转速传感器在现代汽车维修中的应用

◆文/辽宁 陈兆俊

转速传感器在现代汽车维修中的应用

◆文/辽宁 陈兆俊

传感器技术在现代汽车上广泛应用，推动着汽车控制技术的不断发展。为了监控汽车各个系统的运动状态，如各系统部件运转的速度监测，采用转速传感器，曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、车轮转速传感器、车速传感器、变速器输入/输出轴转速传感器等。通过这些转速传感器的监测信息可以准确地掌握汽车动力传递及牵引力控制等方面的工作状态。对汽车运行过程进行有效及时控制，对汽车运行中出现的故障进行预警和保护。

一、汽车常用转速传感器

转速传感器是汽车运动部件位置状态检测传感器中的一种，用于检测汽车上各类转动部件运转情况。其功能主要包括两个方面：一是检测运动部件的转速或转角；二是判定运动部件的转动位置。汽车上最常用的转速传感器有磁感应式、霍尔效应式、磁阻效应式三种类型。

(1)磁感应式转速传感器

磁感应式转速传感器是利用电磁感应原理制成的，其工作原理如图1所示。当信号转子转动时，信号转子的凸齿与铁芯的空气隙发生变化，使通过传感线圈的磁通发生变化，因此传感线圈中便产生感应的交变电动势。这个连续交变的电动势属于模拟信号，需要信号处理电路(A/D转换)对其进行信号处理，将其变成数字信号后，ECU就可以计算出转速。磁感应式转速传感器无需外供电源，因此，只需传感线圈引出两个端子即可。为了防止信号的相互干扰，会装有屏蔽的金属接地线，这样的传感器就有三个端子。

(2)霍尔效应式转速传感器

霍尔效应式转速传感器是根据霍尔效应原理制成的，霍尔效应是当磁场垂直施加于导线中流通的电流时，就会产生垂直于此电流和磁场的电压差。而且，此电压差所产生的电压将和此施加的磁通量密度成正比例变化。霍尔转速传感器工作原理如图2所示，其工作磁铁和霍尔集成电路间的运动方式有对移、侧移、旋转和遮断四种。在转速传感器的应用领域，通常采用开关型霍尔传感器，工作磁铁和霍尔集成电路间的运动方式则多采用遮断和旋转两种方式。

①采用遮断运动方式的霍尔转速传感器

采用遮断运动方式的霍尔转速传感器由触发叶片和霍尔传感器组成。当触发叶片随着主动元件运转时，不断地在霍尔集成电路片与永久磁铁之间穿过。当叶片位于霍尔电路片和永久磁铁之间时，切断磁通，此时无霍尔电压产生；当叶片离开霍尔电路片和永久磁铁之间的空气隙时，磁通建立，霍尔电压产生。

②采用旋转运动方式的霍尔转速传感器

采用旋转运动方式的霍尔转速传感器，如图3所示，当触发齿圈位于图中(a)位置时，穿过霍尔元件的磁力线分散，磁场相对较弱。而当齿轮位于图中(b)位置时，穿过霍尔元件的磁力线集中，磁场相对较强。齿轮转动时，使得穿过霍尔元件的磁力线密度发生变化，因而引起霍尔电压的变化。

霍尔元件为一个毫伏级的准正弦波电压，由于输出电压比较小，其生成的霍尔电压都要经过放大才能应用，通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上后，这样就构成一个霍尔传感器。所以霍尔转速传感器需要外供电源，通过施密特触发器对霍尔集成电路中的输出极(开关三极管)进行通断控制，最终以数字方波的信号形式发送。

