淺談汽車電子系統(tǒng)霍爾傳感器的控制原理和檢測方法

嚴景明，鄭軍龍

（廣西電力職業(yè)技術學院，廣西 南寧 530007）

引言

我國汽車產(chǎn)銷量已經(jīng)連續(xù)11年位居世界第一，汽車已經(jīng)進入千家萬戶，新能源汽車發(fā)展也突飛猛進。新能源汽車電子產(chǎn)品向集成化、信息化、網(wǎng)絡化、智能化方向發(fā)展。新能源汽車是以計算機為控制中心的高度自動化控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由傳感器、電控單元、執(zhí)行器組成。隨著汽車功能的不斷增加，汽車上用于檢測角度、加速度、壓力、力矩、位置等參數(shù)的傳感器，隨時間變化，轉變成電量來進行檢測和控制。根據(jù)傳感器的工作原理區(qū)分，常見有三種：磁脈沖式、霍爾式、光電式，霍爾式傳感器因具有安裝方便、體積小，輸出電壓信號穩(wěn)定，并能在灰塵、油污惡劣環(huán)境下工作的優(yōu)點，應用廣泛，以下分別從傳感器的原理、檢測和診斷三個方面闡述，為汽車維修工作提供借鑒。

1 霍爾傳感器工作原理

霍爾效應：美國物理學家霍爾于1879年在做金屬導電性能實驗時，驗正總結得出電壓與電流、磁場強度三者的相互關系。先將一個薄金屬基片置于磁場中，在磁場垂直方向給基片通過電流I，受磁場力作用，電荷會產(chǎn)生偏移，垂直于磁場與電流的橫向側面上產(chǎn)生聚集電壓，電壓與電流和磁場強度成正比，這就是霍爾電壓UH，可用公式表示：

RH為霍爾系數(shù)，I為電流，B為磁場強度，d為基片厚度。

金屬基片產(chǎn)生的電壓比較微弱，后來研究半導體、導電流體，同樣具有霍爾效應，而且半導體輸出電壓更有優(yōu)勢，比金屬強得多，利用半導體制成各種霍爾元件，當結構一定且電流為定值時，霍爾電壓與磁場強度成正比。目前廣泛應用于汽車電子、自動化技術、檢測技術及信息處理等方面。

20世紀80年代，電子元件逐漸應用于汽車發(fā)動機控制，霍爾元件常用于曲軸和凸輪軸位置傳感器，霍爾元件具有開關作用，能夠輸出數(shù)字信號，實現(xiàn)功率晶體管導通與關閉功能，通過脈沖信號數(shù)量，能計算曲軸和凸輪軸的旋轉速度和運動位置。

將霍爾元件與機械部件結合可以實現(xiàn)機電一體，制作成霍爾電路，其工作原理如圖1所示，把只有幾個毫伏的微弱電壓，經(jīng)放大后輸出較強的電壓信號，對三極管控制，達到開關作用[1]。汽車常用葉輪和葉片旋轉，切割磁場，控制霍爾電路能輸出高低電壓。當葉輪葉片運轉，通過磁鐵和霍爾元件之間的磁場變化，輸出霍爾電壓，霍爾電壓控制電路的輸出電壓變化，就能判斷出曲軸和凸輪軸所處位置，完成點火和噴油正時控制?；魻杺鞲衅魈攸c是需要外加電源才能工作，低轉速也能輸出穩(wěn)定的工作電壓，通常有觸發(fā)葉輪式和觸發(fā)齒輪式兩種型式。

圖1 葉輪式霍爾傳感器

2 霍爾傳感器原理分析與檢測

2.1 觸發(fā)葉輪式曲軸位置傳感器

在發(fā)動機曲軸皮帶輪的前端安裝傳感器，當發(fā)動機運轉時，觸發(fā)葉輪的信號轉子也隨之轉動，信號轉子外側分布有若干數(shù)量相同的葉輪和缺口。

霍爾信號發(fā)生器由永久磁鐵、導磁板和霍爾集成電路三部分組成，可參考圖 1。發(fā)動機運轉時，信號轉子的觸發(fā)葉片及缺口旋轉，永久磁鐵與霍爾元件的磁場受信號轉子作用而變化；當葉片進入時，磁場就被觸發(fā)葉片所阻止，從霍爾效應分析可知，此時產(chǎn)生電壓為零，霍爾集成電路的晶體管截止，從晶體管三個極的工作原理分析，可以得出結論為傳感器輸出高電壓；反之，缺口正對永久磁鐵與霍爾元件時，傳感器輸出低電壓。

