基于霍爾效應(yīng)的凸輪軸位置傳感器的故障診斷研究

呂凱 李海崗 黃大江 張明星

包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 車輛工程系 內(nèi)蒙古包頭市 014035

當(dāng)前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電控化程度愈來(lái)愈高，傳感器作為電控系統(tǒng)的信號(hào)輸入部分，承擔(dān)著采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、溫度、壓縮上止點(diǎn)位置等各種實(shí)時(shí)工況信息的重要任務(wù)，為優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能提供了精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐。凸輪軸位置傳感器肩負(fù)著采集壓縮上止點(diǎn)信號(hào)的艱巨任務(wù)，如果出現(xiàn)問(wèn)題，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生起動(dòng)困難，加速不良等異常現(xiàn)象，為準(zhǔn)確地排除該傳感器的故障，選取邁騰B8 轎車上采用的霍爾效應(yīng)式傳感器進(jìn)行更為系統(tǒng)的故障診斷研究。

1 凸輪軸位置傳感器的作用

點(diǎn)火過(guò)程作為電控發(fā)動(dòng)機(jī)的主要沖程，能否實(shí)現(xiàn)順利點(diǎn)火取決于各種因素，其中頗為重要的一個(gè)影響因素就是凸輪軸位置傳感器采集的判斷壓縮上止點(diǎn)位置的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)相互配合共同決定了汽油機(jī)點(diǎn)火的時(shí)刻，正因?yàn)槿绱耍搨鞲衅饕脖环Q為氣缸識(shí)別傳感器。依據(jù)不同的物理原理，凸輪軸位置傳感器被劃分為霍爾式、磁電式、磁阻式和光電式，因霍爾式傳感器性能優(yōu)良，所以在電控發(fā)動(dòng)機(jī)上被廣泛地使用。

2 霍爾式凸輪軸位置傳感器的理論基礎(chǔ)及工作原理

2.1 理論基礎(chǔ)

由公式可知，被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速度不會(huì)影響霍爾電壓的產(chǎn)生，因此在低速和高速下都具有良好的特性，能完全滿足汽車由靜止到起動(dòng)后各轉(zhuǎn)速狀態(tài)下對(duì)于凸輪軸信號(hào)的采集，因而被廣泛采用。

2.2 工作原理

霍爾開(kāi)關(guān)電路、永久磁鐵、信號(hào)轉(zhuǎn)子組合在一起構(gòu)成了霍爾式凸輪軸位置傳感器，其核心部分是霍爾開(kāi)關(guān)電路。當(dāng)凸輪軸在帶動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，會(huì)不斷的改變永久磁鐵通過(guò)霍爾元件的磁通量，使霍爾元件周期性的產(chǎn)生霍爾電壓，以此來(lái)標(biāo)記凸輪軸的位置。但產(chǎn)生的霍爾電壓值一般很小，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU 無(wú)法直接使用。為此，霍爾元件的設(shè)計(jì)應(yīng)能使霍爾電壓打開(kāi)和關(guān)閉功率晶體管，再經(jīng)過(guò)內(nèi)部的放大、補(bǔ)償及穩(wěn)壓電路，形成穩(wěn)定的霍爾開(kāi)關(guān)電路，如圖1 所示。這樣就能夠輸出穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)，供發(fā)動(dòng)機(jī)電腦進(jìn)行精確的計(jì)算。

圖1 霍爾開(kāi)關(guān)電路

分析圖1 可知，霍爾傳感器一般包括電源線、信號(hào)線和接地線，這三根線會(huì)連接到發(fā)動(dòng)機(jī)ECU 的對(duì)應(yīng)端子，其中電源線上存在12V 的工作電壓，這個(gè)電壓是由發(fā)動(dòng)機(jī)ECU 提供的；信號(hào)線由電腦內(nèi)部提供5V 的參考電壓，它與接地線配合會(huì)產(chǎn)生5V 高電平和0V 低電平互相交替的脈沖波形，源源不斷地把凸輪軸轉(zhuǎn)速信號(hào)傳輸給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU。

3 具體故障案例分析

3.1 故障現(xiàn)象

一輛2019 款大眾邁騰B8 轎車，行駛2 萬(wàn)公里后，打開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)時(shí)，儀表燈能正常點(diǎn)亮，發(fā)動(dòng)機(jī)可以點(diǎn)火起動(dòng)，但起動(dòng)時(shí)間略有延長(zhǎng)，起動(dòng)后運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，儀表盤發(fā)動(dòng)機(jī)EPC 燈點(diǎn)亮，經(jīng)多次試車，該故障無(wú)法消除。

3.2 故障分析

經(jīng)過(guò)對(duì)該車做常規(guī)檢查，發(fā)現(xiàn)冷卻液、機(jī)油液位正常；蓄電池電壓正常；發(fā)動(dòng)機(jī)艙各線束及插接件連接正常無(wú)松動(dòng)，由此可判斷常規(guī)層面無(wú)異常。結(jié)合起動(dòng)過(guò)程分析可知，該車接通點(diǎn)火開(kāi)關(guān)時(shí)能正常點(diǎn)火起動(dòng)，說(shuō)明防盜系統(tǒng)沒(méi)有問(wèn)題，并且起動(dòng)機(jī)及控制電路無(wú)異常；起動(dòng)時(shí)間雖有所延長(zhǎng)，但起動(dòng)后運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，說(shuō)明點(diǎn)火和噴油正常；儀表盤其他模塊無(wú)異常顯示，但發(fā)動(dòng)機(jī)EPC 燈常亮，由此考慮故障大概可能在以下幾個(gè)方面：1.發(fā)動(dòng)機(jī)電腦存在故障。2.傳感器及控制線路故障。3.其他機(jī)械故障。

