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汽车霍尔传感器广泛用于汽车发动机、底盘、车身控制系统
浏览次数:921发布日期:2023-02-11

摘要:汽车霍尔传感器广泛用于汽车发动机、底盘、车身控制系统,只有掌握其控制原理和检测方法,才能在汽车维修过程中准确诊断故障。文章详细介绍霍尔传感器控制原理,并阐述使用万用表、发光二极管、示波器对霍尔传感器的检测方法,结合汽车维修故障实例,明确检修流程和方法,在汽车维修时可根据检测设备,采用适当的方法,判断霍尔传感器的工作性能是否正常,对汽车诊断维修有一定的指导意义。

关键词:霍尔传感器;控制原理;车身控制系统;汽车电子

0引言

我国汽车产销量已经连续11年位居世界前列,汽车已经进入千家万户,新能源汽车发展也突飞猛进。新能源汽车电子产品向集成化、信息化、网络化、智能化方向发展。新能源汽车是以计算机为控制中心的高度自动化控制系统,系统由传感器、电控单元、执行器组成。随着汽车功能的不断增加,汽车上用于检测角度、加速度、压力、力矩、位置等参数的传感器,随时间变化,转变成电量来进行检测和控制。根据传感器的工作原理区分,常见有三种:磁脉冲式、霍尔式、光电式,霍尔式传感器因具有安装方便、体积小,输出电压信号稳定,并能在灰尘、油污恶劣环境下工作的优点,应用广泛,以下分别从传感器的原理、检测和诊断三个方面阐述,为汽车维修工作提供借鉴。

1霍尔传感器工作原理

霍尔效应:美国物理学家霍尔于1879年在做金属导电性能实验时,验正总结得出电压与电流、磁场强度三者的相互关系。先将一个薄金属基片置于磁场中,在磁场垂直方向给基片通过电流I,受磁场力作用,电荷会产生偏移,垂直于磁场与电流的横向侧面上产生聚集电压,电压与电流和磁场强度成正比,这就是霍尔电压UH,可用公式表示:

UH=RHIB/d

RH为霍尔系数,I为电流,B为磁场强度,d为基片厚度。

金属基片产生的电压比较微弱,后来研究半导体、导电流体,同样具有霍尔效应,而且半导体输出电压更有优势,比金属强得多,利用半导体制成各种霍尔元件,当结构一定且电流为定值时,霍尔电压与磁场强度成正比。目前广泛应用于汽车电子、自动化技术、检测技术及信息处理等方面。

20世纪80年代,电子元件逐渐应用于汽车发动机控制,霍尔元件常用于曲轴和凸轮轴位置传感器,霍尔元件具有开关作用,能够输出数字信号,实现功率晶体管导通与关闭功能,通过脉冲信号数量,能计算曲轴和凸轮轴的旋转速度和运动位置。

将霍尔元件与机械部件结合可以实现机电一体,制作成霍尔电路,其工作原理如图1所示,把只有几个毫伏的微弱电压,经放大后输出较强的电压信号,对三极管控制,达到开关作用。汽车常用叶轮和叶片旋转,切割磁场,控制霍尔电路能输出高低电压。当叶轮叶片运转,通过磁铁和霍尔元件之间的磁场变化,输出霍尔电压,霍尔电压控制电路的输出电压变化,就能判断出曲轴和凸轮轴所处位置,完成点火和喷油正时控制。霍尔传感器特点是需要外加电源才能工作,低转速也能输出稳定的工作电压,通常有触发叶轮式和触发齿轮式两种型式。


