曲軸位置傳感器信號(hào)精度的研究

顧潔，趙校偉（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海201201）

曲軸位置傳感器信號(hào)精度的研究

顧潔，趙校偉
（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海201201）

曲軸位置傳感器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)上止點(diǎn)的探測(cè)是發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)，了解曲軸傳感器的信號(hào)精度尤為重要。本文簡(jiǎn)要介紹了數(shù)字式曲軸位置傳感器的工作原理，分析了數(shù)字式曲軸位置傳感器的信號(hào)精度產(chǎn)生的原因、影響因素和測(cè)試、修正方法。

曲軸位置傳感器 信號(hào)精度 信號(hào)輪

1　概述

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸位置傳感器用于監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)位置和轉(zhuǎn)速，并把曲軸的角度位置轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出給發(fā)動(dòng)機(jī)的控制器，用于控制發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火時(shí)刻及噴油時(shí)刻等參數(shù)。曲軸位置傳感器通常還會(huì)與凸輪軸位置傳感器一起使用，一方面在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)與凸輪軸傳感器信號(hào)進(jìn)行同步，發(fā)動(dòng)機(jī)開始噴油及點(diǎn)火；另一方面與凸輪軸位置傳感器配合以識(shí)別活塞運(yùn)行及發(fā)動(dòng)機(jī)相位關(guān)系，并對(duì)配置有可變正時(shí)系統(tǒng)的相位進(jìn)行位置反饋。凸輪軸和曲軸信號(hào)所提供的相位基準(zhǔn)是傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制體系的基礎(chǔ)。

位置傳感器類型按照輸出信號(hào)類型分為模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)兩大類。模擬信號(hào)主要是磁電傳感器，數(shù)字類主要包含霍爾效應(yīng)傳感器和磁阻傳感器。本文主要闡述了應(yīng)用較廣的數(shù)字類傳感器的輸出特性和信號(hào)精度。

2　曲軸位置傳感器及信號(hào)輪工作原理

數(shù)字式曲軸位置傳感器結(jié)構(gòu)一般主要包括接插件，密封圈，外殼及安裝在殼體內(nèi)的帶有感應(yīng)元件的集成芯片、電路板及磁鐵，如圖1所示。信號(hào)輪目前主流設(shè)計(jì)一般是帶有機(jī)械齒型或者無機(jī)械齒但經(jīng)過磁化處理的兩種設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖1　曲軸位置傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　帶齒和不帶齒的信號(hào)輪示意圖

當(dāng)把通有電流的金屬棒放置在垂直于它的平面的磁場(chǎng)中時(shí)，在棒子的兩端便有電勢(shì)差產(chǎn)生。曲軸信號(hào)輪裝配在曲軸上，當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，安裝在曲軸上的信號(hào)輪隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。信號(hào)輪齒在進(jìn)入磁場(chǎng)區(qū)域、處于磁場(chǎng)區(qū)域中及離開磁場(chǎng)時(shí)，在通電的傳感器回路中產(chǎn)生周期性的感應(yīng)電壓，并經(jīng)過信號(hào)處理后輸出到控制器進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)算及控制。常用的傳感器設(shè)計(jì)一般集成有2個(gè)感應(yīng)元件S1和S2，見圖3（a）［1］。S1和S2的中心線穿過信號(hào)輪齒中心線。S1和S2與信號(hào)輪的相對(duì)位置不同會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生如圖3（b）所示的不同的感應(yīng)電壓曲線V1和V2，差分輸出（V1-V2）可以得到圖3（c）的差分輸出曲線。為更容易地識(shí)別和判斷齒和槽的位置，對(duì)曲線的波峰和波谷可設(shè)置固定的高電平和低電平門檻限值，即得到與機(jī)械齒的齒頂及齒槽相對(duì)應(yīng)的高電平和低電平信號(hào)輸出曲線，見圖3（d）。

圖3　信號(hào)感應(yīng)原理

圖4　信號(hào)波形圖

目前信號(hào)輪齒數(shù)較多采用（60-2）齒的設(shè)計(jì)，即包含了58個(gè)小齒形和2個(gè)缺齒。其中一個(gè)小齒形包括了齒頂和齒槽部分，角度為6℃A，2個(gè)缺齒為12℃A。信號(hào)輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈產(chǎn)生如圖4所示的波形圖：58個(gè)小齒型波形信號(hào)和1個(gè)大齒缺的信號(hào)。

