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1、 摩托车汽油机电控系统曲轴位置传感器方案1、传感器类型选择。1）可变磁阻式（Variable Reluctance）：这种传感器也称为电磁感应式，会产生磁脉冲信号，该信号是由信号转子的旋转运动使磁通量发生变化（）而在感应线圈中产生的。可变磁阻式传感器的优点是价格低、尺寸小、自发交流信号无需外电源、具有良好的温度稳定性；缺点是信号转子在零转速时无信号输出，信号变化的幅度取决于信号转子的转速，需要另外的信号处理电路。可变磁阻式传感器内空气间隙要求小于 2mm。2）霍尔效应式（HallEffect）：霍尔传感器产生的电压信号，是由信号转子的旋转运动使磁通量发生改变。信号转子通过霍尔元件和永久磁铁，磁
2、通的变化与可变磁阻式传感器相似，但与可变磁阻式不同的是霍尔元件探测的是磁感应强度（ ）大小而非磁通变化率。霍尔元件是半导体材料制成的，需要偏置激励电流。该传感器输出方波数字信号，信号电压与作用在霍尔元件上磁场的磁感应强度成正比，信号频率与发动机转速成正比。3）磁控电阻式（Magnetoresistor）：磁控电阻式传感装置利用磁阻效应原理，即材料电阻随外加磁场的大小而成比例变化。电阻是窄形条，沉积在薄层的高载子传输半导体（锑化铟 InSb 或砷化铟 InAs）上，且垂直于电流流入方向。半导体磁敏感材料受到与电流方向相垂直方向的磁场作用时，由于洛仑兹力的作用，电子流动的方向发生改变，路径加长，从
3、而其阻值增大。即 MRE 的电阻值，随施加在其上的磁力线的方向而改变。本文选择磁阻式进行非接触性测量。传统的磁阻式传感器在测量的过程中存在着一定间隙，灵敏度低，传感器的磁感应间隙小，通常只有零点几毫米，在高速测量时容易与齿轮发生碰撞安全性低，而且由于这种传感器采集到的信号是幅值低变化缓慢的模拟电压信号，因此还需要经过放大整形才能使用。随着对测量精度要求的提高，灵敏度高、可靠性高和全集成化式转速传感器成为主流产品，例如飞利浦（Philips）公司生产的KMI15-1 型磁阻式集成转速传感器，该传感器性能优良、安全性高、稳定性强 Error! Reference source not found.
4、Error! Reference source not found.。根据摩托车发动机转速高的特点，本系统凸轮位置和曲轴位置的测量都采用 KMI15-1 型传感器。0 则是 KMI15-1 型传感器的外形图。KMI15-1 型传感器外形图Fig1 KMI15-1 sensor dimensions1、KMI15-1 型传感器的性能特点。KMI15-1 型传感器是由高性能磁钢、磁敏电阻传感器和 IC 组成的：信号的转换是通过IC 来完成的，其输出的电流信号频率与被测转速成正比，变化范围在 7mA14mA 之间Error! Reference source not found.。另外该型号的传感器
5、测量范围宽，灵敏度高，测量的频率范围为025KHz，在转速接近零时该传感器也能正常工作。传感器与被测齿轮之间最大的磁感应距离为 2.9mm，该距离在实际测量是比较安全。KMI15-1 型传感器在抗干扰方面有自己独特的性能，抗干扰能力较强，测量具有方向性，对轴向振动不敏感。另外，芯片内部还有电磁干扰（EMI）滤波器、电压控制器以及恒流源，从而使其工作特性不受外界因素的干扰。KMI15-1 型传感器的外型尺寸比较小，其最大外型尺寸为 8621mm，能可靠固定在齿轮附近。该传感器采用+12V 电源供电，最高不超过 16V，工作温度范围在-40+85。3、典型应用电路型集成转速传感器的典型应用电路如图