2.2 觸發(fā)齒輪式曲軸位置傳感器

變速器殼體上加工有安裝孔，固定曲軸傳感器，曲軸后端飛輪上分布有齒輪形的信號盤，結構如圖2所示。以本田飛度轎車為例，傳感器為三線式，其中端子1為電源，端子2為信號，端子3為地線，傳感器頭部與信號盤正對。發(fā)動機工作，感應頭部處于齒輪的槽口時，產(chǎn)生霍爾電壓為零，相當于晶體管截止狀態(tài)，因此傳感器輸出高電位信號；反之，當感應頭部與凸齒正對時，傳感器輸出低電位信號。因此，發(fā)動機連續(xù)運轉時，傳感器產(chǎn)生脈沖電壓，發(fā)動機ECU對脈沖電壓處理，對點火系統(tǒng)及燃油噴射系統(tǒng)控制，保證發(fā)動機正常工作。

圖2 觸發(fā)齒輪式傳感器結構圖

2.3 傳感器電壓控制

從前面的工作原理分析可知，觸發(fā)葉輪式和觸發(fā)齒輪式相似，只是結構有別，現(xiàn)以觸發(fā)齒輪式為例，說明其檢測方法。

（1）凸齒處于霍爾開關IC和磁鐵之間時，霍爾開關IC接受磁鐵產(chǎn)生的磁場，并產(chǎn)生霍爾電壓，霍爾電壓經(jīng)放大后，作用于曲軸位置傳感器的晶體管基極，使晶體管集電極導通，發(fā)動機ECU的5 V基準電壓被搭鐵[2]。因此，發(fā)動機 ECU將檢測到曲軸位置傳感器輸出的 O V低電位（注意：其實低電位電壓并非為O V，因為晶體管導通時，根據(jù)晶體管的不同，集電極和發(fā)射極會有0.3 V或0.7 V的壓降）。當磁力線通過時，霍爾傳感器線路中電流流向和電壓輸出如圖3所示。

圖3 導通時電流與電壓關系

（2）槽口經(jīng)過磁場與霍爾開關IC時，霍爾開關IC沒有接受磁鐵產(chǎn)生的磁場，霍爾開關IC不能產(chǎn)生霍爾電壓，在曲軸位置傳感器內的晶體管不導通，發(fā)動機ECU 的5 V基準電壓與搭鐵線不導通。因此，信號線電壓接近5 V，就是高電位狀態(tài)。參照圖三分析得知，磁力線被阻擋，晶體管處于截止狀態(tài)。

（3）連續(xù)運轉時，因為齒輪隨著曲軸一起旋轉，通過曲軸位置傳感器的輸出信號會隨著凸齒和槽口不斷進行高、低電位的變換，其每分鐘的脈沖數(shù)目也會隨著曲軸的旋轉速率變化而變化。因此，通過檢測曲軸位置傳感器脈沖信號，可以測得轉速。發(fā)動機連續(xù)運轉時，傳感器輸出為連續(xù)脈沖信號[3]。

2.4 霍爾傳感器在實車上的檢測

以本田飛度轎車觸發(fā)齒輪式傳感器接線為例，說明檢測方法。

（1）工作電壓的檢測。斷開傳感器插頭，再擰開點火開關，接上萬用表，端子1應有12 V，若沒有，則檢查繼電器與端子1間的導通性[4]。

（2）參考電壓的檢測。將傳感器插頭斷開，后將點火開關置于ON，檢查端子2與搭鐵的電壓，應為4.8~5.0 V。否則，檢查端子2與ECU的導通性，如果導通，則為ECU 故障。

（3）搭鐵的檢查。檢查端子3是否與地線導通，若不導通，則檢查線束是否斷路。

（4）解碼器檢測。接上元征 X-431檢測儀，參照維修手冊，檢測發(fā)動機控制系統(tǒng)，如果曲軸位置傳感器損壞，則發(fā)動機控制單元會存儲故障碼P0335。

