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

摘 要：作為發(fā)動(dòng)機(jī)的判缸信號(hào)，凸輪軸位置傳感器出現(xiàn)故障會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)及動(dòng)力性能產(chǎn)生一定的影響，針對(duì)這樣的問題，選取典型的以霍爾效應(yīng)為基本原理的凸輪軸位置傳感器進(jìn)行深入的故障診斷研究，先是分析其作用和霍爾開關(guān)電路，然后針對(duì)邁騰B8轎車出現(xiàn)的起動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)具體故障，構(gòu)建了環(huán)環(huán)相扣的診斷思路，最后找到故障點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常起動(dòng)。該傳感器的故障診斷研究為汽車工程技術(shù)人員提供了排除同類凸輪軸位置傳感器故障的具體分析思路。

關(guān)鍵詞：凸輪軸位置傳感器 霍爾效應(yīng) 故障診斷

Research on Fault Diagnosis of Camshaft Position Sensor Based on Hall Effect

Lv Kai Li Haigang Huang Dajiang Zhang Mingxing

Abstract：As the cylinder judgment signal of the engine， the failure of the camshaft position sensor will have a certain impact on the starting and dynamic performance of the engine. In response to such a problem， a typical camshaft position sensor based on the Hall Effect is selected to conduct in-depth fault diagnosis research， firstly analyzes its function and Hall switch circuit， and then constructs a chain-linked diagnosis idea for the specific fault of the Magotan B8 sedan with prolonged start-up time， and finally finds the fault point and realizes the normal start of the engine. The fault diagnosis research of this sensor provides a specific analysis idea to eliminate the faults of similar camshaft position sensors for automotive engineers and technicians.

Key words：camshaft position sensor? Hall Effect? fault diagnosis

當(dāng)前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電控化程度愈來愈高，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?，該傳感器也被稱為氣缸識(shí)別傳感器[1]。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)

霍爾效應(yīng)作為凸輪軸位置傳感器的理論基礎(chǔ)，它是怎樣的一種物理現(xiàn)象呢？霍爾效應(yīng)是指當(dāng)電流I通過處于磁場(chǎng)中的霍爾元件且電流方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，在磁場(chǎng)力的作用下，霍爾元件的另一側(cè)面上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)垂直于電流與磁場(chǎng)方向的電壓，大小與電流和磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，這個(gè)電壓就是霍爾電壓。采集到的霍爾電壓為：U/R/IB，公式中，R為霍爾系數(shù);d為基片厚度;I為電流;B為磁場(chǎng)強(qiáng)度。

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]。

2.2 工作原理

霍爾開關(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)的過程中，會(huì)不斷的改變永久磁鐵通過霍爾元件的磁通量，使霍爾元件周期性的產(chǎn)生霍爾電壓，以此來標(biāo)記凸輪軸的位置[3]。但產(chǎn)生的霍爾電壓值一般很小，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU無法直接使用。為此，霍爾元件的設(shè)計(jì)應(yīng)能使霍爾電壓打開和關(guān)閉功率晶體管，再經(jīng)過內(nèi)部的放大、補(bǔ)償及穩(wěn)壓電路，形成穩(wěn)定的霍爾開關(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。

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[4]。

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，打開點(diǎn)火開關(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，該故障無法消除。

3.2 故障分析

經(jīng)過對(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松動(dòng)，由此可判斷常規(guī)層面無異常。結(jié)合起動(dòng)過程分析可知，該車接通點(diǎn)火開關(guān)時(shí)能正常點(diǎn)火起動(dòng)，說明防盜系統(tǒng)沒有問題，并且起動(dòng)機(jī)及控制電路無異常;起動(dòng)時(shí)間雖有所延長(zhǎng)，但起動(dòng)后運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，說明點(diǎn)火和噴油正常;儀表盤其他模塊無異常顯示，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[5]。

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)流均無異常，執(zhí)行清除命令無法清除此故障代碼，表明凸輪軸位置傳感器有故障[6]。

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。在打開點(diǎn)火開關(guān)，不起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，J623通過T105/79端子給傳感器T3t/2提供5V參考電壓，在起動(dòng)過程中，由于霍爾開關(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)[7]。

3.4 逐項(xiàng)測(cè)試

（1）電源線的檢測(cè)：在打開點(diǎn)火開關(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。

（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，說明信號(hào)輸入有異常，進(jìn)行下一步檢測(cè)。

（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，說明信號(hào)線斷路。

（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，否則說明存在問題。經(jīng)過測(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[8]。

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)[9]。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。

項(xiàng)目：2021年度院級(jí)《汽車傳感器》精品在線開放課程建設(shè)項(xiàng)目。

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