气门开度的传感装置。 因其制作简单、 价格便宜、 线性度好， 在汽车上被广泛应用， 也广为人们所知。 但其在使用中也暴露出明显的缺点： 滑动触点与固定电阻发生相对移动， 使用一定时间后因不断地滑动致使经常工作区段 （中等负荷） 的输出信号时大时小， 时有时无， 导致故障报警。 为克服触点滑动带来的缺点， 各汽车生产厂家开始采用非接触式传感器，并有普及的趋势。 故介绍一种应用于德国大众系列轿车上的非接触式节气门位置传感器， 即由德国海拉 （Hella） 公司生产的电磁耦合式节气门位置传感器。

1 传感器的组成与结构

传感器实物由定子、 转子和印刷电路等组成， 如图1所示。

图1 定子、 转子及电路

1） 转子装于节气门轴的一端， 是传感器的转换电路的一部分， 制作成3瓣梅花状， 其上粘特定形状的不锈钢导线， 即反馈线圈， 每瓣占据60°， 如图1所示。 装配后， 转子与定子同轴相对， 距离约2～3mm。

2） 定子印制在双层电路板上， 是传感器的转换电路的另一部分， 它形似一个古代木质车轮， 包括激励线圈和接收线圈。 外边沿是激励线圈， 轮辐位置是接收线圈。 激励线圈共8圈， 其中4匝布于电路板的上面， 另4匝布于电路板的下面， 两侧线圈通过一穿孔相连。

3） 接收线圈共有6组， 每组均由一根印刷线绕制而成，如图2所示。 其各组线圈的布置很特殊， 特点如下： ①每组包含有6个单匝线圈， 正向连续绕制3个单匝， 再反向连续绕制3个单匝， 正向单匝与反向单匝间隔排布， 形成一个花瓣形的封闭区； ②每单匝线圈边跨距60°； ③每组线圈单匝的一半印制在上层电路板 （实线）， 另一半印制在下层电路板 （虚线）， 两半匝之间通过外圈的穿孔相连， 各单匝之间通过内圈的穿孔相连， 如图2所示； ④这6组接收线圈的匝数和形状完全相同， 相邻两组间隔10°， 其中相互间隔的3个线圈组构成一个信号单元， 6组线圈构成2个信号单元。

图2 单组接收线圈结构图

4） 电路印制在双层板上， 除电阻外就是两个完全相同的集成块 （79075701）， 该集成块拥有激励信号发生、 位置信号的放大、 滤波、 采集和保持， 以及信号的调解、 解码和转换等功能电路。

2 工作原理

根据其组成和基本原理， 简化后的电路原理如图3所示。

图3 电路原理

1） 激励磁场的形成

传感器工作时，集成块给激励线圈施加3.1MHz 的正弦交流信号， 根据电磁效应， 在激励线圈内外将对应地产生一个交变磁场。 由于交变磁场是不断变化的， 这里用某瞬时线圈内一平面内的最大值 （幅值） 来说明激励磁场的分布状况， 如图4所示。

图4 激励磁场分布示意图

2） 加入转子后的磁场

当转子靠近激励线圈后， 转子上的接收线圈 （转子绕组） 受激励磁场的作用， 便在转子绕组中感应出交流电。转子绕组是仅有一匝的闭合线圈， 于是在转子中形成电流（涡流）， 进而也产生磁场， 而且涡流磁场企图阻碍激励线圈产生的磁场， 其结果使激励磁场的大小和形态发生变化：与转子绕组相对部分的磁场减弱或完全抵消， 而没有与转子绕组相对区域的磁场不变， 如图5所示。 这个形态分布如同在激励磁场这个蛋糕中陷入转子。 这种分布将随转子（节气门） 的转动发生移动。

图5 加入转子后的激励磁场

3） 无转子时接收线圈的信号输出

无转子时， 接收线圈处于只有激励线圈的磁场中， 根据电磁感应原理， 在接收线圈中将有交流电产生。 由于每组接收线圈由3个正绕线圈和3个反绕线圈组成， 且正绕线圈和反绕线圈所处的激励磁场的大小和变化相同， 结果在各组中正绕线圈感应出的交流电与反绕线圈感应出的交流电大小相等， 变化同步， 而方向相反， 结果在各组接收线圈中都没有交流电输出。

4） 有转子时接收信号的输出及幅值变化

当转子置于激励磁场中， 受转子涡流的影响， 不仅激励磁场的分布和大小发生变化， 接收线圈中的感应电压随转子的介入也发生改变。 研究发现其幅值与转子位置有着确定的关系， 且符合余弦规律。 下面以几个特殊的位置和区段说明接收信号的变化规律。

