轉速傳感器在現(xiàn)代汽車維修中的應用

◆文/遼寧 陳兆俊

轉速傳感器在現(xiàn)代汽車維修中的應用

◆文/遼寧 陳兆俊

傳感器技術在現(xiàn)代汽車上廣泛應用，推動著汽車控制技術的不斷發(fā)展。為了監(jiān)控汽車各個系統(tǒng)的運動狀態(tài)，如各系統(tǒng)部件運轉的速度監(jiān)測，采用轉速傳感器，曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器、車輪轉速傳感器、車速傳感器、變速器輸入/輸出軸轉速傳感器等。通過這些轉速傳感器的監(jiān)測信息可以準確地掌握汽車動力傳遞及牽引力控制等方面的工作狀態(tài)。對汽車運行過程進行有效及時控制，對汽車運行中出現(xiàn)的故障進行預警和保護。

一、汽車常用轉速傳感器

轉速傳感器是汽車運動部件位置狀態(tài)檢測傳感器中的一種，用于檢測汽車上各類轉動部件運轉情況。其功能主要包括兩個方面：一是檢測運動部件的轉速或轉角；二是判定運動部件的轉動位置。汽車上最常用的轉速傳感器有磁感應式、霍爾效應式、磁阻效應式三種類型。

(1)磁感應式轉速傳感器

磁感應式轉速傳感器是利用電磁感應原理制成的，其工作原理如圖1所示。當信號轉子轉動時，信號轉子的凸齒與鐵芯的空氣隙發(fā)生變化，使通過傳感線圈的磁通發(fā)生變化，因此傳感線圈中便產生感應的交變電動勢。這個連續(xù)交變的電動勢屬于模擬信號，需要信號處理電路(A/D轉換)對其進行信號處理，將其變成數字信號后，ECU就可以計算出轉速。磁感應式轉速傳感器無需外供電源，因此，只需傳感線圈引出兩個端子即可。為了防止信號的相互干擾，會裝有屏蔽的金屬接地線，這樣的傳感器就有三個端子。

(2)霍爾效應式轉速傳感器

霍爾效應式轉速傳感器是根據霍爾效應原理制成的，霍爾效應是當磁場垂直施加于導線中流通的電流時，就會產生垂直于此電流和磁場的電壓差。而且，此電壓差所產生的電壓將和此施加的磁通量密度成正比例變化。霍爾轉速傳感器工作原理如圖2所示，其工作磁鐵和霍爾集成電路間的運動方式有對移、側移、旋轉和遮斷四種。在轉速傳感器的應用領域，通常采用開關型霍爾傳感器，工作磁鐵和霍爾集成電路間的運動方式則多采用遮斷和旋轉兩種方式。

①采用遮斷運動方式的霍爾轉速傳感器

采用遮斷運動方式的霍爾轉速傳感器由觸發(fā)葉片和霍爾傳感器組成。當觸發(fā)葉片隨著主動元件運轉時，不斷地在霍爾集成電路片與永久磁鐵之間穿過。當葉片位于霍爾電路片和永久磁鐵之間時，切斷磁通，此時無霍爾電壓產生；當葉片離開霍爾電路片和永久磁鐵之間的空氣隙時，磁通建立，霍爾電壓產生。

②采用旋轉運動方式的霍爾轉速傳感器

采用旋轉運動方式的霍爾轉速傳感器，如圖3所示，當觸發(fā)齒圈位于圖中(a)位置時，穿過霍爾元件的磁力線分散，磁場相對較弱。而當齒輪位于圖中(b)位置時，穿過霍爾元件的磁力線集中，磁場相對較強。齒輪轉動時，使得穿過霍爾元件的磁力線密度發(fā)生變化，因而引起霍爾電壓的變化。

霍爾元件為一個毫伏級的準正弦波電壓，由于輸出電壓比較小，其生成的霍爾電壓都要經過放大才能應用，通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補償電路及穩(wěn)壓電源電路等集成在一個芯片上后，這樣就構成一個霍爾傳感器。所以霍爾轉速傳感器需要外供電源，通過施密特觸發(fā)器對霍爾集成電路中的輸出極(開關三極管)進行通斷控制，最終以數字方波的信號形式發(fā)送。

