汽車側向傾斜角度傳感器的應用

針對汽車行駛中發(fā)生的側向傾翻, 本文提出了一種解決方法———汽車側向傾斜角度傳感器的應用。利用角度傳感器檢測出汽車的傾翻力, 初步討論了使汽車減速的2 種方法, 使傾翻力矩下降, 可避免汽車行駛中傾翻事故的發(fā)生。

1 概述

隨著電子技術的發(fā)展和應用, 汽車的安全性、舒適性和智能性越來越高。汽車側向傾斜角度傳感器的應用是防止汽車在行駛中發(fā)生傾翻事故的一種有效方法, 是提高汽車安全性的重要措施, 特別是越野車、雙層客車等重心較高的汽車更有必要。

汽車傾翻的實質是: 行駛中向外的傾翻力矩大于向里的穩(wěn)定力矩, 當重心高度一定時, 傾翻力矩由傾翻力(向外的側向力) 決定。根據(jù)物理學知識, 傾翻力由路面的側向(亦稱橫向) 坡度產生的下滑力F1 和轉彎時所受向心力F2 共同作用所產生, 具體如下:

F1 = mgsinα

F2 = mv2PR

式中　m ———汽車質量

g ———重力加速度

α———路面與水平面的側向夾角

v ———汽車行駛速度

R ———轉彎半徑

由以上2式可知,為了減小傾翻力,只有減小v 是可行的, 而且F2∝v2 。根據(jù)牛頓第三運動定律, 轉彎時汽車在受到向心力作用的同時, 產生與向心力大小相等、方向相反的離心力, 因為汽車質量m 是一定的, 當向心力不能滿足v2PR 的增大時, 傾翻力矩大于穩(wěn)定力矩, 就會發(fā)生傾翻。

因此, 應降低車速, 進而減小傾翻力矩, 將角度傳感器按擺動方向在汽車上側向布置, 根據(jù)角度傳感器產生的角位移, 可得出汽車所受下滑力、向心力作用產生的傾翻力的大小, 當角位移達到預先設定的數(shù)值時, 使汽車減速。

2 角度傳感器原理

角度傳感器利用重力原理制造的角度傳感器如圖1 所示。擺動部分的質量為m , 重心距轉軸的距離為L , 當汽車車體傾斜或做曲線運動時, 均能使擺動部分偏轉。設圖1 中的受力分析是無任何摩擦的理想狀態(tài)下,力F 為下滑力F1 和向心力F2 共同作用的結圖1 　角度傳感器果, 力F 與傾翻力成正比, 所產生的偏轉角度β也就與傾翻力成正比。擺動部分所受重力G 與F 的合力T 是擺桿所受拉力, 擺動角度β= tg - 1 ( FPG) , 與L 無關, 當質量m 一定時, β只與F 有關, 且成正比。實際上, 由于存在轉軸等處的摩擦, 則L 越長, 擺動轉矩越大, 精度越高。

角度傳感器在控制系統(tǒng)中通常作為采樣元件,其性能的優(yōu)劣對整個系統(tǒng)起著重要作用。電位器式角度傳感器已在各種控制系統(tǒng)中廣泛應用, 但它的缺點是存在觸點的滑動磨損和電噪聲; 磁敏電阻式角度傳感器是利用半導體技術制造的新型純電阻性元件, 特點是無觸點, 當擺動部分偏轉時, 通過磁敏電阻的磁通量發(fā)生變化, 使磁敏電阻的阻值發(fā)生數(shù)倍以上的變化, 從根本上消除了電噪聲, 并使精度得以提高。