若以B绕组 （简称B组） 为例， 且转子的零位是转子的3瓣正对B组的3个反绕线圈， 如图6所示。 ①在零位 （0°），3瓣转子完全正对B组的3个反绕线圈， 受转子涡流磁场的影响， B组的3个反绕线圈中产生的感应电压之和最小， 而B组其他3个正绕线圈不受转子涡流磁场的影响， 感应电压之和最大， 结果B组的输出交流信号的电压幅值最大。 ②随着转子的转动 （0°～30°）， 转子涡流的磁场随之移动， 并开始影响B组中的正绕线圈， 而反绕线圈却部分地退出涡流磁场， 这使得该组所有正绕线圈的电压之和下降， 而该组所有反绕线圈的电压之和增加， 结果B组输出交流电的幅值处于下降区域。 ③当转子转到30°时， B组所有正绕线圈与反绕线圈处于相同位置状态， 线圈各有一半受转子涡流影响，而另一半不受影响， 结果正绕线圈感应出的电压与反绕线圈感应出的电压相等， 而方向相反， 结果是B组线圈的输出电压为0。 ④在30°～60°时， 反绕线圈大多退出涡流磁场的影响， 而正绕线圈则大多进入有涡流影响的区域， 反绕线圈的电压之和大于正向绕组的电压之和， B组总输出由正值变为负值。 ⑤当转子转到60°时， 反向电压和达到最大。 随着转子的继续转动， 其后60°～90°的变化与0°～30°的变化相反。

图6 工作原理

试验和分析计算表明： 3路信号的幅值变化符合余弦规律， 同一单元的3路信号在相位上相差20°， 3路信号电压幅值的变换规律如图7所示。

图7 3组接收线圈电压幅值变化规律

5） 3组接收线圈的作用

由以上对B组线圈信号的分析可知， 每组接收线圈感应的交流信号的电压幅值都与转子位置有着一一对应的关系。因此， 通过测量其中一路信号电压的幅值即可获取转子的位置信息。 但是， 由一路信号的幅值变化规律图可以看出，每路的电压幅值变化是非线性 （余弦曲线） 的， 尤其在曲线的极值点附近， 其幅值一个小的变化， 而转子的角度却变化较大， 或者说极值点附近， 转子角度均匀变化， 而每组的电压幅值变化却很少， 这样， 在该点附近就很难准确地分辨出转子实际所处位置， 即节气门的位置。 但是纵观整个周期， 幅值曲线与零线交点前后各10°的区段线性度较好， 若以此区间来分辨转子位置则比较容易。 可是对于B路信号只有两个区段 （共计40°） 线性度较好， 因而通过一路信号不能获取节气门全程的高精度位置信息。 为了获取节气门全程的高精度的位置信息， 电路中设计出3组接收线圈， 这样可通过多路易辨区间的组合， 形成一个完整的节气门位置信息采集， 以达到对节气门全区段的高精度测量的目的， 这就是每个信号单元有3组接收线圈的缘由。

3 电路与信号处理

将3路接收信号进行滤波、 放大、 采集以及幅值解码与角度转换是该传感器的关键， 都集成在一个芯片内。 这项技术是一项非常专业的电子技术和运算技术， 其间包含有技术秘密， 因此关于这一部分只能从功能的角度做一些分析或叙述， 难以详细解读。

1） 激励信号

激励信号是传感器工作的基础， 由激励线圈和片内电路共同组成LC振荡器。 除提供激励磁场外， 还作为数字电路时钟信号。 由于该电路没有负电源， 因此激励信号没有负向数值。 其信号如图8所示。 在5V工作电压下， 测量其数据如下： F=3.1MFz， V=2.5V。

图8 激励电源信号

2） 信号处理角度几何量转化成电信号

所获取的3路接收信号非常微弱， 是毫伏级并且有杂波， 信号处理电路首先是对3路接收信号进行滤波以消除干扰杂波为后续处理做准备， 然后进行放大， 经ADC （模拟数字转换器） 转换成数字信号， 再经CORDIC角度解码电路转换成角度， 最后输出与角度大小成线性关系的电压信号给发动机控制电脑， 工作过程如图9所示。

图9 工作过程

4 小结

该传感器转换电路结构独特， 为后续的信号处理的简化奠定了基础， 采用3路输出巧妙地解决了单路信号解码精度低的难题。 另外， 集许多经典功能模块于一体得以实现传感器的小型化， 拓展了传感器的应用空间， 这些都值得我们学习和研究。