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车用曲轴位置传感器工作原理与故障分析
来源:汽车电器  作者:佚名  2014-09-03 07:49:13



    摘要:介绍发动机管理系统中曲轴位置传感器的结构和工作原理;通过实际案例,阐述曲轴位置传感器出现故障时的检测和分析方法。
    曲轴位置传感器也称曲轴转角传感器,是发动机电子控制系统中最主要的传感器之一,其作用是检测上止点信号、曲轴转角信号和发动机转速信号。发动机ECU根据这些信号,按气缸的点火顺序发出最佳点火时刻指令。曲轴位置传感器一般安装在曲轴皮带轮或链轮侧面,有的也安装在凸轮轴前端或变速器壳体上。
    曲轴位置传感器主要有磁电式、霍尔式和磁阻式3种形式,市场上常用车型的曲轴位置传感器类型如表1所示。

   1 传感器类型及原理
    1.1磁电式曲轴位置传感器
    1.1.1磁电式传感器结构及工作原理
    磁电式传感器上集成了感应线圈和永久磁铁,当目标轮转动时,齿尖与齿缺交替变换,使永久磁铁通过极柱的磁通密度不断变化,从而影响到在极柱外面线圈中的磁场变化,使线圈感应出交变电压,并在线圈两端输出。磁电式传感器通常有3根输出线,分别为信号输出线、搭铁线和屏蔽线,简单示意图如图1所示。

    1.1.2磁电式传感器输出电压及典型信号
    输出电压可用以下公式计算
                E=-Nx (d f/d t)(1)
    式中:E—输出电压;N—线圈匝数;df/dt—磁通量变化率。
    从公式(1)可得出,当传感器匝数确定后,感应电压的频率和幅值与目标轮转速成正比。图2为磁电式传感器的典型信号。

    1.1.3磁电式传感器信号对应关系
    由图3可见,在齿尖或齿缺中间,无磁通量变化,输出电压为0。通常ECU的零点信号转换域值包含一定的过零点滞后值,以在一定程度上防止齿尖或齿缺过宽、振动或其他噪声引起的误转换,但不过零转换将引起相位精度集体往一个方向偏移。

    进入磁场时电压增大,为正脉冲;离开磁场时电压减小,为负脉冲。
    1.1.4磁电式传感器优缺点
    优点:结构简单,坚固耐用、耐温较高,对装配要求较低,为旋转不敏感安装。
    缺点:信号易受干扰,ECU需设计相关信号处理电路,精度较低,不适用于带VVT的发动机。
    1.2霍尔曲轴位置传感器
    1.2.1霍尔式传感器结构及工作原理
    霍尔式传感器上集成了被永久磁铁偏置的动态差分霍尔IC芯片,当目标轮在传感器前部敏感区域旋转时,IC芯片探测到由于齿尖和齿缺交替通过而产生的磁场变化,并将其通过施密特触发器转换为方波数字信号输出给ECU。霍尔式传感器通常有3根输出线,分别为电源线、信号输出线和搭铁线,工作示意图如图4所示。

    1.2.2霍尔式传感器输出电压及典型信号
    输出电压可用以下公式计算

    式中:Vh----输出电压;Rh霍尔系数;I----输入电流;t----材料厚度;B一一磁场强度。
    从公式(2)可得出,当传感器设计完成后,霍尔电压的大小取决于磁场强度的大小,仅频率与目标轮转速成正比。图5表示了霍尔传感器的典型信号。

    1.2.3霍尔式信号对应关系
    曲轴位置传感器通常为双霍尔传感器,其中集成了两块霍尔芯片,信号齿需一前一后经过双霍尔芯片,两霍尔信号进行差分运算后,再进行域值转换,输出方波信号给ECU。所以双霍尔传感器无零转速功能,即要产生信号,信号轮必须有一定的转速。图6为霍尔传感器信号的对应关系。

    1.2.4霍尔式传感器优缺点
    优点:输出为数字信号,精度高。
    缺点:对装配要求较高,为旋转敏感性安装,且集成有电器元件,有EMC要求。

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