各種角度傳感器都具有阻尼功能, 使得對所測得角度的響應有一個短暫的延時———對控制系統(tǒng)來講是有益處的。

3 角度傳感器電路

圖2 是側向傾斜角度傳感器的一種實用電路,主要由單電源運算放大器(如LM324) 組成, 其作用是將角度傳感器中的電位器W1 輸出的線性變化的模擬電量進行處理、放大, 能夠按規(guī)定輸出數(shù)字量和模擬量。令水平時電位器W1 滑動點Ui 的電位為(1P2) Ec ( Ec 為穩(wěn)壓電源電壓, 通常為9 V 或15 V ,下同) , R1 、R2 、R3 、R4 為附加電阻, 并使R1 = R2 ,R3 = R4 , W2 為調中電位器, 阻值很小。調整W2 ,當W1 處于水平狀態(tài)時, 使運放A1 、A2 輸出端電位為(1P2) Ec 。運放A1 組成反相比例運算放大器, 作為電路的前置級放大, 輸入電壓為Ui , 輸出電壓U1 =- ( R7PR5 ) Ui , 且應使R6 = R5 ∥R7 ; 運放A2 組成反相器, 電阻R10 = R8 , 且應使R9 = R8 ∥R10 ; 輸出電壓U2 = - U1 = ( R7PR5 ) Ui 。A1 和A2 的輸出端分別由發(fā)光二極管LED1 、LED2 組成或門電路輸出,使得汽車不論是左傾還是右傾, 輸出端Uo1均能輸出與輸入量Ui (隨傾斜角度變化) 成正比例線性關系的模擬信號, 即Uo1 = ( R7PR5 ) | Ui | , 去控制后面的電路或機構。發(fā)光二極管還能指示傾斜方向, 當水平狀態(tài)時, 模擬量輸出端Uo1 = (1P2) Ec 。

運放A3 、A4 和A5 、A6 分別組成窗口比較器,電阻R20 、R23 、R26 、R29是阻值較大的正反饋電阻,以改善運放的開關狀態(tài)工作性能, 電阻R13 ～R17 為分壓電阻, 且應R14 = R15 , R16 = R17 , 電阻R13 中點處的電位為(1P2) Ec , 分壓電阻的阻值應根據(jù)U2的變化所反應的傾翻力決定, 使得運放A3 和A5 的反相輸入端、運放A4 和A6 的同相輸入端獲得不同的開關轉換基準電位, 而且所反應的左右傾斜程度是一致的。水平時, U2 = (1P2) Ec , 運放A3 ～A6均輸出低電平; 傾斜時, U2 的電位發(fā)生變化, 運放A3～A6 按規(guī)定要求輸出高電平。例如, 電位器W1 左擺時, 使U2 電位升高, 當高于A 點電位時,運放A3 輸出高電平, 二極管L ED3 顯示傾斜方向,若汽車繼續(xù)向左傾斜, 使U2 電位繼續(xù)升高, 當高于C 點電位時, 運放A5 輸出高電平, 二極管L ED5顯示傾斜方向且程度加重; 同理, 若電位器W1 右擺, 運放A4 和A6 的工作亦如此。2 個輸出端Uo2和Uo3輸出的數(shù)字信號所反映傾斜程度與傾斜方向無關, 很明顯, Uo3有高電平信號輸出時, Uo2 已經(jīng)輸出高電平, Uo3所反映的傾斜程度大于Uo2 。

K為自動復中位型扭子開關, 作為電路的檢驗開關, 當上下搬動時, 應分別使二極管L ED2 、L ED3 、L ED5 和L ED1 、L ED4 、L ED6 發(fā)亮。電容器C1 為高頻旁路電容器, C2 為低頻濾波電容器, 并與電阻R12 組成放電回路, 形成延時環(huán)節(jié), 在系統(tǒng)中相當于傳感器中的阻尼作用增加。

4 應用

根據(jù)前文對圖2 電路的敘述可知, 汽車側向傾斜角度傳感器的應用有2 種形式。一是由電路發(fā)出的數(shù)字信號Uo2 , 驅動聲光信號裝置, 提醒駕駛員減速; 二是由電路發(fā)出的數(shù)字信號Uo3 或模擬信號Uo1控制執(zhí)行機構, 使汽車自動減速, 采用數(shù)字信號組成定量減速系統(tǒng), 減速時略有些速度忽變, 采用模擬信號組成比例減速系統(tǒng), 減速的效果比較平滑, 實現(xiàn)減速的方法有2 種, 一是減小發(fā)動機油門開度, 二是增加制動。下文分述。