（5）工作輸出信號的檢測。使用三通連接插頭，或在傳感器信號線引出一條測量線，在慢慢轉動曲軸時，使用萬用表電壓檔進行檢測，電壓約在0 V、5 V之間交替變化。

（6）示波器的檢測。因霍爾式傳感器是一個電子元件控制電路，只從檢查電阻難于判斷其好壞，因此，最有效辦法是在發(fā)動機運轉時，用示波器檢測輸出信號波形。依照以上的接線方式，引出端子2信號，連接示波器進行測量，波形為脈沖方波或者查閱維修手冊。

（7）用發(fā)光二極管檢測。發(fā)動機工作時，引出端子 2信號，并聯(lián)一支發(fā)光二極管試電筆，觀察發(fā)光二極管的閃爍情況，應有規(guī)律地閃爍，否則曲軸位置傳感器信號不良。如二極管試燈不閃爍，則應檢查2號信號線端子與ECU的導通性。如果導通，則檢查2號信號線端子與搭鐵間應有5 V電壓。電壓正常則說明是傳感器故障，否則是ECU故障。

3 霍爾傳感器發(fā)展趨勢

隨著汽車技術的不斷進步，同時也要求降低汽車制造成本，霍爾式傳感器采用二線式代替三線式，一根為電源線，可以為5 V或12 V，另一根為信號線，輸出信號仍為脈沖方波，ECU內部電阻R與傳感器信號電壓有密切關系，也決定了輸出信號的高、低狀態(tài)數(shù)值，因此即使轉速很低，輸出信號電壓也能保證傳感器工作需要。在汽車制動系統(tǒng)上逐漸采用二線霍爾式傳感器，如豐田汽車在 ABS系統(tǒng)的輪速傳感器，供給電壓為12 V，輸出信號的高、低電壓分別為0.7 V及1.4 V。

4 案例分析

為了更好理掌握爾傳感器的檢測方法，現(xiàn)結合案例分析。

（1）飛度轎車不能起動。在我校汽車學院有位年輕教師利用2017款本田飛度轎車開展車身電器項目實訓，下課時恢復實訓車輛原來狀態(tài)，但車輛沒法起動，該教師和學生花了1個多小時，仍未找到原因，請求我?guī)椭Ｎ沂紫扔媒獯a器檢測讀取故障碼，共有超過10個故障碼，應為做實訓時帶電拔插傳感器留下的故障碼，應先消碼，再打起動機，讀取故障碼為 P0335，經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)為曲軸位置傳感器因為反復拔插，插頭端子松動，導致傳感器與插頭接觸不良，經(jīng)處理插頭后，發(fā)動機能正常工作。

（2）大眾奧迪，行車死火。曾經(jīng)維修過一臺2013年奧迪A6，根據(jù)車主反映，該車輛在行駛時突然抖動明顯，停車后再發(fā)動，無法工作，只能拖車進廠。

用汽車維修檢測電腦檢查，顯示“發(fā)動機轉速信號不可靠”。先曲軸位置傳感器插頭，未發(fā)現(xiàn)異常，打馬達時，用示波器檢測曲軸位置傳感器輸出信號，發(fā)現(xiàn)輸出波形有一個信號異常，懷疑信號盤有問題，用內窺鏡觀察曲軸位置傳感器信號盤，發(fā)現(xiàn)信號盤缺了一個齒，為何會缺齒?帶著疑問拆解發(fā)動機。原來第三缸活塞連桿變形，影響曲軸不規(guī)則運轉，導致這一個齒損壞。經(jīng)更換活塞、連桿、曲軸，裝復發(fā)動機工作正常。

5 小結

霍爾傳感器因輸出信號電壓幅值只有高低兩個電位，響應性好，在汽車電子控制上有取代磁脈沖式的趨勢。在職業(yè)教學，首先結合信息化手段突破工作原理的難點，采用理實一體化模式教學，注重在實車上的檢測方法，在實訓教學上就會得心應手，解決實訓設備在高頻率使用時損壞的問題。通過教師帶領學生排除故障的實踐，從工作原理入手，分析電路圖，選擇適當?shù)墓ぞ吆驮O備，記錄檢測數(shù)據(jù)，對照維修標準，進行邏輯推理，確定故障部位；另外組織師生積極參加職業(yè)院校技能比賽項目，以賽促教，實現(xiàn)教學相長，共同提高師生的職業(yè)技能水平，提升專業(yè)的辦學質量。