③二线制的智能集成电路式霍尔转速传感器

通常见到的霍尔转速传感器都有由ECU提供的电源、搭铁和信号三个端子。但只根据端子的型式来判定传感器的类型是错误的，一种TLE4941型二线制的智能集成电路式霍尔转速传感器就被应用奇瑞A3的ABS系统中。其内部电路图如图4所示，主要包括电源调节器、振荡器、两个霍尔传感器、差分放大器、运算器、比较器、可调电流源、可编程放大器、高速ADC、数字信号处理器(DSP)、偏置DAC。电源调节器起稳压作用，给各单元电路提供稳定电压。振荡器为数字电路提供时钟。差分放大器有两个作用，一是对两个霍尔传感器所产生的信号进行差分放大，二是利用自带的低通滤波器滤除噪声。差分放大器的输出分成两路，一路经过比较器去控制输出级可调电流源，另一路依次通过PGA和高速ADC，转换成数字量并送至DSP。利用DSP分别计算出输入信号的最小值、最大值及算术平均值，进而确定算术平均值的偏移量，然后送至偏置DAC转换成模拟量，再通过运算器完成失效校准后才开始正常输出。

(3)磁阻效应式转速传感器

磁阻效应式转速传感器利用磁阻效应的原理，由外供电源、接地线路、信号感应磁环、磁阻元件及集成电路组合而成。所谓磁阻效应，就是指当外加的磁场发生变化时，磁阻元件的阻值也会随之变化的现象。传感器的信号磁环在其圆周方向上交替均匀排列着若干组N、S磁极，当磁环旋转时，固定不动的磁阻元件所处空间的磁场发生周期性变化，这使得磁阻元件的电阻也随之发生周期性变化(与转速成正比)，变化的阻值通过外供电源和集成电路的共同作用，最终将其转化为数字信号并输出。数字信号波形的频率由附装于磁环的磁铁极数确定。图5中为20极型的磁环，可以产生20个周期的波形(磁环每转一圈产生20个脉冲)，当磁力方向根据附于磁环上的磁铁的转动而变化时，则MRE的输出就成AC波形，传感器内的比较器将此AC波形转换成数字信号输出。

二、转速传感器对汽车运行状态监测示例

在现代汽车的自动变速器维修过程中，很少出现自动变速器严重损坏的故障，自动变速器大修作业也越来越少了，其原因除了是现代自动变速器的质量提升之外，另一个重要原因就是转速传感器在其运行过程中的起到了状态监测及故障预警作用。现代自动变速器控制系统中至少采用三个转速传感器。

①发动机转速传感器：用来监测发动机运行状态，同时监测自动变速器变矩器的输入转速(泵轮转速)。

②变速器输入转速传感器：用来检测变速器的输入转速(变矩器涡轮转速)，同时与发动机转速传感器信号进行比较来监测变矩器中泵轮、涡轮和锁止离合器三者的工作状态。

③变速器输出转速传感器：用来检测变速器的输出转速，同时与变速器输入传感器信号进行比较来监测变速器动力传递过程中传动比是否准确，进而评价变速器的工作状态。

示例一 变矩器工作故障状态监测

一辆4700Jeep，变速器的型号是545RFE，行驶里程为158,600km。用户驾驶车辆在正常行驶时，故障灯时而点亮。在出现故障以后，加速不良，变速器进入故障保护模式，尤其在高速行驶过程中故障出现频繁。

用DRBⅢ检测出变速器的故障码为P0740——液力变矩器离合器(TCC)控制电路。设置故障码的条件：变速器电控液力变矩器离合器(EMCC)工作状态，输入转速1750r/min，TCC和低速挡/倒挡电磁阀达到最大占空比，不能使发动机转速处在输入速度的60r/min范围内。另外，当变速器处于EMCC，发动机与TCC打滑速度大于100r/min并持继10s。

维修手册中描述的可能原因：①存在相关故障码(DTC)P0750线束或插接器间歇性故障；②油液液位不正常；③变速器内部故障(TCC超过范围)；④低速挡/倒挡电磁阀不工作。

车辆进行常规的检查结果：①变速器的油位及颜色均在正常的范围；②换挡拉线挡位指示正常；③输入与输出转速传感器插头插接完好；④变速器电磁阀插接器无异现象(例如：插针腐蚀，退针)；⑤变速器无打滑现象。

