摩托車ABS系統(tǒng)霍爾輪速傳感器結構原理及檢修

李茂盛

（廣西南寧技師學院，廣西南寧 530000）

當前，隨著安全意識不斷增強以及技術進步和材料成本下降，摩托車裝配制動防抱死系統(tǒng)ABS（Antilock Brake System）有從中高端向相對低端延伸的趨勢。ABS的作用主要是行車安全保障，防范意外發(fā)生。若摩托車在行駛中遇到突發(fā)情況采取緊急制動或者在低附著系數(shù)路面（砂石路面、雨后路面、雪地等）制動時，車輪極易被抱死。前輪抱死會使操縱失靈，方向不能控制，后輪抱死則易發(fā)生側滑甩尾，引發(fā)意外。ABS則可以防止車輪抱死，使車輪處于邊滾邊滑的狀態(tài)，有效改善摩托車制動時的橫向穩(wěn)定性和方向操縱性，保證最佳制動效果，有效減少摩托車安全事故的發(fā)生。輪速傳感器是ABS系統(tǒng)的首要部件，用于檢測收集被控制輪子轉動的轉速信號，該信號傳給ABS的控制單元ECU（Electronic Control Unit）進行處理，由ECU控制執(zhí)行機構完成車輪防抱死操作。輪速傳感器通常分為電磁式和霍爾式，霍爾式輪速傳感器以其眾多優(yōu)點，近年來廣泛應用于汽車和摩托車的ABS等領域。

1 霍爾效應和霍爾傳感器

霍爾傳感器是利用霍爾效應原理制作的磁電器件?；魻栃擅绹锢韺W家霍爾在1879年研究金屬導電機理時發(fā)現(xiàn)。當電流通過金屬箔片時，若在垂直于電流方向上施加磁場，則金屬箔片兩側面會出現(xiàn)橫向電壓。后來，科學家進一步研究發(fā)現(xiàn)，半導體和導電流體也有這種效應，而且半導體的霍爾效應比金屬強得多，在導體兩端產(chǎn)生的電壓被稱為霍爾電壓。利用霍爾效應原理制作的半導體磁電元件稱為霍爾元件，其產(chǎn)生的電壓很小?；魻栐ǔＥc相關的放大電路、溫度補償電路和穩(wěn)壓電源電路等集成在一個芯片上，構成霍爾傳感器電路芯片。

2 霍爾式輪速傳感器

2.1 構成和特點

摩托車的霍爾輪速傳感器組件，由固定在前叉或后叉上的霍爾傳感器頭和安裝在被控制車輪上隨車輪同步轉動的齒圈組成。霍爾傳感器頭由永磁體、霍爾元件和電子電路組成，外殼體上用非導磁金屬、陶瓷、樹脂等材料堅固封裝，以在各種惡劣環(huán)境條件下正常使用。霍爾輪速傳感器的結構具有許多優(yōu)點：結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，工作頻率高（可達1MHz），抗磁電干擾能力強，耐振動沖擊，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧環(huán)境的污染或腐蝕等。

2.2 工作原理

摩托車輪轉動時帶動同步轉動的齒圈，在霍爾傳感器頭上產(chǎn)生交替改變的磁通量，引起磁感應強度改變?；魻栐敵鲆粋€毫伏級的準正弦波電壓，此電壓再經(jīng)過霍爾集成電路內(nèi)部放大、整形后轉換成標準的脈沖電壓輸出[或者轉換成脈沖寬度調(diào)制（PWM）電流輸出]，其脈沖的占空比隨齒圈角速度的變化而變化[1]，該車輪輪速的脈沖數(shù)據(jù)，傳送到車輛控制單元ECU，執(zhí)行相關的控制動作。

2.3 霍爾式輪速傳感器的種類

2.3.1 按線制分類

通常，霍爾式輪速傳感器按線制類型結構分為二線制和三線制傳感器。二線制常稱為電流輸出型，根據(jù)磁場變化的不同，在輪速傳感器頭內(nèi)部產(chǎn)生霍爾電壓，通過元件芯片內(nèi)部的信號處理電路將該電壓轉換成脈沖寬度調(diào)制（PWM）電流輸出。ABS系統(tǒng)通過采樣電阻將此PWM電流轉換為數(shù)字電壓脈沖信號，從而得到輪速數(shù)值。近年來國內(nèi)外摩托車（如川崎400和650系列等）大多采用這種類型的傳感器。三線制常稱為電壓輸出型，3個腳分別為Vcc，Gnd，Out。如果是開關霍爾元件，其Out腳根據(jù)磁場變化輸出高低電平信號，如果是線性霍爾元件，其Out腳輸出電壓隨磁場變化而相應增大或者減小，本田部分車型采用這種類型。兩者區(qū)別在于傳感器內(nèi)部的輸出級電路。