③二線制的智能集成電路式霍爾轉速傳感器

通常見到的霍爾轉速傳感器都有由ECU提供的電源、搭鐵和信號三個端子。但只根據端子的型式來判定傳感器的類型是錯誤的，一種TLE4941型二線制的智能集成電路式霍爾轉速傳感器就被應用奇瑞A3的ABS系統(tǒng)中。其內部電路圖如圖4所示，主要包括電源調節(jié)器、振蕩器、兩個霍爾傳感器、差分放大器、運算器、比較器、可調電流源、可編程放大器、高速ADC、數字信號處理器(DSP)、偏置DAC。電源調節(jié)器起穩(wěn)壓作用，給各單元電路提供穩(wěn)定電壓。振蕩器為數字電路提供時鐘。差分放大器有兩個作用，一是對兩個霍爾傳感器所產生的信號進行差分放大，二是利用自帶的低通濾波器濾除噪聲。差分放大器的輸出分成兩路，一路經過比較器去控制輸出級可調電流源，另一路依次通過PGA和高速ADC，轉換成數字量并送至DSP。利用DSP分別計算出輸入信號的最小值、最大值及算術平均值，進而確定算術平均值的偏移量，然后送至偏置DAC轉換成模擬量，再通過運算器完成失效校準后才開始正常輸出。

(3)磁阻效應式轉速傳感器

磁阻效應式轉速傳感器利用磁阻效應的原理，由外供電源、接地線路、信號感應磁環(huán)、磁阻元件及集成電路組合而成。所謂磁阻效應，就是指當外加的磁場發(fā)生變化時，磁阻元件的阻值也會隨之變化的現(xiàn)象。傳感器的信號磁環(huán)在其圓周方向上交替均勻排列著若干組N、S磁極，當磁環(huán)旋轉時，固定不動的磁阻元件所處空間的磁場發(fā)生周期性變化，這使得磁阻元件的電阻也隨之發(fā)生周期性變化(與轉速成正比)，變化的阻值通過外供電源和集成電路的共同作用，最終將其轉化為數字信號并輸出。數字信號波形的頻率由附裝于磁環(huán)的磁鐵極數確定。圖5中為20極型的磁環(huán)，可以產生20個周期的波形(磁環(huán)每轉一圈產生20個脈沖)，當磁力方向根據附于磁環(huán)上的磁鐵的轉動而變化時，則MRE的輸出就成AC波形，傳感器內的比較器將此AC波形轉換成數字信號輸出。

二、轉速傳感器對汽車運行狀態(tài)監(jiān)測示例

在現(xiàn)代汽車的自動變速器維修過程中，很少出現(xiàn)自動變速器嚴重損壞的故障，自動變速器大修作業(yè)也越來越少了，其原因除了是現(xiàn)代自動變速器的質量提升之外，另一個重要原因就是轉速傳感器在其運行過程中的起到了狀態(tài)監(jiān)測及故障預警作用。現(xiàn)代自動變速器控制系統(tǒng)中至少采用三個轉速傳感器。

①發(fā)動機轉速傳感器：用來監(jiān)測發(fā)動機運行狀態(tài)，同時監(jiān)測自動變速器變矩器的輸入轉速(泵輪轉速)。

②變速器輸入轉速傳感器：用來檢測變速器的輸入轉速(變矩器渦輪轉速)，同時與發(fā)動機轉速傳感器信號進行比較來監(jiān)測變矩器中泵輪、渦輪和鎖止離合器三者的工作狀態(tài)。

③變速器輸出轉速傳感器：用來檢測變速器的輸出轉速，同時與變速器輸入傳感器信號進行比較來監(jiān)測變速器動力傳遞過程中傳動比是否準確，進而評價變速器的工作狀態(tài)。

示例一 變矩器工作故障狀態(tài)監(jiān)測

一輛4700Jeep，變速器的型號是545RFE，行駛里程為158,600km。用戶駕駛車輛在正常行駛時，故障燈時而點亮。在出現(xiàn)故障以后，加速不良，變速器進入故障保護模式，尤其在高速行駛過程中故障出現(xiàn)頻繁。

用DRBⅢ檢測出變速器的故障碼為P0740——液力變矩器離合器(TCC)控制電路。設置故障碼的條件：變速器電控液力變矩器離合器(EMCC)工作狀態(tài)，輸入轉速1750r/min，TCC和低速擋/倒擋電磁閥達到最大占空比，不能使發(fā)動機轉速處在輸入速度的60r/min范圍內。另外，當變速器處于EMCC，發(fā)動機與TCC打滑速度大于100r/min并持繼10s。

維修手冊中描述的可能原因：①存在相關故障碼(DTC)P0750線束或插接器間歇性故障；②油液液位不正常；③變速器內部故障(TCC超過范圍)；④低速擋/倒擋電磁閥不工作。