3　信號(hào)精度定義及影響精度的因素

3.1信號(hào)精度定義

曲軸位置傳感器所輸出的上升沿或下降沿的信號(hào)與曲軸信號(hào)輪的機(jī)械齒或磁性齒實(shí)際位置的角度差異稱為信號(hào)精度。可覆蓋各種極限條件下的信號(hào)精度稱為完全信號(hào)精度。之所以電子信號(hào)與機(jī)械結(jié)構(gòu)間產(chǎn)生差異是由于磁場(chǎng)的空間分布與機(jī)械齒邊沿并不會(huì)重合，如當(dāng)機(jī)械齒邊沿在即將進(jìn)入傳感器區(qū)域之前時(shí)，可能已經(jīng)在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生了感應(yīng)電壓，在機(jī)械齒邊沿剛離開傳感器區(qū)域后，磁場(chǎng)作用還存在，還會(huì)存在感應(yīng)電壓，因此電信號(hào)與機(jī)械齒位置并不會(huì)完全重合，總是有信號(hào)偏差。

3.2信號(hào)精度影響因素

傳感器信號(hào)精度受很多因素的影響，主要為下列因素。

（1）如圖3（a）所示，傳感器內(nèi)部感應(yīng)元件S1及S2中心線與信號(hào)輪齒的中心線的相對(duì)位置公差會(huì)產(chǎn)生固定的信號(hào)精度偏差。為了改善傳感器的防抖性能，降低模擬信號(hào)的噪音，提高信號(hào)的信噪比，一般傳感器芯片電路都會(huì)內(nèi)置低通濾波器，該濾波器會(huì)造成固定的微秒級(jí)別的信號(hào)延遲。以10 μs延遲為例說明其對(duì)精度的影響，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，如600 r/min，10μs時(shí)間的延遲帶來的精度偏差約為0.05°；當(dāng)轉(zhuǎn)速上升至6 000 r/min時(shí)，該延時(shí)帶來的精度誤差則增大為0.6°。

（2）信號(hào)輪直徑大小也會(huì)影響信號(hào)的角度偏差，同樣的安裝偏差Δx下，信號(hào)輪徑D越大，產(chǎn)生的角度偏差θ越小，參見圖5。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合安裝布置、信號(hào)輪類型等綜合考量，選擇合適的信號(hào)輪直徑。

圖5　信號(hào)輪直徑對(duì)精度的影響

（3）傳感器與信號(hào)輪之間的空氣間隙z是傳感器設(shè)計(jì)安裝布置的重要因素之一，如間隙大到一定程度信號(hào)精度會(huì)明顯變差，甚至?xí)霈F(xiàn)探測(cè)不到的情況。此外，產(chǎn)品批量制造時(shí)公差因素及與發(fā)動(dòng)機(jī)其它部件之間配合安裝公差都會(huì)影響到精度，如圖6所示。

除了以上因素，環(huán)境因素主要是溫度方面也會(huì)對(duì)精度產(chǎn)生一定的影響，需要考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)艙或機(jī)油溫度會(huì)在-40℃到150℃之間變化。

4　信號(hào)精度測(cè)試

為了獲得比較理想的信號(hào)精度，在進(jìn)行傳感器及信號(hào)輪的初始設(shè)計(jì)時(shí)就需要考慮上述的各種影響因素。初始設(shè)計(jì)主要包括傳感器芯片選型；信號(hào)輪類型、直徑、齒型的設(shè)計(jì)；以及二者相對(duì)安裝方式及位置，當(dāng)這些設(shè)計(jì)參數(shù)確定了之后，濾波延遲、感應(yīng)元件位置偏差及信號(hào)輪直徑的偏差影響已基本確定。要獲得準(zhǔn)確的精度數(shù)據(jù)，可基于初始設(shè)計(jì)制造小批量的樣品并通過傳感器信號(hào)測(cè)試臺(tái)調(diào)整二者相對(duì)安裝位置對(duì)信號(hào)精度的影響。