2.3.2 按芯片應用類型分類

按芯片應用類型，霍爾式輪速傳感器包括普通輪速傳感器和智能傳感器。普通輪速傳感器輸出信號只是一個隨著速度變化而產(chǎn)生頻率變化的數(shù)字脈沖調(diào)制電流信號（高電流14mA、低電流7mA），它只能給車輛控制系統(tǒng)提供一個基本輪速信號。智能傳感器可為車輛穩(wěn)定控制ESP、坡道起步輔助HSA、牽引力控制TCS、電子差速鎖、自動泊車系統(tǒng)、自動駕駛系統(tǒng)等一系列高技術性附加系統(tǒng)功能提供相對多元的信號，其芯片目前主要由3家廠家提供，分別是美國的Allegro公司、德國的NXP（恩智浦）、Infineon（英飛凌），其中以NXP和Infineon的智能芯片在輪速傳感器領域應用最為廣泛[2]。

3 ABS系統(tǒng)霍爾輪速傳感器的檢修原理

摩托車的ABS系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，將影響行駛安全，應及時查明故障原因并進行修復。摩托車的ABS系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，通常有故障報警提示。正常情況下，車輛還在保修期內(nèi)，應盡可能去該品牌車輛的售后服務點進行檢查維修，以獲得最良好的服務和保障。除此之外，當自行檢查摩托車的ABS系統(tǒng)時，可以采取“先易后難”原則進行。摩托車的ABS系統(tǒng)主要由輪速傳感器、控制單元ECU、線束和相關機械執(zhí)行機構件組成，如果出現(xiàn)故障報警，可先從檢查線束是否接觸良好、是否斷路和短路入手，然后再考慮檢查輪速傳感器組件、控制單元等。據(jù)統(tǒng)計，輪速傳感器組件故障占ABS系統(tǒng)總故障的30%以上，可以從引發(fā)霍爾式輪速傳感器故障的以下主要原因進行檢查：傳感器相關線路出現(xiàn)斷路或短路故障；齒圈的齒面缺損或出現(xiàn)污點；傳感器頭部被鐵屑等異物堵?。粋鞲衅靼惭b松動，使傳感器與齒圈間的空隙發(fā)生改變；傳感器內(nèi)永磁體的磁性下降等[3]。具體可按以下方法進行檢查。

3.1 測量傳感器的供電電壓是否正常

霍爾式傳感器內(nèi)部有霍爾元件、穩(wěn)壓電路、運算放大器等，這些電子元件都需要供電和接地（搭鐵），通過測量電壓值可判斷模塊是否有電壓輸出，模塊供電接地是否有問題，導線是否存在短路或斷路等故障。

3.2 測量電阻值確認是否為霍爾傳感器

用萬用表電阻擋直接測傳感器電阻，二線制霍爾輪速傳感器的電阻為無窮大，用二極管擋測量應該有0.3～0.7V的管壓降。如果用萬用表電阻擋能測出電阻，范圍在1～1.6kΩ，這個傳感器應為磁電傳感器而非霍爾傳感器。

4 ABS系統(tǒng)霍爾輪速傳感器檢修方法

4.1 故障車輛情況

以川崎400系列摩托車為例，該系列車型是2019年全球同步上市并引進國內(nèi)的大貿(mào)摩托車，包括兩款車型：仿賽型Ningjia400和街車型Z400，標配前后輪雙通道ABS系統(tǒng)，兩款車除外形相關配置略有不同外，其余主要配置完全一致。

4.2 故障表現(xiàn)

該系列車輛標配日本日清（Nissin）ABS系統(tǒng)。該車輛ABS系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，儀表面板上的ABS故障報警燈常亮，同時儀表上的車速指針一直為0。經(jīng)了解，故障前車主曾用起車器將車輛后輪架起，進行鏈條保養(yǎng)維護，保養(yǎng)過后故障出現(xiàn)。經(jīng)現(xiàn)場查看，后輪的ABS信號線正好布置在后搖臂下方，靠近起車架的支承點位置。懷疑是起車架起車時壓到了信號線，造成斷路。為穩(wěn)妥起見，將車輛開到了該車的售后服務點進行確認，客服介紹這樣的故障在該型車輛已經(jīng)發(fā)生多起。該車輛的后輪ABS信號線的布置存在被起車架壓斷的可能性，要格外小心。據(jù)此可知，該型車輛的輪速傳感器提供的輪速信號，既作為儀表車速指示數(shù)據(jù)，又是ABS防抱死動作的依據(jù)。最后，售后建議更換原廠的后輪ABS傳感器，材料和工時近600元，且該傳感器還需要訂貨，預計到貨需1～2個月的時間。

