В современных системах автоматического управления двигателем для определения частоты вращения и положения коленчатого и распределительных валов используется датчик на эффекте Холла (рис. 21.10.1). Эффект Холла находит применение и в других датчиках, например в датчике положения руля.
Суть эффекта Холла состоит в том, что если прямоугольный токопроводный брусок К, по которому протекает постоянный электрический ток 1в, поместить в поперечное постоянное магнитное поле В, то в третьем декартовом направлении на боковых гранях бруска будет наводиться электродвижущая сила Ех, которая по имени ее открывателя названа ЭДС-Холла. Направление этой ЭДС, как и в классическом индукционном трезубце (IлВлF), определяется по правилу левой руки. На рис. 21.10.1,а показана модель элемента Холла. Если магнитные силовые линии поля В в зазоре Р перекрыть магнитонепроницаемой шторкой, ЭДС-Холла исчезнет. Если шторку, которую часто называют магнитным аттенюатором, убрать, то ЭДС-Холла появится вновь. Таким образом элемент Холла совместно с магнитным аттенюатором
образуют датчик, в котором чувствительным элементом является аттенюатор, а преобразователем — элемент Холла. Ясно, что для работы датчика Холла требуется внешний источник постоянного тока, то есть этот датчик (как и вышеописанные) является пассивным. Для устойчивой работы и стабилизации выходного сигнала датчика элемент Холла собирается на полупроводниковой микроплате вместе с электронной схемой (рис. 21.10.1, б). В микроэлектронную схему входят: усилитель-ограничитель W, формирователь на триггере Шмидта Т, эмми-терный повторитель VT и стабилизатор St напряжения питания.
В реальном датчике Холла микроплата 1 и постоянный магнит 2, 3 установлены неподвижно и разделены вращающимся аттенюатором 4, который выполнен в виде полого цилиндра с магнитопрозрачны-ми окнами 5 (рис. 21.10.1,в). Выходной сигнал такого датчика, который является дискретным преобразователем параметров вращения магнитного аттенюатора, представляет собой последовательность прямоугольных импульсов со стабильной амплитудой и формой (см. далее рис. 21.23, поз. з), которые не зависят от скорости переключения датчика. Число импульсов в единицу времени и их длительность определяются частотой вращения магнитного аттенюатора и числом окон на нем. Число окон на аттенюаторе равно числу цилиндров ДВС. Длительность каждого импульса при конкретной частоте следования определяется размером окна аттенюатора по периметру его окружности. Окно для первого цилиндра шире остальных, благодаря чему может быть зафиксирована точка начала отсчета. Таким образом с помощью датчика Холла и электронной схемы обработки его выходного сигнала могут быть определены три главных входных параметра для системы зажигания: частота вращения коленвала ДВС (применяется электронное умножение частоты импульсов датчика), его положение относительно верхней мертвой точки для любого цилиндра в любой момент времени и положение точки начала отсчета. Безынерционность датчика и стабильность параметров сигнала позволяют реализовать управление углом опережения зажигания в каждом такте, то есть для каждого цилиндра в отдельности.
Помимо дискретных датчиков Холла, находят применение и аналоговые датчики. Выходное напряжение аналоговых датчиков Холла пропорционально магнитной индукции поля и напряжению питания, что упрощает их сопряжение с АЦП. Для определения углового положения может применяться аналоговый датчик Холла, конструкция которого показана на рис. 21.10.2.
При повороте кольцевого магнита относительно статоров, между которыми размещен датчик Холла, выходное напряжение датчика меняется, как показано на графике. В диапазоне 150° поворота характеристика линейна, погрешность преобразования менее 1%. В подобных датчиках нет трущихся частей, кроме подшипников, они безынерционны и имеют высокую надежность.
Однако стоимость аналоговых датчиков Холла высокая, кроме того, на их чувствительность влияет температура (порядок 0,001/ °С). В аналоговых датчиках Холла применяются более дешевые магнитные материалы с низкой температурной стабильностью: ферриты и сплавы AINiCo (0,002...0,02/ °С). Приходится вводить внешние компенсирующие элементы, программировать характеристики датчика через интерфейс.
По выходному сигналу датчикам Холла подобны магниторезистивные датчики. Это такие устройства, в которых используется способность некоторых материалов, например, сплава FeNi, менять свое сопротивление под воздействием изменения напряженности магнитного поля. Такие датчики, как и датчики Холла, безынерционны, также могут работать на нулевой частоте. В рабочем диапазоне маг-ниторезистора его сопротивление меняется в пределах 2,5% по квадратичному закону функции косинуса. Магниторезисторы встраивают в интегральную схему, где размещают и цепи обработки сигнала. Имеются также магниторезисторы с большей чувствительностью: 4...15%.