圖6　安裝公差示意圖

4.1測(cè)試工況

選擇了30件某數(shù)字傳感器樣品和直徑為140 mm的58（60-2）齒的沖壓成型信號(hào)輪進(jìn)行精度測(cè)試［2］。測(cè)試需覆蓋下列各種條件：

（1）間隙z：間隙范圍0.1mm～1.5mm，名義間隙0.8mm；

（2）環(huán)境溫度t：-40℃～150℃；

（3）轉(zhuǎn)速傳感器安裝偏差：x和y方向位置偏差為±1.5mm，角度偏差α為±8°，β和γ為±3°。

將以上各個(gè)測(cè)試工況點(diǎn)進(jìn)行組合形成若干組測(cè)試工況，每個(gè)傳感器在各工況下依次進(jìn)行測(cè)試，每次測(cè)試信號(hào)輪轉(zhuǎn)速按照20、500、1 000、2 000、4 000、6 000和8 000 r/min設(shè)置，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。

4.2信號(hào)精度測(cè)試結(jié)果

圖7中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為一個(gè)復(fù)合測(cè)試工況下（覆蓋了第4.1小節(jié)中溫度變化，轉(zhuǎn)速變化，安裝間隙變化等）的30個(gè)樣品的平均精度數(shù)值，分析空氣間隙z的變化影響，發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)間隙內(nèi)該傳感器的精度差異并不明顯。

圖7　不同空氣間隙下的精度差異

圖8中的曲線為轉(zhuǎn)速傳感器在各種測(cè)試工況下的信號(hào)精度隨轉(zhuǎn)速變化的曲線，其中每條曲線反映一種測(cè)試工況。由于試驗(yàn)方案較多，圖8中沒有繪制出全部曲線，僅列出有代表性的4根曲線，以說明這些工況對(duì)傳感器讀數(shù)精度的影響。方案N的測(cè)試條件為室溫條件、空氣間隙為名義值且安裝公差均為0，方案B與方案N主要差異是B設(shè)定了三個(gè)垂直方向的安裝偏差。方案X與方案V均設(shè)置為最大空氣間隙、最大安裝角度偏差，主要差異是溫度不同：X為150°，V為-40°。從曲線可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增大，信號(hào)精度的偏差逐漸增大，這主要與之前介紹的濾波延遲的影響密切相關(guān)。方案B與方案N約0.05°差異，方案X與方案V最大時(shí)有0.2°的差異，可見三個(gè)垂直方向的安裝偏差、溫度對(duì)精度都有一定的影響。

圖8　精度隨轉(zhuǎn)速變化曲線

圖9和圖10分別是1 000 r/min和6 000 r/min時(shí)，30個(gè)測(cè)試樣品在27種組合工況下的810個(gè)信號(hào)精度測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分布的結(jié)果，橫坐標(biāo)為精度數(shù)值，縱坐標(biāo)為精度數(shù)值出現(xiàn)的頻次，在1 000 r/min時(shí)分布均值為0.599°，在6 000 r/min時(shí)分布均值為1.342°。

圖9　1 000 r/m in時(shí)信號(hào)精度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

圖10　6 000 r/m in時(shí)信號(hào)精度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

完成所有傳感器樣品測(cè)試后，按照20 r/min到8 000 r/min的轉(zhuǎn)速，依次對(duì)各轉(zhuǎn)速下的精度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，即可以獲得不同測(cè)試轉(zhuǎn)速下平均精度的分布曲線圖，參見圖11。

圖11　各個(gè)轉(zhuǎn)速下的平均精度

4.3信號(hào)精度的影響

獲得了準(zhǔn)確的完全精度后有什么實(shí)際意義呢？對(duì)于電子控制系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器依靠輸入的電子信號(hào)來識(shí)別曲軸的位置，并進(jìn)行點(diǎn)火和噴油等參數(shù)控制。可見收到的電子信號(hào)與實(shí)際的機(jī)械位置差異對(duì)控制的精確度是有影響的，如果信號(hào)精度偏差過大，會(huì)造成信號(hào)探測(cè)到的上止點(diǎn)與缸壓傳感器探測(cè)的實(shí)際氣缸壓力最高點(diǎn)不一致，也會(huì)對(duì)點(diǎn)火角及噴油時(shí)刻有影響，特別是增壓發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火角偏差會(huì)對(duì)扭矩輸出比自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)更為敏感，如果偏差較大可能會(huì)影響扭矩輸出。