4.3 故障檢修

4.3.1 故障分析和外觀探究

故障原因和部件基本查明，由于售后維修費用過于高昂，且欲更換部件無現(xiàn)貨。為此，探索是否可以用替代傳感器更換。拆下故障傳感器檢查，該器件的導線質地緊實，剝開被壓到區(qū)域導線外絕緣層后，發(fā)現(xiàn)是兩根引線且未見斷路，用萬用表直流電壓擋測量其中一根線對地（搭鐵）電壓為12V左右，說明控制單元ECU仍能提供12V的電源，以及從ECU到達被壓導線處是連通的。懷疑導線因被壓形成拉扯，導線與傳感器內(nèi)部的霍爾元件連接處或導線在封裝內(nèi)部斷開，造成與控制單元ECU無法通信，產(chǎn)生故障。觀察傳感器頭外部標識，只有“＞PAMXD6-GF03＜”，查閱資料，該字符串僅代表其封裝材料，是否為傳感器型號不得而知，也無法得知其內(nèi)部所用的芯片型號。測量記錄其外觀各個維度尺寸及安裝孔距、孔徑尺寸后，決定破拆，以進一步探查傳感器的內(nèi)部結構。由于其封裝材料非常堅固結實，與內(nèi)部元件結合很緊密，拆解后能見到相對完整的器件只有一個圓柱型的永磁體和兩根帶孔的金屬片，金屬片上有間隔的兩處半導體材料的堆積，并未發(fā)現(xiàn)線圈類的物體。再查閱相關資料文獻，綜上分析，初步判斷此結構特征的傳感器類型為二線制霍爾式傳感器，不是電磁式傳感器，內(nèi)部霍爾芯片結構與Infineon公司的PG-SSO-2-2封裝結構，以及Allegro公司SIP-2封裝的芯片外形結構極為相似。參照文獻資料中這兩種封裝圖示，根據(jù)兩根帶孔的金屬片的標志性特征，更傾向于是使用Infineon（英飛凌）公司的某型號芯片。

4.3.2 型號類型分析

初步推斷傳感器使用Infineon公司的二線制霍爾器件，但該公司用于傳感器的霍爾器件種類繁多，參閱《二線制霍爾式輪速傳感器結構原理及檢修》[4]和《汽車輪速傳感器中智能芯片的應用》[2]后，結合近年的二線制霍爾傳感器的應用情況，基本定位芯片類型為Infineon公司的TLE4941或TLE4942及其衍生產(chǎn)品。最后在某電商平臺搜尋到了相關的某型號霍爾輪速傳感器，其標稱正是使用Infineon公司的TLE4941系列霍爾智能芯片作為主要部件，各項參數(shù)指標比較相似，即二線制主動PWM電流型，電壓也是故障車輛ECU所提供的電壓范圍，最后確定為替代用霍爾輪速傳感器。

4.3.3 故障處理

綜上分析，除了尋找到的替代傳感器內(nèi)部芯片與故障傳感器的類型基本一致外，其外觀多維及安裝孔距、孔徑尺寸也與故障車輛上的輪速傳感器幾乎完全一致。最可貴的是價格很便宜，僅為原廠的1/10左右。決定購買嘗試替換，經(jīng)實施代換，故障車輛故障排除，ABS故障報警燈熄滅，車輛速度表指示恢復正常。

4.3.4 故障檢修效果

經(jīng)過超過8個月和近5000km的小心謹慎地測試和使用，該故障車輛更換ABS傳感器后，狀態(tài)良好，防抱死動作和時機與故障發(fā)生前無異，代換基本達到預期的效果。后續(xù)將持續(xù)關注更換傳感器的質量可靠性，以及是否會對行車安全造成影響。

5 結語

霍爾輪速傳感器在摩托車ABS系統(tǒng)中的地位非常重要，關系行車安全和穩(wěn)定，也因其優(yōu)良的性能和結構特點而廣泛應用。雖然從安全角度考慮，作為重要部件的更換，尤其是輪速傳感器等部件應采用原廠配套部件。但是隨著汽車、摩托車配件生產(chǎn)全球化、標準化和規(guī)范化進程的推進，原配件用替代產(chǎn)品也變成可能。而且通過更長時間的實踐和檢驗，如果替代的傳感器與原廠配套的參數(shù)相同或相近，且質量可靠，在確保還原ABS系統(tǒng)對行車安全的作用而不是犧牲的前提下，從明顯降低維護維修成本角度考慮，類似的代換嘗試值得深入探究。