霍爾傳感器的汽車應用：汽車霍爾傳感器應用

汽車霍爾傳感器

霍爾傳感器作為傳感器家族的一員，有著廣泛的應用。如今霍爾傳感器廣泛用于汽車工業,變頻器,出租車計價器等行業。汽車工業中霍爾傳感器應用技術非常廣闊。

汽車工業技術中霍爾傳感器應用，包括車身控制,牽引力控制,動力和制動系統的防抱死制動系統。為了滿足大部分的系統需求，霍爾傳感器分三種模擬,開關和數字傳感器。

霍爾傳感器可以由金屬和半導體制成。對材料質量的影響取決于導體。材料將直接影響通過傳感器的正離子和電子電流的流動。霍爾生產零部件，汽車行業通常采用InAs,InSb,GaAs三種半導體材料。經常使用的材料是銦。

使用霍爾傳感器方法，確定放大器電路的差異，并且放大器的輸出適合于控制設備。輸出可以是模擬的，例如，曲軸或凸輪軸位置傳感器。例如節氣門位置傳感器或加速度位置傳感器。

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霍爾傳感器的汽車應用：霍爾傳感器在汽車點火器中的應用

隨著汽車發動機向高轉速、高壓縮比、大功率、低油耗和低排放的方向發展，傳統的點火裝置已經不適應使用要求。點火裝置的核心部件是點火線圈和開關裝置，提高點火線圈的能量，火花塞就能產生足夠能量的火花，這是點火裝置適應現代發動機運行的基本條件。而霍爾傳感器能被廣大汽車商采納作為點火器的基本原理如下：

霍爾信號發生器是一個有源器件，它需要提供電源才能工作，霍爾集成塊的電源由點火器提供。霍爾集成電路輸出極的集電極為開路輸出形式，霍爾元件集電極的負載電阻在點火器內設置。

霍爾元件信號發生器有三根引出線且與點火器相連接，其中一根是電源輸入線，一根是信號輸出線，一根是接地線，霍爾信號發生器外殼的三線插座分別接好后，分電器工作時，葉片隨分電器軸轉動，每當葉片進入永入磁鐵的霍爾元件之間的空氣隙時，霍爾集成塊中的磁場即被觸發葉輪的葉片旁路（或稱隔磁），這時霍爾元件不產生霍爾電壓，集成電路輸出的三極管處于截止，信號發生器輸出高電位。

當觸發葉輪的葉片離開空氣隙時，永久磁鐵的磁通便通過埣爾集成塊經導板構成回路，這時霍爾元件產生霍爾電壓，集成電路輸出極的三極管處于導通狀態，信號發生器輸出低電位。當葉輪缺口的后邊緣轉動使磁極端面只露一半時，信號輸出端的電壓瞬間從低電位跳到高電位，此時就是點火時刻。