連接汽車故障診斷儀對(duì)該車做進(jìn)一步的故障診斷，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元J623,讀取故障代碼，顯示代碼為P036800，凸輪軸位置傳感器過(guò)大信號(hào)。起動(dòng)車輛怠速運(yùn)行，查看發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)流，發(fā)現(xiàn)噴油、點(diǎn)火、轉(zhuǎn)速、機(jī)械系統(tǒng)數(shù)據(jù)流均無(wú)異常，執(zhí)行清除命令無(wú)法清除此故障代碼，表明凸輪軸位置傳感器有故障。

3.3 工作電路

圖2 為邁騰B8 轎車霍爾傳感器G300的電路圖，分析圖2可知：由J623 的T105/80 端子供給5V 電源到傳感器的T3t/1 端子，經(jīng)過(guò)傳感器內(nèi)部的霍爾元件后，由傳感器的T3t/3 端子到J623 的T105/78 端子搭鐵構(gòu)成回路。在打開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)，不起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，J623 通過(guò)T105/79 端子給傳感器T3t/2 提供5V 參考電壓，在起動(dòng)過(guò)程中，由于霍爾開(kāi)關(guān)電路的特性，5V 參考電壓被周期的拉低，J623 的T105/79 端子會(huì)檢測(cè)到一個(gè)0V 和5V 周期性變化的方波信號(hào)。

圖2 邁騰B8 轎車霍爾傳感器G300的電路圖

3.4 逐項(xiàng)測(cè)試

（1）電源線的檢測(cè)：在打開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)或起動(dòng)的情況下，用萬(wàn)用表檢測(cè)傳感器線束T3t/1 端子的電壓，應(yīng)為5V 左右。若有異常，則對(duì)J623 的T105/80 端子到T3t/1 端子的線束做導(dǎo)通性測(cè)試，故障分析參照表1。此處實(shí)測(cè)為5V。

表1 傳感器電源線故障分析表

（2）信號(hào)線（電腦端）的檢測(cè)：起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，用示波器檢測(cè)J623 的T105/79端子對(duì)地波形，正常情況可測(cè)得0 到5V 方波信號(hào)，否則說(shuō)明有故障存在，故障分析參照表2。此處實(shí)測(cè)為一條5V 直線，說(shuō)明信號(hào)輸入有異常，進(jìn)行下一步檢測(cè)。

表2 信號(hào)線（電腦端）故障分析表

（3）信號(hào)線（傳感器端）的檢測(cè)：檢測(cè)G300 端T3t/2 端子對(duì)地波形，發(fā)動(dòng)機(jī)保持運(yùn)行，正常情況可測(cè)得0 到5V 方波信號(hào)，否則說(shuō)明有故障存在，故障分析參照表3。此處實(shí)測(cè)為一條0V 直線，說(shuō)明信號(hào)線斷路。

表3 信號(hào)線（傳感器端）故障分析表

（4）接地線的檢測(cè)：檢測(cè)G300 傳感器T3t/3 端子搭鐵情況，對(duì)地電阻應(yīng)低于規(guī)定值，實(shí)測(cè)良好。

（5）線束端對(duì)端檢測(cè)：關(guān)閉點(diǎn)火開(kāi)關(guān)，拔 下J623 的T105 插 頭 和G300 的T3t 插頭，對(duì)三條線束進(jìn)行端對(duì)端檢測(cè)，電阻值應(yīng)小于規(guī)定值，否則說(shuō)明存在問(wèn)題。經(jīng)過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，霍爾傳感器G300 的T3t/2 至發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元J623 的T105/79 之間的線路存在斷路，恢復(fù)線路連接，重新試車，EPC 燈熄滅，故障排除。

4 結(jié)語(yǔ)

以2019 款大眾邁騰B8 轎車出現(xiàn)的起動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)故障為切入點(diǎn)，通過(guò)縝密的分析鎖定故障點(diǎn)在凸輪軸位置傳感器上，深入分析該傳感器的工作電路后確定了電源線、信號(hào)線和接地線的測(cè)試方法并尋找到具體故障點(diǎn)，成功排除該車發(fā)動(dòng)機(jī)的故障。該傳感器的故障分析思路可適用于其他車型同類傳感器的測(cè)試，但需要考慮下列情況：

1.對(duì)不同的車型，傳感器在控制邏輯中所起得作用略有不同，若凸輪軸位置傳感器出現(xiàn)異常，有的車型會(huì)出現(xiàn)不能起動(dòng)或起動(dòng)困難等較嚴(yán)重的故障現(xiàn)象，有的車型僅是出現(xiàn)起動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)等較輕微的故障現(xiàn)象，在實(shí)際檢測(cè)中要結(jié)合具體故障進(jìn)行具體分析。

2.電控發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火時(shí)刻通常發(fā)生于壓縮上止點(diǎn)位置附近，精確的確定這個(gè)位置不僅需要提供曲軸位置信號(hào)，同時(shí)還需要提供凸輪軸位置信號(hào)，當(dāng)這兩個(gè)信號(hào)互相配合傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU 時(shí)才能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)地點(diǎn)火以確保發(fā)動(dòng)機(jī)順利起動(dòng)。所以研究這兩個(gè)信號(hào)的關(guān)聯(lián)性，對(duì)于分析凸輪軸位置傳感器的故障具有重要的應(yīng)用價(jià)值。