6、所示。工作时，转速传感器输出方波电流号,从而在负载电阻 RL 与负载电容 CL 上形成电压频率信号 UO(f) ,并送至二次仪表。通常取 RL= 115、CL= 0. 1F。需要指出 : KMI15 - 1 输出的是齿轮转动频率 f(单位是 Hz ,即次/ s)信号,欲得到转速 n( r/ min) ,还应将 f 除以齿轮上的齿数 N ,并将时间单位改成分钟,公式如下 n=60f/N2、曲轴位置传感器的安装和信号输出在本系统中，点火时刻和喷油器的开启时间都是以曲轴位置为依据的，故此在系统中也必须使用曲轴位置传感器。曲轴位置传感器的触发盘以飞轮为基础，直接在原机的飞轮上加工 45 个齿，其中一个
7、为缺齿作为基准信号。图 2 是曲轴位置传感器触发盘的加工示意图，图 3 为采集到的触发盘信号。 曲轴位置传感器触发盘加工示意图Fig 2 Crankshaft position sensor signal triggers图 3 采集到的曲轴触发盘信号Fig3Crankshaft signal为了准确的判断曲轴位置，触发信号的产生时刻与上止点到达时刻必须有固定的位置关系，本课题在设计触发齿（缺齿）的位置时，使缺齿位置在上止点前 10 个齿，也就是触发信号产生时刻比上止点到达时刻提前 80CA。发动机运转时，当主控 ECU 接收到触发信号时就判断离上止点还有 80CA，这时开始计时，计时到根据点
8、火提前角计算得到的点火延迟时间时便发出点火信号，驱动点火模块开始点火。3、曲轴位置传感器的检测3.1 开路检测法：关闭点火开关，拔下传感器插头，用万用表 R*10 档测量传感器感应线圈的电阻值，测量值符合原厂规定，具体查看相关资料。其电阻一般在 3001500 欧之间。在路检测法 用万用表 AC 电压档测量其输出的电压，起动时应高于 0.1V；运转是应为 0.40.8V。用频率表测其工作频率。用示波监测其输出信号波形。如果在传感器上能检测到电压信号，而在 ECU 连接器上检测不到信号，则应检测传感器至 ECU 之间的导线至 ECU 之间的导线及插头。具体车型检测事例。下面以日产公司磁冲式曲轴位
9、置传感器为例，分析其结构和工作原理，日产公司磁脉冲曲轴位置传感器安装在曲轴前端的皮带轮之后(丰田安装于分电器之内)。在皮带轮后端设置一个带有细齿的薄圆盘，用以产生信号，常称信号盘。信号盘和曲轴皮带轮一起装在曲轴上，随曲轴一起旋转。在信号盘的外缘，沿圆周隔 40 加工一个齿，共有 90 个齿，此外，每隔 1200 布置一个凸缘，共 3 个。安装在信号盘边缘的传感盒是产生电信号的信号发生器，信号发生器内有三个永久磁铁，上面绕有线圈磁头，其中磁头产生 1200 信号(G 信号) ，用于辨别气缸及检测活塞上止点位置，磁头和共同产生 10信号(Ne 信号) ，用以检测曲轴转角及发动机转速信号。发动机转动
10、时，信号盘的齿和凸缘切割磁头，使其感应线圈内磁场变化，从而在感应线圈里产生交变的电动势，再将其滤波整形后，变成脉冲信号。发动机旋转一圈，在磁头上产生三个 1200 脉冲信号；在磁头和上各产生相位差 900 的 90 个脉冲信号，经信号合成后向电脑输送 180 个脉冲 10 的信号。传感器盒上有四孔电连接器，孔“1”为 1200 信号输出线，孔“2”为信号放大与整形电路和电源线，孔“3”为 lo 信号输出线，孔“4”是接地线。通过该连接器将曲轴位置传感器的感应信号送至电脑。电脑根据 1200 信号判别何缸何时处于活塞上止点位置，以确定喷油正时和点火正时；根据 10 信号感知曲轴的转角和发动机转速
11、，以确定每次循环符合最佳空燃比的喷油量。 图 1 日产公司磁脉式曲轴位置传感器原理图3.2 用万用表检测法：1.用万用表测量霍尔效应式位置传感器其测量方法是:(l)拆下装有霍尔效应式曲轴位置传感器的分电器。(2)接好分电器线束插头。(3)将电门开关打开(置于 ON 位置O(4)用手转动分电器轴，同时用电压表从分电器线束中传感器信号输出导线上测量有无输出电脉冲( 图 3-35).测量中不可将线束插头拆开。若曲轴位置传感器良好，则在分电器轴转动一圈的过程中，会输出和发动机气缸相同个数的各缸压缩上止点信号电脉冲(应对照电路图，从线束中相应的导线上测量)。如果测不到信号电脉冲，则说明传感器有故障。四、