2霍尔传感器原理分析与检测

2.1触发叶轮式曲轴位置传感器

在发动机曲轴皮带轮的前端安装传感器,当发动机运转时,触发叶轮的信号转子也随之转动,信号转子外侧分布有若干数量相同的叶轮和缺口。

霍尔信号发生器由磁铁、导磁板和霍尔集成电路三部分组成,可参考图1。发动机运转时,信号转子的触发叶片及缺口旋转,磁铁与霍尔元件的磁场受信号转子作用而变化;当叶片进入时,磁场就被触发叶片所阻止,从霍尔效应分析可知,此时产生电压为零,霍尔集成电路的晶体管截止,从晶体管三个极的工作原理分析,可以得出结论为传感器输出高电压;反之,缺口正对磁铁与霍尔元件时,传感器输出低电压。

2.2触发齿轮式曲轴位置传感器

变速器壳体上加工有安装孔,固定曲轴传感器,曲轴后端飞轮上分布有齿轮形的信号盘,结构如图2所示。以本田

飞度轿车为例,传感器为三线式,其中端子1为电源,端子

2为信号,端子3为地线,传感器头部与信号盘正对。发动机工作,感应头部处于齿轮的槽口时,产生霍尔电压为零,相当于晶体管截止状态,因此传感器输出高电位信号;反之,当感应头部与凸齿正对时,传感器输出低电位信号。因此,发动机连续运转时,传感器产生脉冲电压,发动机ECU对脉冲电压处理,对点火系统及燃油喷射系统控制,保证发动机正常工作。

2.3传感器电压控制

从前面的工作原理分析可知,触发叶轮式和触发齿轮式相似,只是结构有别,现以触发齿轮式为例,说明其检测方法。

(1)凸齿处于霍尔开关IC和磁铁之间时,霍尔开关IC接受磁铁产生的磁场,并产生霍尔电压,霍尔电压经放大后,作用于曲轴位置传感器的晶体管基极,使晶体管集电极导通,发动机ECU的5V基准电压被搭铁。因此,发动机ECU将检测到曲轴位置传感器输出的OV低电位(注意:其实低电位电压并非为OV,因为晶体管导通时,根据晶体管的不同,集电极和发射极会有0.3V或0.7V的压降)。当磁力线通过时,霍尔传感器线路中电流流向和电压输出。

2)槽口经过磁场与霍尔开关IC时,霍尔开关IC没有接受磁铁产生的磁场,霍尔开关IC不能产生霍尔电压,在曲轴位置传感器内的晶体管不导通,发动机ECU的5V基准电压与搭铁线不导通。因此,信号线电压接近5V,就是高电位状态。参照图三分析得知,磁力线被阻挡,晶体管处于截止状态。

(3)连续运转时,因为齿轮随着曲轴一起旋转,通过曲轴位置传感器的输出信号会随着凸齿和槽口不断进行高、低电位的变换,其每分钟的脉冲数目也会随着曲轴的旋转速率变化而变化。因此,通过检测曲轴位置传感器脉冲信号,可以测得转速。发动机连续运转时,传感器输出为连续脉冲信号。

2.4霍尔传感器在实车上的检测

以本田飞度轿车触发齿轮式传感器接线为例,说明检测方法。

(1)工作电压的检测。断开传感器插头,再拧开点火开关,接上万用表,端子1应有12V,若没有,则检查继电器与端子1间的导通性。

(2)参考电压的检测。将传感器插头断开,后将点火开关置于ON,检查端子2与搭铁的电压,应为4.8~5.0V。否则,检查端子2与ECU的导通性,如果导通,则为ECU故障。

(3)搭铁的检查。检查端子3是否与地线导通,若不导通,则检查线束是否断路。

(4)解码器检测。接上元征X-431检测仪,参照维修手册,检测发动机控制系统,如果曲轴位置传感器损坏,则发动机控制单元会存储故障码P0335。

(5)工作输出信号的检测。使用三通连接插头,或在传感器信号线引出一条测量线,在慢慢转动曲轴时,使用万用表电压档进行检测,电压约在0V、5V之间交替变化。

(6)示波器的检测。因霍尔式传感器是一个电子元件控制电路,只从检查电阻难于判断其好坏,因此,较有效办法是在发动机运转时,用示波器检测输出信号波形。依照以上的接线方式,引出端子2信号,连接示波器进行测量,波形为脉冲方波或者查阅维修手册。