4.1.1 減小油門開度的定量減速系統(tǒng)由傳感器電路發(fā)出的數(shù)字信號, 控制執(zhí)行元件(如電磁鐵) 組成減小發(fā)動機油門開度的定量減速系統(tǒng), 如圖3 所示。汽車正常行駛時, 油門拉桿由油門踏板控制, 電磁鐵中的動鐵心隨油門拉桿同步移動; 當汽車側向傾斜(指速度、轉彎半徑及路面坡度的綜合值, 下同) 超過設定值時, 傳感器電路輸出端Uo3發(fā)出信號, 經(jīng)延時環(huán)節(jié)YS (如時間繼電器, Uo3消失后, YS 延時斷開, 若阻尼和電路的延時足夠, 可以不設) , 開關量放大環(huán)節(jié)KF (如繼電器) , 使電磁鐵DCT 得電工作, 動鐵心迅速移動至終止位置, 帶動油門拉桿, 使油門開度突然減小。

在這一系統(tǒng)中, 動鐵心移動的起始位置不是固定的, 終止位置是可以預先設定的, 所獲得的減速程度有所不同。因此, 應根據(jù)不同的車型, 合理地設定發(fā)動機減速所要達到的轉速, 使減速不至于過于突然。

4.1.2 減小油門開度的比例減速系統(tǒng)為了避免上述系統(tǒng)中減速的突變性,應采用比例減速系統(tǒng), 如圖4 所示。在比例減速系統(tǒng)中, 由傳感器電路Uo1 端輸出模擬電壓信號, 控制電流放大板DF , 按照輸入信號Uo1的大小, 輸出不同的電流值, 使比例電磁鐵產生不同的位移, 油門開度的減小與Uo1的增大成正比關系, 減速所達到的最終結果是傾斜程度所決定的。

再看一下減速的過程: 電流放大板輸出電流的存在或消失要經(jīng)上升斜坡延時t u 和下降斜坡延時t d 。上升斜坡延時是指輸出電流(平均值) 從0 達到某一穩(wěn)定值(由Uo1 決定) 所需要的時間。下降斜坡延時是指控制信號Uo1 消失, 輸出電流從這一穩(wěn)定值減小至0 的時間, 詳見圖5 。在電流放大板上, 上升斜坡延時和下降斜坡延時可以分別調整,減速的平穩(wěn)性由上升斜坡延時所決定, 上升斜坡延時越長, 輸出電流的上升速率越小, 比例電磁鐵移動到終止位置(由輸出電流決定) 所用的時間就越長, 減速效果越平穩(wěn); 異而反之。比例電磁鐵移動到某一終止位置后, 即完成減速的平穩(wěn)過渡, 持續(xù)一段時間后, 傾翻力矩小于設定值或消失, 使Uo1減小或消失。若使Uo1減小, 則輸出電流按t d 所決定的斜率下降, 直至為0 。假設Uo1 突然消失, 輸出電流則經(jīng)過t d 延時后為0 , 從而, 實現(xiàn)了減速后重新加速的平穩(wěn)性。對于上升斜坡延時和下降斜坡延時, 亦應根據(jù)不同車型和系統(tǒng)參數(shù)決定。

電流放大板輸出電流的大小通常采用脈寬調制(簡稱PMW) 技術獲得, 由輸入信號Uo1 決定輸出電流波形的占空比, 改變電流的平均值, 這種直流電流中含有一定成份的顫振分量,可克服比例電磁鐵的調節(jié)滯環(huán), 提高位置控制精度。

4.1.3 減小油門開度減速系統(tǒng)與原車油門機構的連接由圖3 和圖4 可知, 減速系統(tǒng)的執(zhí)行元件所產生的位移與原車油門踏板所產生的位移的方向是相反的, 當執(zhí)行元件使油門開度減小時, 勢必會使油門踏板抬起, 并要克服原車油門機構的阻力, 若駕駛員的腳踏在踏板上, 執(zhí)行元件需產生較大的力量才能完成動作, 同時, 對傳動機構中機械零件的強度、剛度也要提高要求, 使得減速系統(tǒng)不夠完善。