清除故障码后，车辆运行正常。根据用户反应故障是在高速路上匀速行驶的过程中出现频繁这一规律，进行路试并作实测记录发现：当车辆行驶挡位升至5挡，车速110km/h匀速行驶，TCC电磁阀处于工作状态，发动机的输出转速与变速器的输入转速差在50r/min以内，在缓慢加速过程发现，TCC在保持结合的过程中，发动机的输出转速与变速器的输入转速差有时会超过100r/min，同时伴随发动机故障灯报警，变速器锁挡状态。

拆卸变速器检查过程中，发现变矩器的颜色灰暗，出现过热变色现象，再仔细观察变矩器泵轮轴的根部出现高温过后的烤蓝状态，根据故障码及数据流提供的变矩器工作状态信息，分析出变矩器由于锁止离合器工作过程中出现滑转，造成过热损坏。通过此案例分析发现使用转速传感器可以对变矩器的工作状态，起到了状态监测和故障预警控制作用。

示例二 发动机燃油切断控制

在现代汽车牵引力控制过程中，有一项控制环节就是降低发动机的动力输出，以达到减小车辆扭矩输出的目的。

例如，在日产车型中急加速发动机断油控制，当挡位从N挡变到D挡时，冷却液温度为35℃或更高，车速为8km/h或更低，发动机转速为大约2600r/min或更高，所有汽缸燃油供给被切断。燃油供给将在转速低于2200r/min时恢复。发动机燃油切断控制转速的设定就是由监测车辆运行状态的多个转速传感器来实现的。通过发动机转速传感器、变速器输入输出传感器、车轮转速传感器等转速传感器监测的信号，根据车辆的总的传动比及车轮尺寸等信息，计算出车辆在此状态下发动机要求转速与实际车速间的关系。

(2)固定传动比与可变传动比

转向柱电动助力驱动式系统可分为固定传动比与可变传动比的方式，如比亚迪F3DM电动车和普通轿车就装用固定传动比电机助力方式，而宝马轿车的所谓“主动式”助力转向，用的就是可变传动比的电机助力系统。普通轿车转向传动比一般在(16-18)∶1之间，即在车辆低速行驶时扳动方向盘约16度时，转向轮可以偏转1度；而在高速时方向盘需转动18度才偏转1度，低速与高速的相差不大。而可变传动比的转向系统，如宝马轿车的转向系统，转向的传动比可在10∶1和20∶1之间变化，这么大的传动比调节范围，使得车辆在倒车进库或低速行驶时，操纵方向盘更省力轻松，而在高速行驶时，需要转动方向盘更大的角度转向轮才能转向，这可极大的提高行驶的稳定性和安全性。

宝马的所谓“主动式”助力转向显然并不是会自动进行转向的操作，它只是一个辅助性的装置，转向还得按驾驶员的操作意图来实现。

(3)转向的“波齿轮”减速结构

转向柱驱动式电动助力转向装置现也在高档豪华车辆上使用，如雷克萨斯LS460系列轿车的转向系统，就用了一种“波齿轮”可变应力减速方式，丰田车系称之为“VGRS”，能实现转向的可变齿轮比，达到极佳的行驶稳定性和操控性。图2表示这种波齿轮减速结构，图中方向盘带动红色刚性的输入齿转动，与之并列的刚性绿色齿轮是输出轴，再接后面的转向器。中部蓝色圆柱体代表驱动电机，它驱动一个外表光滑的椭圆形波形轮，波形轮上活套一个较宽的黑色柔性齿轮，它同时分别与红色输入齿及绿色输出齿相啮合。由于波形轮呈椭圆形，故黑色柔性齿轮也呈椭圆状，形成椭圆的长轴齿和短轴齿，从图中可见只有长轴齿才与红输入齿及绿输出齿啮合，而短轴齿则不被啮合。