車輛進行常規(guī)的檢查結果：①變速器的油位及顏色均在正常的范圍；②換擋拉線擋位指示正常；③輸入與輸出轉速傳感器插頭插接完好；④變速器電磁閥插接器無異現(xiàn)象(例如：插針腐蝕，退針)；⑤變速器無打滑現(xiàn)象。

清除故障碼后，車輛運行正常。根據用戶反應故障是在高速路上勻速行駛的過程中出現(xiàn)頻繁這一規(guī)律，進行路試并作實測記錄發(fā)現(xiàn)：當車輛行駛擋位升至5擋，車速110km/h勻速行駛，TCC電磁閥處于工作狀態(tài)，發(fā)動機的輸出轉速與變速器的輸入轉速差在50r/min以內，在緩慢加速過程發(fā)現(xiàn)，TCC在保持結合的過程中，發(fā)動機的輸出轉速與變速器的輸入轉速差有時會超過100r/min，同時伴隨發(fā)動機故障燈報警，變速器鎖擋狀態(tài)。

拆卸變速器檢查過程中，發(fā)現(xiàn)變矩器的顏色灰暗，出現(xiàn)過熱變色現(xiàn)象，再仔細觀察變矩器泵輪軸的根部出現(xiàn)高溫過后的烤藍狀態(tài)，根據故障碼及數據流提供的變矩器工作狀態(tài)信息，分析出變矩器由于鎖止離合器工作過程中出現(xiàn)滑轉，造成過熱損壞。通過此案例分析發(fā)現(xiàn)使用轉速傳感器可以對變矩器的工作狀態(tài)，起到了狀態(tài)監(jiān)測和故障預警控制作用。

示例二 發(fā)動機燃油切斷控制

在現(xiàn)代汽車牽引力控制過程中，有一項控制環(huán)節(jié)就是降低發(fā)動機的動力輸出，以達到減小車輛扭矩輸出的目的。

例如，在日產車型中急加速發(fā)動機斷油控制，當擋位從N擋變到D擋時，冷卻液溫度為35℃或更高，車速為8km/h或更低，發(fā)動機轉速為大約2600r/min或更高，所有汽缸燃油供給被切斷。燃油供給將在轉速低于2200r/min時恢復。發(fā)動機燃油切斷控制轉速的設定就是由監(jiān)測車輛運行狀態(tài)的多個轉速傳感器來實現(xiàn)的。通過發(fā)動機轉速傳感器、變速器輸入輸出傳感器、車輪轉速傳感器等轉速傳感器監(jiān)測的信號，根據車輛的總的傳動比及車輪尺寸等信息，計算出車輛在此狀態(tài)下發(fā)動機要求轉速與實際車速間的關系。

(2)固定傳動比與可變傳動比

轉向柱電動助力驅動式系統(tǒng)可分為固定傳動比與可變傳動比的方式，如比亞迪F3DM電動車和普通轎車就裝用固定傳動比電機助力方式，而寶馬轎車的所謂“主動式”助力轉向，用的就是可變傳動比的電機助力系統(tǒng)。普通轎車轉向傳動比一般在(16-18)∶1之間，即在車輛低速行駛時扳動方向盤約16度時，轉向輪可以偏轉1度；而在高速時方向盤需轉動18度才偏轉1度，低速與高速的相差不大。而可變傳動比的轉向系統(tǒng)，如寶馬轎車的轉向系統(tǒng)，轉向的傳動比可在10∶1和20∶1之間變化，這么大的傳動比調節(jié)范圍，使得車輛在倒車進庫或低速行駛時，操縱方向盤更省力輕松，而在高速行駛時，需要轉動方向盤更大的角度轉向輪才能轉向，這可極大的提高行駛的穩(wěn)定性和安全性。

寶馬的所謂“主動式”助力轉向顯然并不是會自動進行轉向的操作，它只是一個輔助性的裝置，轉向還得按駕駛員的操作意圖來實現(xiàn)。

(3)轉向的“波齒輪”減速結構

轉向柱驅動式電動助力轉向裝置現(xiàn)也在高檔豪華車輛上使用，如雷克薩斯LS460系列轎車的轉向系統(tǒng)，就用了一種“波齒輪”可變應力減速方式，豐田車系稱之為“VGRS”，能實現(xiàn)轉向的可變齒輪比，達到極佳的行駛穩(wěn)定性和操控性。圖2表示這種波齒輪減速結構，圖中方向盤帶動紅色剛性的輸入齒轉動，與之并列的剛性綠色齒輪是輸出軸，再接后面的轉向器。中部藍色圓柱體代表驅動電機，它驅動一個外表光滑的橢圓形波形輪，波形輪上活套一個較寬的黑色柔性齒輪，它同時分別與紅色輸入齒及綠色輸出齒相嚙合。由于波形輪呈橢圓形，故黑色柔性齒輪也呈橢圓狀，形成橢圓的長軸齒和短軸齒，從圖中可見只有長軸齒才與紅輸入齒及綠輸出齒嚙合，而短軸齒則不被嚙合。