為了解決這一問題, 在油門踏板與油門拉桿之間增加了一個過渡彈簧, 詳見圖3 和圖4 。實際上, 油門踏板作用到油門拉桿的力量較小, 油門踏板的復位彈簧并不是直接作用到油門拉桿上, 因此, 由原來油門踏板直接帶動油門拉桿改為增加一個剛度適中的過渡彈簧(拉簧) 帶動油門拉桿, 正常工作時, 并不影響油門踏板對油門拉桿的控制, 當減速執(zhí)行元件動作時, 使油門開度減小并將過渡彈簧拉長, 假設駕駛員的腳未抬起, 并不會有太大的踏板向上的感覺或沒有感覺。如果油門踏板的位置保持不變, 減速階段結束后, 傾翻力矩已不起作用, 傳感器電路停止信號輸出, 減速執(zhí)行元件停止工作,過渡彈簧縮回, 帶動油門拉桿回到原來位置, 可實現(xiàn)自動加速, 在定量減速系統(tǒng)中獲得與減速程度一樣的加速, 在比例減速系統(tǒng)中可獲得與下降斜坡延時相對應的加速速率, 實現(xiàn)平穩(wěn)加速。

4.1.4 增加制動的減速機構各種汽車的行車制動均是通過制動踏板完成的, 因此, 增加制動的減速方法的動作執(zhí)行元件應直接作用于制動踏板, 而且執(zhí)行元件的動作方向與制動踏板的踏下方向是一致的, 執(zhí)行元件與制動踏板的連接可采用機械“或”結構實現(xiàn)傳動。

根據(jù)踏下制動踏板需要的作用力, 采用永磁式直流微電機作為執(zhí)行元件, 如圖6 所示。電動機輸出的轉速經(jīng)減速機構后, 帶動絲杠旋轉, 使絲杠上的動絲母作直線運動, 再由動絲母上的拉桿經(jīng)一細鋼絲繩帶動制動踏板, 電動機未轉動時, 拉桿將限位開關K1 壓開, 制動踏板正常工作。

4.1.5 增加制動的2 種控制電路同上, 增加制動的減速可采用2 種控制方式,即增加制動的定量減速系統(tǒng)和增加制動的比例減速系統(tǒng), 它們的控制電路分別參見圖7 和圖8 , 執(zhí)行元件都是圖6 中電動機。所不同的是: 在定量減速電路中, 電動機直接接入電源而轉動; 在比例減速電路中, 電動機由電流放大板驅動, 采用脈寬調制方法使電流放大板按汽車傾斜的大小, 在某一時間內, 達到不同的輸出電流最大值, 電動機逐漸加速到所對應的最高轉速, 所獲得的制動效果比較平滑。具體過程分述如下。

當拉桿處于圖6 中所示位置時, 限位開關K1被壓開( K1 的狀態(tài)與圖7 和圖8 中的狀態(tài)相反) ,使電動機處于待命狀態(tài)。當圖2 中的輸出端Uo3 有高電平信號輸出時, 圖7 中的三極管T 導通, 繼電器J 得電, 觸點轉換, 使電動機經(jīng)限位開關K2 得到下正上負的電源而開始轉動, 使拉桿離開限位開關K1 , 帶動制動踏板向下, 產生制動, 經(jīng)過一段時間后, Uo3 無高電平輸出, 繼電器J 返回, 使電動機經(jīng)限位開關K1 得到上正下負的電源而開始反轉(在較短的時間內, 電動機處于反接制動狀態(tài)下, 對小容量的直流電動機, 在使用上不會造成影響。也可增加延時后, 使電動機反轉, 本文略) 。