12、曲轴位置传感器常见故障及其对发动机的影响1) 曲轴位置传感器无 1信号或信号很弱 如果出现这种情况，发动机控制单元将无法确定曲轴所处的位置，且不能准确地发出点火指令， 发动机控制单元得不到 1信号，则发动机无法起动。 2）无判缸信号或信号很弱，如果出现这种情况，对发动机的影响还要看判缸信号具体起什么作用， 如果判缸信号只是喷油基准信号，而不是点火基准信号， 则发动机可以工作，故障现象不明显，对发动机的经济性和动力性有一定影响。3）无上止点信号或信号很弱，如果出现这种情况，也要看上止点信号具体起什么作用，一般来讲，上止点信号都作为点火基准信号，所以，无上止点信号或信号很弱时，发动机将无法起动。5
13、、转速传感器处理模块优化设计ECU 技术是柴油机电控化的核心技术之一,它采集发动机的相位、转速(n)、燃油压力、油门位置、温度等信号,通过一定的算法得出泵油和喷油的参数,并驱动相应的执行器工作。在 ECU 中,曲轴和凸轮轴相位传感器信号是整个发动机工作时序的基础,其作用相当于芯片中的时钟。发动机的 n、喷油相位以及判缸信号等都是通过这两个传感器计算处理得出的。因此,设计一种抗干扰能力强,可靠性高的曲轴和凸轮轴传感器信号处理模块对整个柴油机电控单元来说至关重要。1、磁电式传感器的特性1.1 工作原理磁电式传感器的工作原理如下图所示,它主要由旋转的触发轮(被等分的齿轮盘,上面有多齿或缺齿)和相对静
14、止的感应线圈两部分组成。当柴油机运行时,触发轮与传感器之间的间隙周期性变化,磁通量也会以同样的周期变化,从而在线圈中感应出近似正弦波的电压信号。 磁电式传感器工作原理1.2输出特性由磁电式传感器工作原理可知,其产生的交流电压信号的频率与齿轮转速和齿数成正比。在齿数确定的情况下,传感器线圈输出的电压频率正比于齿轮的转速,其关系为f=nz式中,n 为发动机转速,r/s;z 为触发轮被等分的齿数;f 为磁电式传感器的输出信号频率,Hz。磁电式传感器的输出电压不仅与传感器和触发轮间的间隙(d) 有关,而且与 n 有关。根据上海交通大学汽车电子技术研究所对不同间隙 d，不同转速 n 条件下的凸轮轴轴位置
15、传感器输出峰值电压的研究结果。 不同 d 条件下凸轮轴传感器输出峰值电压在同一 n 条件下,d 越小,其输出峰值电压越高。由此可以拟合出传感器的输出峰值电压特性为 V=Knd, (2)式中,V 为传感器输出峰值电压,V;n 为发动机转速,r/s;d 为传感器与触发轮间的间隙,mm;K 为与传感器有关的参数。 不同 n 条件下凸轮轴传感器输出峰值电压2、硬件优化设计传统的磁电式传感器处理方法是通过比较器对输入波形进行整形,但由于磁电式传感器的输出电压在发动机转速范围内变化很大,比较器的参考电压的选择成为一个难题。采用的参考电压过高,则在 n 较低时,由于传感器输出峰值电压过低,整形后无高电平信号输出;参考电压过低,则在 n 较高时,由于输出电压信号变大,齿轮盘振动加剧,传感器输出信号毛刺增多,比较器无法过滤这些因素引起的干扰。下图即为某转速下采用较低的固定参考电压,比较器整形后输出的波形。从图中可以看出,该处理方式无法过滤干扰。曲轴位置传感器原始信号 比较器整形后输出信号基于以上问题,设计了一种新型的发动机曲轴和凸轮轴磁电式传感器信号智能处理电路模块。该模块的核心是通过软件设定磁电式传感器信号整形比较器的参考电压,根据磁电式传感器输出信号与 n 间的关系特征,设定出不同 n 条件下的比较器参考电压值。在发动机运行过程中,该模块根据 n 输出相应的电压