输入红齿有102齿，输出绿齿有100齿，电机驱动的柔性齿也是100齿，这种不同齿数的特殊齿轮结构，可获得齿轮的传动比达51∶1，而且能实现传动比可变。在转向控制ECU的作用下，在低速行驶时转向能实现低减速比，减少驾驶员对方向盘的操控力；中速时可适度提高减速比，使车辆的转向响应较灵敏；高速时不需要过高的转向灵敏度，则大幅提高减速比，保证了高速行驶车辆的稳定性和安全性。

二、齿条电动转向驱动式REPS助力系统

图3所示为齿条电动转向驱动式助力系统的结构，它由机械与电气两部分组成，机械部分主要有齿条轴、转向驱动小齿轮、循环滚珠式减速装置、左右两边的横拉杆及车轮转向节等；电气部分包括助力驱动电机，转矩传感器及转向传感器、ECU电控模块、电源变频装置及车速传感器等几种部件所组成，电机直接安装在齿条轴上提供助力，形成齿条电机助力式转向系统。

电动汽车的转向系统随车型会有差别，主是是采用不同的转矩传感器、不同的驱动电机、不同的布置形式，或采取不同的减速传动装置。但电动汽车的转向系统的基本工作原理是相同的，均是通过转矩及转向传感器，检测驾驶员操纵方向盘的转矩大小及转角方向，并转化成电信号，传输到转向控制单元ECU进行分析，输出一个与之相匹配的力矩信号，指令转向的驱动电机工作，而产生相应的转向助力作用。

转矩传感器反映了驾驶员操纵方向盘转动的力矩的大小，转矩传感器通常有解角式、磁阻式及检测环复合式等数种形式，其中解角式转矩传感器用得最普遍。图3中的转角传感器是检测转向角度及转动方向用的。

1.解角式转矩传感器的结构

解角式转矩传感器通常安装在方向盘转向柱的中部或下端，串接在方向盘的转向轴与转向齿条之间，转矩传感器的输出装置就是转向驱动小齿轮，它与齿条直接啮合使齿条作左右直线运动，通过左右横拉杆来驱动车轮的转向节左右摆动而转向。显然转矩传感器在电动转向系统中，是极重要的一个部件，它检测驾驶员操纵方向盘转向力矩的大小，并将此力矩转换成电信号，向转向控制器ECU传输。

图4是解角式转矩传感器的分解图，图中部为其转子总成外形图，右部图是其定子结构图，定子分上下两层分别嵌有上定子线圈1和下定子线圈2(用红字标注)。它安装在转向器外壳内，是固定不动的，其上有七根不同颜色的细线，向转向控制单元ECU输出转矩信号；定子的内部是转矩传感器的转子，转子的上端与方向盘轴用花键钢性连接，转子轴有上下的内外两层。图中用红色线标识转子线圈1，用兰色线标识转子线圈2。两个定子线圈与两个转子线圈在位置上是分别对应的。转子线圈1是装在转子空心轴上，与方向盘同步旋转。而转子线圈2则与转向小齿轮一起旋转，小齿轮的上部有较细的扭杆，插入空心轴内，细扭杆的上端与空心轴的上端用横销相连，有花键与方向盘的输出转轴连接，随着方向盘一起转动。扭杆下端是驱动小齿轮，直接与齿条相啮合，驱动两前轮左右摆动而转向。

2.转矩传感器的输出电压

转矩传感器的输出电压反映了驾驶员操纵转向力矩。当驾驶操纵方向盘转向时，方向盘轴带动转矩传感器的转子轴旋转，转子轴的空心轴与扭杆轴随之转动。空心轴的下端只有转子线圈1，而没有其他的负载，所以空心轴完全与方向盘同步旋转；而灵敏的细扭杆轴下端是驱动小齿轮，它与齿条啮合以驱动左右前轮摆动。由于轮胎与路面有较大的摩擦力，反映扭杆轴上的驱动齿轮是有载荷阻力的。在这个阻力的作用下，会造成细扭杆产生一定的扭曲形变，扭曲形变量的大小直接反映转子线圈2与转子线圈1两者间产生的“相位差”。两个转子线圈的转角相位差可通过定子的上层和下层的线圈感应，则定子线圈输出转向的感应电压信号到转向ECU电控模块，反映了驾驶员操纵方向盘的力矩，故这个装置称为转向的转矩传感器。