(7)用发光二极管检测。发动机工作时,引出端子2信号,并联一支发光二极管试电笔,观察发光二极管的闪烁情况,应有规律地闪烁,否则曲轴位置传感器信号不良。如二极管试灯不闪烁,则应检查2号信号线端子与ECU的导通性。如果导通,则检查2号信号线端子与搭铁间应有5V电压。电压正常则说明是传感器故障,否则是ECU故障。

3霍尔传感器发展趋势

随着汽车技术的不断进步,同时也要求降低汽车制造成本,霍尔式传感器采用二线式代替三线式,一根为电源线,可以为5V或12V,另一根为信号线,输出信号仍为脉冲方波,ECU内部电阻R与传感器信号电压有密切关系,也决定了输出信号的高、低状态数值,因此即使转速很低,输出信号电压也能保证传感器工作需要。在汽车制动系统上逐渐采用二线霍尔式传感器,如丰田汽车在ABS系统的轮速传感器,供给电压为12V,输出信号的高、低电压分别为0.7V

及1.4V。

4案例分析

为了更好理掌握尔传感器的检测方法,现结合案例分析。

(1)飞度轿车不能起动。在我校汽车学院有位年轻教师利用2017款本田飞度轿车开展车身电器项目实训,下课时恢复实训车辆原来状态,但车辆没法起动,该教师和学生花了1个多小时,仍未找到原因,请求我帮助。我首先用解码器检测读取故障码,共有超过10个故障码,应为做实训时带电拔插传感器留下的故障码,应先消码,再打起动机,读取故障码为P0335,经检查后发现为曲轴位置传感器因为反复拔插,插头端子松动,导致传感器与插头接触不良,经处理插头后,发动机能正常工作。

(2)大众奥迪,行车死火。曾经维修过一台2013年奥迪A6,根据车主反映,该车辆在行驶时突然抖动明显,停车后再发动,无法工作,只能拖车进厂。

用汽车维修检测电脑检查,显示“发动机转速信号不可靠"。先曲轴位置传感器插头,未发现异常,打马达时,用示波器检测曲轴位置传感器输出信号,发现输出波形有一个信号异常,怀疑信号盘有问题,用内窥镜观察曲轴位置传感器信号盘,发现信号盘缺了一个齿,为何会缺齿?带着疑问拆解发动机。原来第三缸活塞连杆变形,影响曲轴不规则运转,导致这一个齿损坏。经更换活塞、连杆、曲轴,装复发动机工作正常。

5安科瑞霍尔传感器产品选型

5.1产品介绍

霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换,通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD、DSP、PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集和接受,响应时间快,电流测量范围宽精度高,过载能力强,线性好,抗干扰能力强。适用于电流监控及电池应用、逆变电源及太阳能电源管理系统、直流屏及直流马达驱动、电镀、焊接应用、变频器,UPS伺服控制等系统电流信号采集和反馈控制。


5.2产品选型

5.2.1开口式开环霍尔电流传感器

表1

5.2.2闭口式开环霍尔电流传感器


6小结

霍尔传感器因输出信号电压幅值只有高低两个电位,响应性好,在汽车电子控制上有取代磁脉冲式的趋势。在职业教学,首先结合信息化手段突破工作原理的难点,采用理实一体化模式教学,注重在实车上的检测方法,在实训教学上就会得心应手,解决实训设备在高频率使用时损坏的问题。通过教师带领学生排除故障的实践,从工作原理入手,分析电路图,选择适当的工具和设备,记录检测数据,对照维修标准,进行逻辑推理,确定故障部位。

【参考文献】

[1]严景明.郑军龙.浅谈汽车电子系统霍尔传感器的控制原理和检测方法.汽车实用技术.2021-07-30.

[2]黄昭明.汽车发动机电控系统检测与维修[M].长春:吉林大学出版社.2017.

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.6版.



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