某機(jī)型采用傳感器A時(shí)，示波器采集傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)反映的上止點(diǎn)（第14齒下降沿）與缸壓曲線采集的最大氣缸壓力點(diǎn)十分吻合；而更換為傳感器B時(shí)，由于B的精度特性與A不同，出現(xiàn)了上止點(diǎn)與最大氣缸壓力點(diǎn)發(fā)生了0.5°左右的偏差，這會(huì)對(duì)點(diǎn)火角控制精度產(chǎn)生影響，如圖12和圖13所示［3］。

圖12　使用傳感器A時(shí)上止點(diǎn)與缸壓一致

圖13　使用傳感器B時(shí)上止點(diǎn)與缸壓產(chǎn)生偏移

4.4測(cè)量信號(hào)精度的意義

經(jīng)過設(shè)計(jì)分析及測(cè)試，雖然知道測(cè)量精度的誤差無法完全消除，但通過測(cè)試獲得了其準(zhǔn)確的精度數(shù)據(jù)依然有著很重要的意義。對(duì)于電子控制系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器依靠輸入的電子信號(hào)來識(shí)別曲軸的位置并進(jìn)行點(diǎn)火和噴油等參數(shù)控制，如果信號(hào)精度偏差過大會(huì)造成信號(hào)探測(cè)到的上止點(diǎn)與實(shí)際缸壓最高點(diǎn)不一致；進(jìn)而會(huì)對(duì)點(diǎn)火角及噴油時(shí)刻有影響，特別是增壓發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火角偏差對(duì)扭矩輸出的影響會(huì)比自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)更為敏感，如果偏差較大會(huì)對(duì)扭矩輸出有顯著影響。通過對(duì)傳感器產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試統(tǒng)計(jì)產(chǎn)生傳感器的精度數(shù)據(jù)后，可將圖11中的精度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系輸入發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，通過控制系統(tǒng)軟件的處理對(duì)傳感器的精度偏差進(jìn)行統(tǒng)一的補(bǔ)償，以避免產(chǎn)品控制出現(xiàn)大的偏差，可以使得控制更為精準(zhǔn)。

5　小結(jié)

通過對(duì)曲軸位置傳感器精度偏差因素的分析及測(cè)試，可得出如下的結(jié)論：

（1）信號(hào)精度產(chǎn)生因素主要包含感應(yīng)元件偏差、濾波延遲偏差、信號(hào)輪直徑、空氣間隙及溫度和其他安裝偏差，在設(shè)計(jì)初期即應(yīng)盡可能減少以上偏差。

（2）通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試證實(shí)濾波延遲偏差因?yàn)楣潭〞r(shí)間的延遲，在高轉(zhuǎn)速下影響更為明顯；在設(shè)計(jì)的空氣間隙內(nèi)（0.1mm～1.5mm），傳感器精度差異不大。

（3）通過試驗(yàn)可獲得傳感器精度隨轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)表。將該表輸入到控制系統(tǒng)中，通過控制軟件對(duì)精度偏差進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)置，以優(yōu)化批量產(chǎn)品的上止點(diǎn)探測(cè)偏差，提升發(fā)動(dòng)機(jī)基本相位角度的控制精度。

［1］ObaN，Kondo K，KuroyanagiS，etal.Cam and Crank Rotation Sensorw ith Reverse Rotation Detection［C］.SAE 2006-01-1460.

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AResearch ofCrank Position Sensor SignalAccuracy

Gu Jie，Zhao Xiaowei
（Pan Asia Technical Automotive Center Co.，Ltd.，Shanghai201201，China）

Eng ine TDC position detected by crankshaft position sensor is a basis of Engine Management System（EMS）.So knowledge of crank position sensoraccurately is important forus.The article introduces work principleand signalaccuracy toleranceof the digitalcrank position sensor.Itanalysis where accuracy tolerance come from and what is effect of tolerance.The accuracy tolerance testmethod and tolerance compensationmethod by software is introduced.

crankshaftposition sensor，signalaccuracy，triggerwheel

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.02.005

來稿日期：2015-11-25

顧潔（1980-），女，碩士，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)。