3.转向助力电机与减速机构

转向齿条轴横置在驾驶室火墙的下方，其外壳内装有电机，向转向系统提供助力。电机有直接采取DC直流无刷电机式的，也有用三相永磁无刷电机式的，其共同特点是电机的体积小可直接安装在转向器的齿条轴上，转子的转动惯量较小，转向操纵十分灵活，运转时的噪声较低，输出功率高。电机结构的特点如下。

①为减少助力电机的体积和增大电机的输出功率，有的电机的工作电压提升到三相交流电30V左右，有的三相交流电压提升得更高，远高于蓄电池的电压，可有效地减小电机运转时的工作电流。由于电机工作电压提升的需要，为此必须增加一个电压提升的电路，以及必须的电源逆变电路来产生三相交流电，供三相驱动电机使用。

②电机的转子采用永磁材料，为使转向齿条轴穿过电机的转子，所以转子内部是空心的，电机与齿条轴是同轴结构。如图3所示，电机永磁转子上还安装有转角传感器的永磁转子，与之相对应的还有转角传感器的定子及其线圈，其信号传给转向ECU，反映了实际转向及角度的大小。

③电机的旋转运动是通过减速装置传给齿条轴的，为高效传递转矩减轻摩擦阻力，并减少运动的噪声，这里采取了循环滚珠式的减速装置，如图3所示。齿条轴的延伸是滚珠丝杠，外套有滚珠螺母，丝杠与螺母间有循环流动的滚珠。转向电机转子的高速旋转通过外套的滚珠螺母，形成较大的减速比，并将滑动摩擦转换成滚动摩擦，摩擦阻力异常轻巧，轻便的传送给滚珠丝杠，使得齿条轴得以助力，整个转向系统变得轻便灵活，响应极迅速。

4.齿条平行轴式REPS电动助力转向系统

齿条驱动式电动助力转向装置，有同轴式和平行轴式两种形式，同轴式REPS辅助系统是指电机的空心轴与转向器丝杠轴两者同为一根轴，电机转子直接驱动丝杠螺母，并将转矩传递给丝杠螺母，丝杠螺母副将旋转运动转变成齿条的直线运动。本文前面所述的电机辅助助力系统就是同轴式的。

平行轴式REPS是指转向器助力电机转子与转向器丝杠轴两者不同轴，而采用平行轴结构，利用皮带连接电机转轴和丝杠螺母，滚珠丝杠上的循环滚珠作为减速机构。平行轴式REPS主要由壳体、驱动电机、滚珠丝杆、输入齿轮轴总成、扭矩传感器、ECU和轴承等构成。

现代欧美电动车型中多用平行轴式电动助力转向，我国新投产的比亚迪“秦牌”混合电动汽车，大众车系的“迈腾”轿车均采用了这种电动转向结构，如图5所示，这种齿条平行轴式REPS系统的驱动部分，与齿条驱动式电动助力转向装置一样，它的转向丝杆亦是采取十分省力灵活的滚珠结构。

平行轴式电动助力转向系统的驱动电机，多用永磁式三相交流电机，工作电压一般与动力电池的电压相同，但也需要通过变频器的转换，将动力电池的直流电压首先经变频器逆变为三相交流电后，再供给转向驱动电机旋转，使转向系统得以助力。可参见相关的电动汽车空调或电动汽车驱动系统的变频器电路，了解其工作原理。

(作者杨树岭工作单位：中国北方车辆研究所)