Сканер активных датчиков антиблокировочной системы автомобиля Российский патент 2023 года по МПК B60T17/22 G01M17/00 

Область техники

Изобретение относится к диагностике и испытаниям автомобилей и может быть использовано для выявления неисправности антиблокировочной системы (ABS) автомобиля, в частности, системы измерения частоты вращения колёс.

ABS — это система, предотвращающая блокировку колес автомобиля при торможении.
До 1998 года в качестве датчика частоты вращения колеса использовался пассивный датчик индуктивного типа. Конструктивно данный вид датчика объединяет два элемента – чувствительный и задающий. Чувствительный элемент включает катушку с железным сердечником (контактным штифтом) и постоянный магнит. Задающий элемент представляет собой зубчатое колесо, которое вращается совместно со ступичным подшипником. Чувствительный элемент датчика создает постоянное магнитное поле. Зубчатое колесо, проходя через поле, приводит к его изменению, при этом при прохождении зуба колеса изменение магнитного поля максимальное. Магнитное поле индуцирует напряжение в цепи датчика. Количество импульсов напряжения, соответствующее количеству пройденных зубьев за определенный интервал времени, пропорционально частоте вращения колеса. При всей своей простоте, датчик частоты вращения индуктивного типа не обеспечивает требуемой точности измерения, т.к. величина импульсов напряжения напрямую зависит от частоты вращения колеса (чем больше частота, тем сильнее импульс напряжения).

На современных автомобилях устанавливаются активные датчики частоты вращения колеса. В работе такие датчики используют внешнее напряжение питания. Конструктивно активный датчик состоит из чувствительного и задающего элементов. В зависимости от используемого физического эффекта различают магниторезистивные датчики частоты вращения и датчики Холла. В магниторезистивном датчике при изменении магнитного поля изменяется сопротивление. В датчике Холла изменение магнитного поля приводит к изменению напряжения. Задающий элемент активного датчика представляет собой пластмассовое кольцо, на поверхность которого нанесены намагниченные участки, т.н. мультиполюсное кольцо. Северный и южный полюса магнитов выполняют функции зубцов и впадин колеса.

Активные датчики обеспечивают высокую точность измерений, так как сила выходного сигнала не зависит от частоты вращения колеса. Кроме этого активный датчик имеет компактную конструкцию, что позволяет его устанавливать непосредственно в ступичном подшипнике. Цифровая обработка выходного сигнала дает дополнительные преимущества, например, позволяет использовать датчик для определения направления вращения колеса и его остановки, в последнее время на автомобили всё чаще устанавливаются активные датчики.

Сканер активных датчиков системы ABS автомобиля и реализуемые посредством него способы диагностики системы ABS автомобиля, согласно действующей рубрики Международной патентной классификации МПК-2021, относятся к классу B60T17/22 “устройства для контроля и испытания тормозных систем; сигнальные устройства”.

Активный датчик системы ABS имеет полярность подключения, питается постоянным напряжением 12В, сигнал о скорости вращения колеса – это последовательное изменение значения тока в цепи датчика между значениями 7 мА и 14 мА. Частота изменения значений тока пропорциональна скорости вращения. Токовый принцип передачи данных усложняет диагностику работы датчика, так как обычное подключение мультиметра или осциллографа даёт возможность проверить только питание датчика, а наличие сигнала скорости вращения колеса достоверно наблюдать не удаётся из-за малого размаха колебаний напряжения в цепи. Работу датчика можно наблюдать опосредованно, через диагностический сканер, в виде скорости каждого колеса в единицах измерения [км/ч], или в разрыв одного из проводов датчика установить токоизмерительный шунт, и по падению напряжения на нём можно судить о токовых импульсах. Сам датчик, не установленный на автомобиль, проверить при помощи мультиметра можно лишь косвенно, так как датчик, по сути, представляет собой электронный модуль на основе различных радиокомпонентов.

Предшествующий уровень техники

Согласно технической документации, содержащейся в дилерских центрах( например KIA, HYUNDAI), при диагностике неисправностей системы ABS с активными датчиками частоты вращения колёс рекомендуется следовать указаниям диагностических карт, где отражены следующие диагностические действия:

- проверка разъемов на предмет ослабленных или ненадежных соединений, а также наличия согнутых контактов, коррозии, загрязнения, износа или повреждения;

- проверка правильности монтажа датчика частоты вращения колеса;

- осмотр зубьев ротора или колесный подшипник на предмет повреждений;

- замена датчика частоты вращения колеса на заведомо исправный;

- проверка по осциллографу формы сигнала между разъемом жгута датчика частоты вращения колеса и «массой» шасси. Высокий уровень: 1,18...1,68 В, низкий уровень: 0,59...0,84 В.