輸入紅齒有102齒，輸出綠齒有100齒，電機驅動的柔性齒也是100齒，這種不同齒數的特殊齒輪結構，可獲得齒輪的傳動比達51∶1，而且能實現(xiàn)傳動比可變。在轉向控制ECU的作用下，在低速行駛時轉向能實現(xiàn)低減速比，減少駕駛員對方向盤的操控力；中速時可適度提高減速比，使車輛的轉向響應較靈敏；高速時不需要過高的轉向靈敏度，則大幅提高減速比，保證了高速行駛車輛的穩(wěn)定性和安全性。

二、齒條電動轉向驅動式REPS助力系統(tǒng)

圖3所示為齒條電動轉向驅動式助力系統(tǒng)的結構，它由機械與電氣兩部分組成，機械部分主要有齒條軸、轉向驅動小齒輪、循環(huán)滾珠式減速裝置、左右兩邊的橫拉桿及車輪轉向節(jié)等；電氣部分包括助力驅動電機，轉矩傳感器及轉向傳感器、ECU電控模塊、電源變頻裝置及車速傳感器等幾種部件所組成，電機直接安裝在齒條軸上提供助力，形成齒條電機助力式轉向系統(tǒng)。

電動汽車的轉向系統(tǒng)隨車型會有差別，主是是采用不同的轉矩傳感器、不同的驅動電機、不同的布置形式，或采取不同的減速傳動裝置。但電動汽車的轉向系統(tǒng)的基本工作原理是相同的，均是通過轉矩及轉向傳感器，檢測駕駛員操縱方向盤的轉矩大小及轉角方向，并轉化成電信號，傳輸到轉向控制單元ECU進行分析，輸出一個與之相匹配的力矩信號，指令轉向的驅動電機工作，而產生相應的轉向助力作用。

轉矩傳感器反映了駕駛員操縱方向盤轉動的力矩的大小，轉矩傳感器通常有解角式、磁阻式及檢測環(huán)復合式等數種形式，其中解角式轉矩傳感器用得最普遍。圖3中的轉角傳感器是檢測轉向角度及轉動方向用的。

1.解角式轉矩傳感器的結構

解角式轉矩傳感器通常安裝在方向盤轉向柱的中部或下端，串接在方向盤的轉向軸與轉向齒條之間，轉矩傳感器的輸出裝置就是轉向驅動小齒輪，它與齒條直接嚙合使齒條作左右直線運動，通過左右橫拉桿來驅動車輪的轉向節(jié)左右擺動而轉向。顯然轉矩傳感器在電動轉向系統(tǒng)中，是極重要的一個部件，它檢測駕駛員操縱方向盤轉向力矩的大小，并將此力矩轉換成電信號，向轉向控制器ECU傳輸。

圖4是解角式轉矩傳感器的分解圖，圖中部為其轉子總成外形圖，右部圖是其定子結構圖，定子分上下兩層分別嵌有上定子線圈1和下定子線圈2(用紅字標注)。它安裝在轉向器外殼內，是固定不動的，其上有七根不同顏色的細線，向轉向控制單元ECU輸出轉矩信號；定子的內部是轉矩傳感器的轉子，轉子的上端與方向盤軸用花鍵鋼性連接，轉子軸有上下的內外兩層。圖中用紅色線標識轉子線圈1，用蘭色線標識轉子線圈2。兩個定子線圈與兩個轉子線圈在位置上是分別對應的。轉子線圈1是裝在轉子空心軸上，與方向盤同步旋轉。而轉子線圈2則與轉向小齒輪一起旋轉，小齒輪的上部有較細的扭桿，插入空心軸內，細扭桿的上端與空心軸的上端用橫銷相連，有花鍵與方向盤的輸出轉軸連接，隨著方向盤一起轉動。扭桿下端是驅動小齒輪，直接與齒條相嚙合，驅動兩前輪左右擺動而轉向。