常用在汽車點火器上的霍爾傳感器有：SS495，SS49E。

霍爾傳感器的汽車應用：霍爾傳感器在汽車電子領域的應用

霍爾曲軸和凸輪軸位置傳感器
1、功用與類型
曲軸位置傳感器(Crankshaft Position Sensor，CPS)又稱為發動機轉速與曲軸轉角傳感器，其功用是采集曲軸轉動角度和發動機轉速信號，并輸入電子控制單元(ECU)，以便確定點火時刻和噴油時刻。
凸輪軸位置傳感器(Cylinder Identification Sensor，CIS)又稱為氣缸識別傳感器，為了區別于曲軸位置傳感器(CPS)，凸輪軸位置傳感器一般都用CIS表示。也叫同步信號傳感器，它是一個氣缸判別定位裝置，向ECU輸入凸輪軸位置信號，是點火控制的主控信號。
2、結構和工作原理
霍爾曲軸和凸輪軸位置傳感器內部都釆用了一個由霍爾開關集成電路和遮斷方式的磁路設計（圖7中d的磁路方式）制成的霍爾翼片傳感器，該傳感器主要由霍爾集成電路、永久磁鐵和導磁片組成。霍爾集成電路與永磁鐵之間有1mm的間隙，導磁片又稱信號轉子安裝在進氣凸輪上，用螺栓和座圈固定。信號轉子的隔板又叫做葉片，在隔板上有一個窗口，窗口對應產生的信號為低電平信號，隔板對應產生的信號為高電平信號。當信號轉子隨進氣凸輪軸一同轉動時，隔板和窗口從集成電路與永磁鐵之間的間隙中轉過。當信號轉子的隔板進入間隙時，霍爾集成電路中的磁場被旁路，霍爾元件上沒有磁力線穿過，霍爾電壓UH為零，集成電路輸出級三極管截止，傳感器輸出的信號電壓為高電位，約4.8V；當信號轉子的隔板離開間隙時，永磁鐵的磁通經導磁片和霍爾元件集成電路構成回路，集成電路輸出級三極管導通，傳感器輸出的信號電壓為0.2V，為低電位。霍爾傳感器工作原理的立體結構圖見圖11。
圖11霍爾傳感器工作原理的立體結構圖
發動機工作時，曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器產生的信號不斷地輸人ECU。當ECU同時接收到曲軸位置傳感器大齒缺對應的低電位信號（15°）和凸輪軸位置傳感器窗口對應的低電位信號時，可以識別出1缸活塞在壓縮上止點、4缸活塞處于排氣行程，并根據曲軸位置傳感器小齒缺對應輸出的信號控制點火提前角。由于凸輪軸位置傳感器與曲軸位置傳感器同時輸出信號，凸輪軸位置傳感器信號作為判缸信號，所以凸輪軸位置傳感器也叫做同步信號傳感器，它的安裝位置見圖12，結構見圖13。
桑塔納2000Gli轎車的霍爾式凸輪軸位置傳感器與ECU的連接電路如圖14所示。該傳感器G40導線連接器有三個接線端子，1為傳感器電源正極端子；2為傳感器信號輸出端子；3為傳感器電源負極端子。這三個端子分別與ECU的62、76和67 端子相連。
圖12霍爾式凸輪軸位置傳感器安裝位置