Все эти действия не дают исчерпывающей информации о работоспособности отдельных частей системы ABS, и в сложных случаях неисправностей возможно значительное увеличение времени ремонта, а также необоснованных и безрезультатных заменах узлов и деталей в автомобиле при его ремонте.

Известен Тестер активного датчика скорости колеса ABS/ESP для автомобилей, CN213023204 (U) от 2021-04-20, изобретатель ZHAO XIAODONG LI HONGLI . Он содержит корпус, двигатель, приводной ремень, зубчатые колёса, осциллограф, и предназначен для проверки активных датчиков системы ABS. Основной недостаток этого тестера – наличие механических узлов и компонентов, что снижает долговечность и надёжность прибора, а также повышает массогабаритные показатели.

Краткое описание изобретения

Целью настоящего изобретения является создание компактного и многофункционального сканера для диагностики элементов системы ABS автомобиля, в котором реализуются следующие основные режимы:

- Проверка входов блока ABS;

- Проверка активных датчиков;

- Контроль сигналов датчика по величине напряжения;

- Контроль сигналов датчика по величине тока, 2-проводная схема подключения;

- Контроль сигналов датчика по величине тока, 4-проводная схема подключения;

- Быстрый поиск цепей активных датчиков.

Техническим результатом изобретения является ускорение процесса диагностики системы ABS, уменьшение количества субъективных ошибок ремонтного персонала при оценке технического состояния системы ABS и принятия решения по необходимым ремонтным работам и замене элементов системы ABS.

Технический результат достигается тем, что аппаратно сканер совмещает в себе отдельные функции мультиметра, осциллографа, токоизмерительного шунта, коммутирующих устройств, диагностика системы измерения частоты вращения колёс осуществляется не только совокупностью различных электрических измерений, но и путём подмены (имитации) отдельных элементов системы ABS с использованием аппаратно-программных возможностей сканера.

Общее устройство.

Предлагаемый изобретением сканер выполнен в виде отдельного измерительного блока, имеет разъёмы для подключения, органы управления и индикации. Питание прибора — постоянное напряжение 12 Вольт.

Имеется три парных разъёма «IN0», «IN1», «DAT», байонетный разъём выхода на осциллограф и разъём питания, все они расположены на боковых поверхностях корпуса сканера. Все парные разъёмы униполярные, т. е. при подсоединении проверяемых цепей не нужно заботиться о полярности, сканер автоматически распознаёт подключаемые цепи и коммутирует их в нужном порядке.

Функционально сканер из двух групп, гальванически развязанных между собой, и группы источников питания. Применение гальванической развязки в сканере обусловлено тем, что в автомобилях применяются различные схемотехнические решения по считыванию сигналов с активных датчиков и, следовательно, не всегда «минусовой» вывод датчика соединён с отрицательным полюсом бортовой сети автомобиля.

Группа №1 содержит следующие узлы: коммутатор входа IN0, коммутатор входа DAT, узел определения отрицательной полярности входа IN0, схема измерения напряжения на входе IN0, схема измерения напряжения на входе DAT, схема измерения тока в цепи датчика, коммутируемые источники тока, центральный процессор, графический экран, клавиатура, генератор переменного магнитного поля, управляемый источник напряжения. Отличительной особенностью данного изобретения от вышеуказанного тестера (CN213023204 (U)) является то, что для проверки активного датчика в динамическим режиме используется не механическое устройство для перемещения полюсов магнитов вблизи датчика, а малогабаритная электромагнитная обмотка, создающая импульсное магнитное поле, которое приводит к переключению состояний датчика, тем самым имитируется вращение колеса автомобиля. Группа №2 содержит следующие узлы: коммутатор входа IN1, узел определения отрицательной полярности входа IN1, коммутируемые источники тока.

Подробное описание режимов сканера.

1. Режим «Датчик».

Возможности: распознавание типа подсоединённой цепи, определение полярности выводов, статическая проверка электрических параметров датчика, динамическая проверка работы датчика.

Применяемый принцип распознавания типа электрической цепи, подсоединённой к входу DAT, – снятие вольт-амперной характеристики при различных полярностях подключения. На основе анализа полученных данных на графическом экране отображаются результаты: «Акт. датчик», «Обрыв», «Замыкание», «Резистор». «P-N переход». Основным критерием определения исправного активного датчика являются признаки источника тока (7 или 14 мА) при прямой полярности подключения и наличие p-n перехода при обратной полярности подключения.