2.轉矩傳感器的輸出電壓

轉矩傳感器的輸出電壓反映了駕駛員操縱轉向力矩。當駕駛操縱方向盤轉向時，方向盤軸帶動轉矩傳感器的轉子軸旋轉，轉子軸的空心軸與扭桿軸隨之轉動。空心軸的下端只有轉子線圈1，而沒有其他的負載，所以空心軸完全與方向盤同步旋轉；而靈敏的細扭桿軸下端是驅動小齒輪，它與齒條嚙合以驅動左右前輪擺動。由于輪胎與路面有較大的摩擦力，反映扭桿軸上的驅動齒輪是有載荷阻力的。在這個阻力的作用下，會造成細扭桿產生一定的扭曲形變，扭曲形變量的大小直接反映轉子線圈2與轉子線圈1兩者間產生的“相位差”。兩個轉子線圈的轉角相位差可通過定子的上層和下層的線圈感應，則定子線圈輸出轉向的感應電壓信號到轉向ECU電控模塊，反映了駕駛員操縱方向盤的力矩，故這個裝置稱為轉向的轉矩傳感器。

3.轉向助力電機與減速機構

轉向齒條軸橫置在駕駛室火墻的下方，其外殼內裝有電機，向轉向系統(tǒng)提供助力。電機有直接采取DC直流無刷電機式的，也有用三相永磁無刷電機式的，其共同特點是電機的體積小可直接安裝在轉向器的齒條軸上，轉子的轉動慣量較小，轉向操縱十分靈活，運轉時的噪聲較低，輸出功率高。電機結構的特點如下。

①為減少助力電機的體積和增大電機的輸出功率，有的電機的工作電壓提升到三相交流電30V左右，有的三相交流電壓提升得更高，遠高于蓄電池的電壓，可有效地減小電機運轉時的工作電流。由于電機工作電壓提升的需要，為此必須增加一個電壓提升的電路，以及必須的電源逆變電路來產生三相交流電，供三相驅動電機使用。

②電機的轉子采用永磁材料，為使轉向齒條軸穿過電機的轉子，所以轉子內部是空心的，電機與齒條軸是同軸結構。如圖3所示，電機永磁轉子上還安裝有轉角傳感器的永磁轉子，與之相對應的還有轉角傳感器的定子及其線圈，其信號傳給轉向ECU，反映了實際轉向及角度的大小。

③電機的旋轉運動是通過減速裝置傳給齒條軸的，為高效傳遞轉矩減輕摩擦阻力，并減少運動的噪聲，這里采取了循環(huán)滾珠式的減速裝置，如圖3所示。齒條軸的延伸是滾珠絲杠，外套有滾珠螺母，絲杠與螺母間有循環(huán)流動的滾珠。轉向電機轉子的高速旋轉通過外套的滾珠螺母，形成較大的減速比，并將滑動摩擦轉換成滾動摩擦，摩擦阻力異常輕巧，輕便的傳送給滾珠絲杠，使得齒條軸得以助力，整個轉向系統(tǒng)變得輕便靈活，響應極迅速。

4.齒條平行軸式REPS電動助力轉向系統(tǒng)

齒條驅動式電動助力轉向裝置，有同軸式和平行軸式兩種形式，同軸式REPS輔助系統(tǒng)是指電機的空心軸與轉向器絲杠軸兩者同為一根軸，電機轉子直接驅動絲杠螺母，并將轉矩傳遞給絲杠螺母，絲杠螺母副將旋轉運動轉變成齒條的直線運動。本文前面所述的電機輔助助力系統(tǒng)就是同軸式的。

平行軸式REPS是指轉向器助力電機轉子與轉向器絲杠軸兩者不同軸，而采用平行軸結構，利用皮帶連接電機轉軸和絲杠螺母，滾珠絲杠上的循環(huán)滾珠作為減速機構。平行軸式REPS主要由殼體、驅動電機、滾珠絲桿、輸入齒輪軸總成、扭矩傳感器、ECU和軸承等構成。

現(xiàn)代歐美電動車型中多用平行軸式電動助力轉向，我國新投產的比亞迪“秦牌”混合電動汽車，大眾車系的“邁騰”轎車均采用了這種電動轉向結構，如圖5所示，這種齒條平行軸式REPS系統(tǒng)的驅動部分，與齒條驅動式電動助力轉向裝置一樣，它的轉向絲桿亦是采取十分省力靈活的滾珠結構。

平行軸式電動助力轉向系統(tǒng)的驅動電機，多用永磁式三相交流電機，工作電壓一般與動力電池的電壓相同，但也需要通過變頻器的轉換，將動力電池的直流電壓首先經變頻器逆變?yōu)槿嘟涣麟姾螅俟┙o轉向驅動電機旋轉，使轉向系統(tǒng)得以助力。可參見相關的電動汽車空調或電動汽車驅動系統(tǒng)的變頻器電路，了解其工作原理。

(作者楊樹嶺工作單位：中國北方車輛研究所)