當拉桿返回到圖6 所示終止位置時, K1 斷開, 電動機停轉, 為下次制動作準備。在圖8 中, 三極管T 的基極接于圖2 中的輸出端Uo2 , Uo2輸出高電平時所反映的傾翻力小于Uo3 , 當Uo2輸出高電平時,三極管T 導通, 繼電器J 得電, 觸點轉換; 同時,Uo1輸出的模擬量輸入到電流放大板DF 上, 使電動機經(jīng)限位開關K2 得到下正上負的脈動直流電源(平均值) , 開始加速轉動, 限位開關K1 由斷開狀態(tài)轉為閉合(圖6 所示) 狀態(tài), 加速達到的最高轉速由Uo1當時的大小所決定, 而加速轉動時間由電流放大板的上升斜坡延時t u 決定(忽略電動機的起動慣性時間) , 實現(xiàn)平滑制動。隨著制動的產生,Uo1下降, 使制動力減小, 直到Uo2的高電平信號消失, 傾翻力小于設定值, 繼電器返回, 使電動機經(jīng)限位開關K1 得到上正下負的電源而迅速反轉。當拉桿返回到圖6 所示終止位置時, K1 斷開, 電動機停轉, 為下次制動作準備。圖6 、圖7 和圖8 中的限位開關K2 是制動的保護開關, 以防止電路失常(如元件短路、搭鐵等) , 使電動機一直轉動,制動無休止地增加, 當拉桿使K2 斷開時, 電動機將失去電源而停轉, 在正常制動減速過程中, 不會出現(xiàn)K2 斷開情況, 假設K2 已斷開, 而當減速結束后, 繼電器J 將返回, 電動機亦將迅速返回待命位置將K1 斷開。在圖7 和圖8 中, D 為繼電器J 的續(xù)流二極管, 繼電器J 觸點閉合時, 接通制動燈, 發(fā)出制動信號。

4.1.6 2 種減速方法的應用就汽車的行駛工況而言, 通常是這樣: 上坡時, 發(fā)動機油門加大, 車速下降, 坡度很陡時, 發(fā)動機轉速會達到甚至超過額定轉速, 車速還要下降; 下坡時, 發(fā)動機怠速, 車速并不會太低; 水平路面時, 有時加速行駛, 發(fā)動機轉速較高, 有時滑行, 發(fā)動機怠速。從降低車速、防止傾翻的角度來講, 增加制動減速是比減小發(fā)動機油門開度更為直接的方法, 但當發(fā)動機的轉速很高時(如上坡) ,將造成發(fā)動機堵轉, 只采用減小發(fā)動機油門開度有時又會起不到減速效果(如下坡) 。因此, 汽車側向傾斜角度傳感器的應用既要滿足減速要求, 又不能造成發(fā)動機堵轉。具體反映在上坡減速時。

為了解決這一實際問題, 再用一只角度傳感器與車輛縱向布置, 其電路如圖9 所示。當上坡坡度達到所規(guī)定的數(shù)值(如最大爬坡度) 時, 運放A2輸出端Uo4輸出高電平, 繼電器J 得電, 常閉觸點斷開, 切斷了增加制動減速電路(圖7 、圖8) 的電源U1 , 使其不能工作, 因為在這種工況下, 只要發(fā)動機降低轉速, 就會得到很好的減速效果, 又避免了發(fā)動機堵轉。而在其余工況下(爬坡度小于規(guī)定值時) , 繼電器J 不吸合, 減小發(fā)動機油門開度減速系統(tǒng)和增加制動減速系統(tǒng)同時起作用, 確保汽車獲得可靠的減速。在圖9 電路圖中, 發(fā)光二極管L ED2 作為增加制動的減速系統(tǒng)工作電源指示。

5  結語

關于本文中的幾個主要電路參數(shù)歸納敘述如下: ①側向傾翻力矩模擬量Uo1 ; ②側向傾翻力矩報警數(shù)字量Uo2 ; ③側向傾翻力矩減速數(shù)字量Uo3 ;④爬坡度數(shù)字量Uo4 ; ⑤電流放大板的上升斜坡延時t u 和下降斜坡延時t d ; ⑥角度傳感器的阻尼時間及其電路延時。應根據(jù)汽車的重心高度、輪距、質量、速度、轉彎半徑、路面坡度及顛簸振動等因素綜合決定, 達到合理配合關系, 從根本上避免汽車行駛中側向傾翻事故的發(fā)生。