В случае распознавания исправного активного датчика при статической проверке возможно проведение динамической проверки, при этом необходимо поднести торец датчика к месту расположения в корпусе сканера генератора переменного магнитного поля. В исправном активном датчике это вызовет переключение его состояний. Выдаваемые датчиком токовые импульсы будут измерены и обработаны сканером для принятия решения об исправности проверяемого датчика.

2. Режим «Блок ABS»

Сканер подключается (вход IN0) вместо датчика к одному из входов блока ABS и имитирует токовые импульсы активного датчика.

Функциональные возможности: распознавание полярности подсоединённой цепи, измерение напряжения питания датчика, измерение длительности импульса опроса, генерация токовых импульсов, имитирующих работу активного датчика.

При появлении на входе IN0 напряжения от блока ABS будет автоматически определена и при необходимости перекоммутирована полярность подключения, измерено напряжение питания датчика, а также будет выполнен замер длительности импульса опроса датчиков. При помощи коммутируемых источников тока в цепи входа блока ABS будет протекать ток 7мА. При необходимости имитации вращения колеса предусмотрена возможность подачи токовых импульсов 7/14 мА в блок ABS. Скорость подачи импульсов можно изменять в широких пределах.

3. Режим «Контроль сигналов по величине напряжения»

Функциональные возможности: распознавание полярности подсоединения, измерение пульсаций напряжения распознавание логических уровней датчика и индикация частоты следования, дублирование токовых импульсов в другой вход блока ABS.

Сканер подключается ( вход IN0 ) параллельно к проверяемому входу блока ABS и при вращении колеса по колебаниям напряжения распознаёт импульсы от активного датчика (Высокий уровень: 1,18...1,68 В, низкий уровень: 0,59...0,84 В).

4. Режим «Контроль сигналов по величине тока, 2-проводная схема подключения»

Функциональные возможности: распознавание полярности подсоединения, измерение тока в линии, распознавание уровней 7/14мА и индикация частоты следования, дублирование токовых импульсов в другой вход блока ABS.

Двухпроводное подсоединение - вход сканера «IN0» подключается в разрыв любого из проводов, идущих от датчика к входу блока ABS. При включении питания системы ABS будет автоматически определено направление протекания тока и измерена его величина, на дисплее будет отображаться текущее значение тока в диагностируемой цепи. При вращении колеса выдаваемые датчиком токовые импульсы будут измерены и обработаны сканером и в случае их соответствия норме на дисплее будет выведено соответствующее сообщение.

Для дублирования токовых импульсов любой другой вход блока ASB отсоединить от датчика и подсоединить к входу сканера «IN1». Это позволяет генерировать токовые импульсы (имитируя работу активного датчика ABS) для выбранного входа блока ABS синхронно, или с коэффициентом пересчёта скорости, с токовыми импульсами другого входа блока ABS.

5. Режим «Контроль сигналов по величине тока, 4-проводная схема подключения»

Функциональные возможности: распознавание цепей входа блока ABS, распознавание активного датчика, соединение их между собой с соблюдением полярности, измерение тока в линии, распознавание уровней 7/14 мА и индикация частоты следования, дублирование токовых импульсов в другой вход блока ABS.

Четырёхпроводное подсоединение - к сканеру (вход IN0) двумя проводами подключается вход блока ABS, и отдельно двумя проводами (к входу DAT) датчик. Подсоединённый активный датчик будет проверен по электрическим параметрам, определена полярность его подключения. При включении питания системы ABS цепи входа блока будут соединены с датчиком с соблюдением полярности. При вращении колеса выдаваемые датчиком токовые импульсы будут измерены и обработаны сканером, и в случае их соответствия норме на дисплее будет выведено соответствующее сообщение.

Для дублирования токовых импульсов любой другой вход блока ASB отсоединить от датчика и подсоединить к входу сканера «IN1». Это позволяет генерировать токовые импульсы (имитируя работу активного датчика ABS) для выбранного входа блока ABS синхронно, или с коэффициентом пересчёта скорости, с токовыми импульсами другого входа блока ABS.

6. Режим «Поиск цепей активного датчика»

Назначение функции – быстрое распознавание типа подсоединённой электрической цепи с целью поиска выводов активных датчиков, например, в многоконтактном разъёме автомобильной проводки. К входу «DAT» подсоединяются два щупа, которыми поочерёдно касаются исследуемым элементам автомобильной проводки. На основе анализа полученных данных на графическом экране отображаются результаты: «Акт. датчик», «Обрыв», «Замыкание», «Напряжение» (с указанием величины напряжения).