霍爾傳感器的汽車應用：霍爾傳感器在汽車行業的應用與控制原理

作者;安科瑞楊成
摘要：汽車霍爾傳感器廣泛用于汽車發動機、底盤、車身控制系統，只有掌握其控制原理和檢測方法，才能在汽車維修過程中準確診斷故障。文章詳細介紹霍爾傳感器控制原理，并闡述使用萬用表、發光二極管、示波器對霍爾傳感器的檢測方法，結合汽車維修故障實例，明確檢修流程和方法，在汽車維修時可根據檢測設備，采用適當的方法，判斷霍爾傳感器的工作性能是否正常，對汽車診斷維修有一定的指導意義。
關鍵詞：霍爾傳感器；控制原理；車身控制系統；汽車電子
0引言
我國汽車產銷量已經連續11年位居世界前列，汽車已經進入千家萬戶，新能源汽車發展也突飛猛進。新能源汽車電子產品向集成化、信息化、網絡化、智能化方向發展。新能源汽車是以計算機為控制中心的高度自動化控制系統，系統由傳感器、電控單元、執行器組成。隨著汽車功能的不斷增加，汽車上用于檢測角度、加速度、壓力、力矩、位置等參數的傳感器，隨時間變化，轉變成電量來進行檢測和控制。根據傳感器的工作原理區分，常見有三種：磁脈沖式、霍爾式、光電式，霍爾式傳感器因具有安裝方便、體積小，輸出電壓信號穩定，并能在灰塵、油污惡劣環境下工作的優點，應用廣泛，以下分別從傳感器的原理、檢測和診斷三個方面闡述，為汽車維修工作提供借鑒。
1霍爾傳感器工作原理
霍爾效應：美國物理學家霍爾于1879年在做金屬導電性能實驗時，驗正總結得出電壓與電流、磁場強度三者的相互關系。先將一個薄金屬基片置于磁場中，在磁場垂直方向給基片通過電流I，受磁場力作用，電荷會產生偏移，垂直于磁場與電流的橫向側面上產生聚集電壓，電壓與電流和磁場強度成正比，這就是霍爾電壓UH，可用公式表示：
UH＝RHIB/d
RH為霍爾系數，I為電流，B為磁場強度，d為基片厚度。
金屬基片產生的電壓比較微弱，后來研究半導體、導電流體，同樣具有霍爾效應，而且半導體輸出電壓更有優勢，比金屬強得多，利用半導體制成各種霍爾元件，當結構一定且電流為定值時，霍爾電壓與磁場強度成正比。目前廣泛應用于汽車電子、自動化技術、檢測技術及信息處理等方面。
20世紀80年代，電子元件逐漸應用于汽車發動機控制，霍爾元件常用于曲軸和凸輪軸位置傳感器，霍爾元件具有開關作用，能夠輸出數字信號，實現功率晶體管導通與關閉功能，通過脈沖信號數量，能計算曲軸和凸輪軸的旋轉速度和運動位置。
圖1 葉輪式霍爾傳感器
將霍爾元件與機械部件結合可以實現機電一體，制作成霍爾電路，其工作原理如圖1所示，把只有幾個毫伏的微弱電壓，經放大后輸出較強的電壓信號，對三極管控制，達到開關作用。汽車常用葉輪和葉片旋轉，切割磁場，控制霍爾電路能輸出高低電壓。當葉輪葉片運轉，通過磁鐵和霍爾元件之間的磁場變化，輸出霍爾電壓，霍爾電壓控制電路的輸出電壓變化，就能判斷出曲軸和凸輪軸所處位置，完成點火和噴油正時控制。霍爾傳感器特點是需要外加電源才能工作，低轉速也能輸出穩定的工作電壓，通常有觸發葉輪式和觸發齒輪式兩種型式。
2霍爾傳感器原理分析與檢測
2.1觸發葉輪式曲軸位置傳感器
在發動機曲軸皮帶輪的前端安裝傳感器，當發動機運轉時，觸發葉輪的信號轉子也隨之轉動，信號轉子外側分布有若干數量相同的葉輪和缺口。
霍爾信號發生器由永久磁鐵、導磁板和霍爾集成電路三部分組成，可參考圖1。發動機運轉時，信號轉子的觸發葉片及缺口旋轉，永久磁鐵與霍爾元件的磁場受信號轉子作用而變化；當葉片進入時，磁場就被觸發葉片所阻止，從霍爾效應分析可知，此時產生電壓為零，霍爾集成電路的晶體管截止，從晶體管三個極的工作原理分析，可以得出結論為傳感器輸出高電壓；反之，缺口正對永久磁鐵與霍爾元件時，傳感器輸出低電壓。
2.2觸發齒輪式曲軸位置傳感器
變速器殼體上加工有安裝孔，固定曲軸傳感器，曲軸后端飛輪上分布有齒輪形的信號盤，結構如圖2所示。以本田
飛度轎車為例，傳感器為三線式，其中端子1為電源，端子
2為信號，端子3為地線，傳感器頭部與信號盤正對。發動機工作，感應頭部處于齒輪的槽口時，產生霍爾電壓為零，相當于晶體管截止狀態，因此傳感器輸出高電位信號；反之，當感應頭部與凸齒正對時，傳感器輸出低電位信號。因此，發動機連續運轉時，傳感器產生脈沖電壓，發動機ECU對脈沖電壓處理，對點火系統及燃油噴射系統控制，保證發動機正常工作。
圖2 觸發齒輪式傳感器結構圖
2.3傳感器電壓控制
從前面的工作原理分析可知，觸發葉輪式和觸發齒輪式相似，只是結構有別，現以觸發齒輪式為例，說明其檢測方法。
