基于霍尔效应的凸轮轴位置传感器的故障诊断研究

吕凯 李海岗 黄大江 张明星

包头职业技术学院 车辆工程系 内蒙古包头市 014035

当前汽车发动机电控化程度愈来愈高，传感器作为电控系统的信号输入部分，承担着采集发动机转速、负荷、温度、压缩上止点位置等各种实时工况信息的重要任务，为优化发动机的各项性能提供了精准的数据支撑。凸轮轴位置传感器肩负着采集压缩上止点信号的艰巨任务，如果出现问题，会使发动机产生起动困难，加速不良等异常现象，为准确地排除该传感器的故障，选取迈腾B8 轿车上采用的霍尔效应式传感器进行更为系统的故障诊断研究。

1 凸轮轴位置传感器的作用

点火过程作为电控发动机的主要冲程，能否实现顺利点火取决于各种因素，其中颇为重要的一个影响因素就是凸轮轴位置传感器采集的判断压缩上止点位置的信号，这个信号与发动机转速信号相互配合共同决定了汽油机点火的时刻，正因为如此，该传感器也被称为气缸识别传感器。依据不同的物理原理，凸轮轴位置传感器被划分为霍尔式、磁电式、磁阻式和光电式，因霍尔式传感器性能优良，所以在电控发动机上被广泛地使用。

2 霍尔式凸轮轴位置传感器的理论基础及工作原理

2.1 理论基础

由公式可知，被测物体的运动速度不会影响霍尔电压的产生，因此在低速和高速下都具有良好的特性，能完全满足汽车由静止到起动后各转速状态下对于凸轮轴信号的采集，因而被广泛采用。

2.2 工作原理

霍尔开关电路、永久磁铁、信号转子组合在一起构成了霍尔式凸轮轴位置传感器，其核心部分是霍尔开关电路。当凸轮轴在带动信号转子转动的过程中，会不断的改变永久磁铁通过霍尔元件的磁通量，使霍尔元件周期性的产生霍尔电压，以此来标记凸轮轴的位置。但产生的霍尔电压值一般很小，发动机ECU 无法直接使用。为此，霍尔元件的设计应能使霍尔电压打开和关闭功率晶体管，再经过内部的放大、补偿及稳压电路，形成稳定的霍尔开关电路，如图1 所示。这样就能够输出稳定的数字信号，供发动机电脑进行精确的计算。

图1 霍尔开关电路

分析图1 可知，霍尔传感器一般包括电源线、信号线和接地线，这三根线会连接到发动机ECU 的对应端子，其中电源线上存在12V 的工作电压，这个电压是由发动机ECU 提供的；信号线由电脑内部提供5V 的参考电压，它与接地线配合会产生5V 高电平和0V 低电平互相交替的脉冲波形，源源不断地把凸轮轴转速信号传输给发动机ECU。

3 具体故障案例分析

3.1 故障现象

一辆2019 款大众迈腾B8 轿车，行驶2 万公里后，打开点火开关时，仪表灯能正常点亮，发动机可以点火起动，但起动时间略有延长，起动后运转平稳，仪表盘发动机EPC 灯点亮，经多次试车，该故障无法消除。

3.2 故障分析

经过对该车做常规检查，发现冷却液、机油液位正常；蓄电池电压正常；发动机舱各线束及插接件连接正常无松动，由此可判断常规层面无异常。结合起动过程分析可知，该车接通点火开关时能正常点火起动，说明防盗系统没有问题，并且起动机及控制电路无异常；起动时间虽有所延长，但起动后运转平稳，说明点火和喷油正常；仪表盘其他模块无异常显示，但发动机EPC 灯常亮，由此考虑故障大概可能在以下几个方面：1.发动机电脑存在故障。2.传感器及控制线路故障。3.其他机械故障。

连接汽车故障诊断仪对该车做进一步的故障诊断，进入发动机控制单元J623,读取故障代码，显示代码为P036800，凸轮轴位置传感器过大信号。起动车辆怠速运行，查看发动机系统相关数据流，发现喷油、点火、转速、机械系统数据流均无异常，执行清除命令无法清除此故障代码，表明凸轮轴位置传感器有故障。

3.3 工作电路

图2 为迈腾B8 轿车霍尔传感器G300的电路图，分析图2可知：由J623 的T105/80 端子供给5V 电源到传感器的T3t/1 端子，经过传感器内部的霍尔元件后，由传感器的T3t/3 端子到J623 的T105/78 端子搭铁构成回路。在打开点火开关，不起动发动机的情况下，J623 通过T105/79 端子给传感器T3t/2 提供5V 参考电压，在起动过程中，由于霍尔开关电路的特性，5V 参考电压被周期的拉低，J623 的T105/79 端子会检测到一个0V 和5V 周期性变化的方波信号。

图2 迈腾B8 轿车霍尔传感器G300的电路图

3.4 逐项测试

（1）电源线的检测：在打开点火开关或起动的情况下，用万用表检测传感器线束T3t/1 端子的电压，应为5V 左右。若有异常，则对J623 的T105/80 端子到T3t/1 端子的线束做导通性测试，故障分析参照表1。此处实测为5V。

表1 传感器电源线故障分析表

（2）信号线（电脑端）的检测：起动发动机，用示波器检测J623 的T105/79端子对地波形，正常情况可测得0 到5V 方波信号，否则说明有故障存在，故障分析参照表2。此处实测为一条5V 直线，说明信号输入有异常，进行下一步检测。

表2 信号线（电脑端）故障分析表

（3）信号线（传感器端）的检测：检测G300 端T3t/2 端子对地波形，发动机保持运行，正常情况可测得0 到5V 方波信号，否则说明有故障存在，故障分析参照表3。此处实测为一条0V 直线，说明信号线断路。

表3 信号线（传感器端）故障分析表

（4）接地线的检测：检测G300 传感器T3t/3 端子搭铁情况，对地电阻应低于规定值，实测良好。

（5）线束端对端检测：关闭点火开关，拔 下J623 的T105 插 头 和G300 的T3t 插头，对三条线束进行端对端检测，电阻值应小于规定值，否则说明存在问题。经过测量发现，霍尔传感器G300 的T3t/2 至发动机控制单元J623 的T105/79 之间的线路存在断路，恢复线路连接，重新试车，EPC 灯熄灭，故障排除。

4 结语

以2019 款大众迈腾B8 轿车出现的起动时间延长故障为切入点，通过缜密的分析锁定故障点在凸轮轴位置传感器上，深入分析该传感器的工作电路后确定了电源线、信号线和接地线的测试方法并寻找到具体故障点，成功排除该车发动机的故障。该传感器的故障分析思路可适用于其他车型同类传感器的测试，但需要考虑下列情况：

1.对不同的车型，传感器在控制逻辑中所起得作用略有不同，若凸轮轴位置传感器出现异常，有的车型会出现不能起动或起动困难等较严重的故障现象，有的车型仅是出现起动时间延长等较轻微的故障现象，在实际检测中要结合具体故障进行具体分析。

2.电控发动机的点火时刻通常发生于压缩上止点位置附近，精确的确定这个位置不仅需要提供曲轴位置信号，同时还需要提供凸轮轴位置信号，当这两个信号互相配合传递给发动机ECU 时才能实现精准地点火以确保发动机顺利起动。所以研究这两个信号的关联性，对于分析凸轮轴位置传感器的故障具有重要的应用价值。