Для визуального наблюдения за токовыми импульсами в сканере предусмотрен преобразователь величины тока в уровни напряжения, и работает он следующим образом – во всех режимах сканера, где предусмотрен контроль величины тока, включается встроенный преобразователь и на осциллографическом выходе будет присутствовать постоянное напряжение, величина которого визуально в вольтах будет соответствовать величине тока в сигнальной цепи ABS в миллиамперах.

Изготовлен экспериментальный образец сканера, в котором реализованы все описанные выше функции. Корпус прибора пластиковый. В качестве управляющего процессора применён 32-разрядный микроконтроллер типа STM32F100RBT6B в корпусе 64-pin LQFP, размер программной памяти 128 KB, размер оперативной памяти 8 KB . Управляющая программа микроконтроллера создана в среде разработки IAR Embedded Workbehch, на языке программирования C++. Электрическая принципиальная схема и разводка печатной платы выполнены с использованием программы KiCad EDA Suite. Применение бескорпусных радиодеталей, малогабаритных электромагнитных реле и SMD-компонентов позволило разработать и изготовить сканер небольших размеров, габариты составляют 125х100х45 мм. Питание сканера — постоянное напряжение 12 Вольт от аккумулятора обслуживаемого автомобиля или от сетевого блока питания.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 – функциональная схема сканера.

На фиг.2 - конструктивное исполнение сканера.

На фиг.3 - внешние подключения сканера в режиме «Датчик».

На фиг.4 - внешние подключения сканера в режиме «Блок ABS».

На фиг.5 - внешние подключения сканера в режиме «Контроль сигналов по величине напряжения».

На фиг.6 - внешние подключения сканера в режиме «Контроль сигналов по величине тока, 2-проводная схема подключения».

На фиг.7 - внешние подключения сканера в режиме «Контроль сигналов по величине тока, 4-проводная схема подключения».

На фиг.8 - внешние подключения сканера в режиме «Поиск цепей активного датчика».

Изобретение относится к диагностике и испытаниям автомобилей и может быть использовано для выявления неисправности антиблокировочной системы (ABS) автомобиля. Сканер активных датчиков ABS является функционально законченным прибором, имеет собственные органы управления и индикации и подсоединяется посредством разъёмов к электрическим цепям системы ABS автомобиля. Сканер содержит центральный процессор, органы управления, графический дисплей, коммутационные узлы, источники тока, источники питания, элементы гальванической развязки, генератор переменного магнитного поля, управляемый источник напряжения и измерители напряжения и тока. Коммутационные узлы обеспечивают возможность подсоединения сканера к входам блока ABS и активных датчиков. Генератор переменного магнитного поля выполнен с возможностью имитирования вращения колеса автомобиля для проверки активных датчиков. Источник напряжения выполнен с возможностью имитирования работы активных датчиков. Достигается ускорение процесса диагностики системы ABS, уменьшение количества субъективных ошибок ремонтного персонала при оценке технического состояния системы ABS и принятии решения по необходимым ремонтным работам и замене элементов системы ABS. 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Сканер активных датчиков системы ABS автомобиля, содержащий центральный процессор, органы управления, графический дисплей, коммутационные узлы, обеспечивающие возможность подсоединения сканера к входам блока ABS и активных датчиков, источники тока, источники питания, элементы гальванической развязки, генератор переменного магнитного поля, выполненный с возможностью имитирования вращения колеса автомобиля для проверки активных датчиков, управляемый источник напряжения, выполненный с возможностью имитирования работы активных датчиков, измерители напряжения и тока.

2. Сканер по п.1, отличающийся тем, что выполнен с возможностью имитирования сигналов активных датчиков для проверки входов блока ABS автомобиля.

3. Сканер по п.1, отличающийся тем, что выполнен с возможностью выполнения проверки электрических параметров активных датчиков ABS в статическом режиме.

4. Сканер по п.1, отличающийся тем, что выполнен с возможностью выполнения проверки работоспособности активных датчиков ABS в динамическом режиме в условиях переменного магнитного поля, создаваемого электромагнитной обмоткой.

5. Сканер по п.1, отличающийся тем, что выполнен с возможностью униполярного подключения диагностируемых цепей с автоматическим распознаванием полярности и коммутацией.

6. Сканер по п.1, отличающийся тем, что выполнен с возможностью контролирования токовых импульсов в цепях датчиков при двухпроводной и чётырёхпроводной схемах подключения, с выводом сигнала на осциллограф.

7. Сканер по п.1, отличающийся тем, что выполнен с возможностью генерирования токовых импульсов, имитируя работу активного датчика ABS, для дополнительного подключенного входа блока ABS, синхронно с работой исправного датчика системы ABS.