（1）凸齒處于霍爾開關IC和磁鐵之間時，霍爾開關IC接受磁鐵產生的磁場，并產生霍爾電壓，霍爾電壓經放大后，作用于曲軸位置傳感器的晶體管基極，使晶體管集電極導通，發動機ECU的5V基準電壓被搭鐵。因此，發動機ECU將檢測到曲軸位置傳感器輸出的OV低電位（注意：其實低電位電壓并非為OV，因為晶體管導通時，根據晶體管的不同，集電極和發射極會有0.3V或0.7V的壓降）。當磁力線通過時，霍爾傳感器線路中電流流向和電壓輸出如圖3所示。
圖3 導通時電流與電壓關系
（2）槽口經過磁場與霍爾開關IC時，霍爾開關IC沒有接受磁鐵產生的磁場，霍爾開關IC不能產生霍爾電壓，在曲軸位置傳感器內的晶體管不導通，發動機ECU的5V基準電壓與搭鐵線不導通。因此，信號線電壓接近5V，就是高電位狀態。參照圖三分析得知，磁力線被阻擋，晶體管處于截止狀態。
（3）連續運轉時，因為齒輪隨著曲軸一起旋轉，通過曲軸位置傳感器的輸出信號會隨著凸齒和槽口不斷進行高、低電位的變換，其每分鐘的脈沖數目也會隨著曲軸的旋轉速率變化而變化。因此，通過檢測曲軸位置傳感器脈沖信號，可以測得轉速。發動機連續運轉時，傳感器輸出為連續脈沖信號。
2.4霍爾傳感器在實車上的檢測
以本田飛度轎車觸發齒輪式傳感器接線為例，說明檢測方法。
（1）工作電壓的檢測。斷開傳感器插頭，再擰開點火開關，接上萬用表，端子1應有12V，若沒有，則檢查繼電器與端子1間的導通性。
（2）參考電壓的檢測。將傳感器插頭斷開，后將點火開關置于ON，檢查端子2與搭鐵的電壓，應為4.8~5.0V。否則，檢查端子2與ECU的導通性，如果導通，則為ECU故障。
（3）搭鐵的檢查。檢查端子3是否與地線導通，若不導通，則檢查線束是否斷路。
（4）解碼器檢測。接上元征X-431檢測儀，參照維修手冊，檢測發動機控制系統，如果曲軸位置傳感器損壞，則發動機控制單元會存儲故障碼P0335。
（5）工作輸出信號的檢測。使用三通連接插頭，或在傳感器信號線引出一條測量線，在慢慢轉動曲軸時，使用萬用表電壓檔進行檢測，電壓約在0V、5V之間交替變化。
（6）示波器的檢測。因霍爾式傳感器是一個電子元件控制電路，只從檢查電阻難于判斷其好壞，因此，較有效辦法是在發動機運轉時，用示波器檢測輸出信號波形。依照以上的接線方式，引出端子2信號，連接示波器進行測量，波形為脈沖方波或者查閱維修手冊。
（7）用發光二極管檢測。發動機工作時，引出端子2信號，并聯一支發光二極管試電筆，觀察發光二極管的閃爍情況，應有規律地閃爍，否則曲軸位置傳感器信號不良。如二極管試燈不閃爍，則應檢查2號信號線端子與ECU的導通性。如果導通，則檢查2號信號線端子與搭鐵間應有5V電壓。電壓正常則說明是傳感器故障，否則是ECU故障。
3霍爾傳感器發展趨勢
隨著汽車技術的不斷進步，同時也要求降低汽車制造成本，霍爾式傳感器采用二線式代替三線式，一根為電源線，可以為5V或12V，另一根為信號線，輸出信號仍為脈沖方波，ECU內部電阻R與傳感器信號電壓有密切關系，也決定了輸出信號的高、低狀態數值，因此即使轉速很低，輸出信號電壓也能保證傳感器工作需要。在汽車制動系統上逐漸采用二線霍爾式傳感器，如豐田汽車在ABS系統的輪速傳感器，供給電壓為12V，輸出信號的高、低電壓分別為0.7V
及1.4V。
4案例分析
為了更好理掌握爾傳感器的檢測方法，現結合案例分析。
（1）飛度轎車不能起動。在我校汽車學院有位年輕教師利用2017款本田飛度轎車開展車身電器項目實訓，下課時恢復實訓車輛原來狀態，但車輛沒法起動，該教師和學生花了1個多小時，仍未找到原因，請求我幫助。我首先用解碼器檢測讀取故障碼，共有超過10個故障碼，應為做實訓時帶電拔插傳感器留下的故障碼，應先消碼，再打起動機，讀取故障碼為P0335，經檢查后發現為曲軸位置傳感器因為反復拔插，插頭端子松動，導致傳感器與插頭接觸不良，經處理插頭后，發動機能正常工作。
（2）大眾奧迪，行車死火。曾經維修過一臺2013年奧迪A6，根據車主反映，該車輛在行駛時突然抖動明顯，停車后再發動，無法工作，只能拖車進廠。
用汽車維修檢測電腦檢查，顯示“發動機轉速信號不可靠”。先曲軸位置傳感器插頭，未發現異常，打馬達時，用示波器檢測曲軸位置傳感器輸出信號，發現輸出波形有一個信號異常，懷疑信號盤有問題，用內窺鏡觀察曲軸位置傳感器信號盤，發現信號盤缺了一個齒，為何會缺齒?帶著疑問拆解發動機。原來第三缸活塞連桿變形，影響曲軸不規則運轉，導致這一個齒損壞。經更換活塞、連桿、曲軸，裝復發動機工作正常。
5安科瑞霍爾傳感器產品選型
5.1產品介紹
霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復雜信號的隔離轉換，通過霍爾效應原理使變換后的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，響應時間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強，線性好，抗干擾能力強。適用于電流監控及電池應用、逆變電源及太陽能電源管理系統、直流屏及直流馬達驅動、電鍍、焊接應用、變頻器，UPS伺服控制等系統電流信號采集和反饋控制。
圖4 霍爾傳感器
5.2產品選型
5.2.1開口式開環霍爾電流傳感器
型號額定電流供電電源額定輸出測量孔徑(mm)準確度AHKC-EKA0～(20-500)A±15V5Vφ201級AHKC-EKAADC0～(50-500)A12V/24V4～20mAφ201級AHKC-EKDAAC0～(50-500)A12V/24V4～20mAφ201級AHKC-EKB0～(50-1000)A±15V5Vφ401級AHKC-EKBADC0～(50-1000)A12V/24V4～20mAφ401級AHKC-EKBDAAC0～(50～1000)A12V/24V4～20mAφ401級AHKC-EKC0～(50-1500)A±15V5Vφ601級AHKC-EKCADC0～(50-1500)A12V/24V4～20mAφ201級AHKC-EKCDAAC0～(50-1500)A12V/24V4～20mAφ201級AHKC-K0～(400-2000)A±15V5V64×161級AHKC-KAADC0～(400-2000)A12V/24V4～20mA64×161級AHKC-KDAAC0～(400-2000)A12V/24V4～20mA64×161級AHKC-H0～(500-3000)A±15V5V82×321級AHKC-KA0～(500-5000)A±15V5V104×361級AHKC-HB0～(2000-)A±15V5V132×521級AHKC-HBAADC0～(2000-)A12V/24V4～20mA132×521級AHKC-HBDAAC0～(2000-)A12V/24V4～20mA132×521級
表1
5.2.2閉口式開環霍爾電流傳感器
型號額定電流供電電源額定輸出測量孔徑(mm)準確度AHKC-E0～(20-500)A±15V4V/5Vφ201級AHKC-LT0～(100-800)A±15V4V/5Vφ32.51級AHKC-EA0～(200-2000)A±15V4V/5VΦ401級AHKC-EB0～(200-2000)A±15V4V/5VΦ601級AHKC-BS0～(20-500)A±15V4V/5V20.5*10.51級AHKC-BSADC0～(50-500)A12V/15V/24V4～20mA20.5*10.51級AHKC-CDC0～(100-800)A±15V4V/5V31*131級AHKC-F0～(200-1000)A±15V4V/5V43*131級AHKC-FA0～(200-1500)A±15V4V/5V52*151級AHKC-HAT0～(400-2000)A±15V4V/5V52*321級
表2
型號額定電流供電電源額定輸出測量孔徑(mm)準確度AHBC-LTA0~(100～300)A±15V50mA/100mAφ200.5級AHBC-LT~1000A±15V200mA/0.5級AHBC-LF0~2000A±15V400mA/0.5級
5.2.3閉環霍爾電流傳感器
型號額定電流供電電源額定輸出測量孔徑(mm)準確度AHBC-LTA0~(100～300)A±15V50mA/100mAφ200.5級AHBC-LT~1000A±15V200mA/0.5級AHBC-LF0~2000A±15V400mA/0.5級
表3
5.2.4直流漏電流傳感器
型號額定電流供電電源額定輸出測量孔徑(mm)準確度AHLC-LTADC0~(10mA～2A)±15V5Vφ201級AHLC-EADC0~(10mA～2A)±15V5Vφ401級AHLC-EBDC0~(10mA～2A)±15V5Vφ601級
表4
6小結
霍爾傳感器因輸出信號電壓幅值只有高低兩個電位，響應性好，在汽車電子控制上有取代磁脈沖式的趨勢。在職業教學，首先結合信息化手段突破工作原理的難點，采用理實一體化模式教學，注重在實車上的檢測方法，在實訓教學上就會得心應手，解決實訓設備在高頻率使用時損壞的問題。通過教師帶領學生排除故障的實踐，從工作原理入手，分析電路圖，選擇適當的工具和設備，記錄檢測數據，對照維修標準，進行邏輯推理，確定故障部位。