霍尔传感器的汽车应用：汽车霍尔传感器应用

汽车霍尔传感器

霍尔传感器作为传感器家族的一员，有着广泛的应用。如今霍尔传感器广泛用于汽车工业,变频器,出租车计价器等行业。汽车工业中霍尔传感器应用技术非常广阔。

汽车工业技术中霍尔传感器应用，包括车身控制,牵引力控制,动力和制动系统的防抱死制动系统。为了满足大部分的系统需求，霍尔传感器分三种模拟,开关和数字传感器。

霍尔传感器可以由金属和半导体制成。对材料质量的影响取决于导体。材料将直接影响通过传感器的正离子和电子电流的流动。霍尔生产零部件，汽车行业通常采用InAs,InSb,GaAs三种半导体材料。经常使用的材料是铟。

使用霍尔传感器方法，确定放大器电路的差异，并且放大器的输出适合于控制设备。输出可以是模拟的，例如，曲轴或凸轮轴位置传感器。例如节气门位置传感器或加速度位置传感器。

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霍尔传感器的汽车应用：霍尔传感器在汽车点火器中的应用

随着汽车发动机向高转速、高压缩比、大功率、低油耗和低排放的方向发展，传统的点火装置已经不适应使用要求。点火装置的核心部件是点火线圈和开关装置，提高点火线圈的能量，火花塞就能产生足够能量的火花，这是点火装置适应现代发动机运行的基本条件。而霍尔传感器能被广大汽车商采纳作为点火器的基本原理如下：

霍尔信号发生器是一个有源器件，它需要提供电源才能工作，霍尔集成块的电源由点火器提供。霍尔集成电路输出极的集电极为开路输出形式，霍尔元件集电极的负载电阻在点火器内设置。

霍尔元件信号发生器有三根引出线且与点火器相连接，其中一根是电源输入线，一根是信号输出线，一根是接地线，霍尔信号发生器外壳的三线插座分别接好后，分电器工作时，叶片随分电器轴转动，每当叶片进入永入磁铁的霍尔元件之间的空气隙时，霍尔集成块中的磁场即被触发叶轮的叶片旁路（或称隔磁），这时霍尔元件不产生霍尔电压，集成电路输出的三极管处于截止，信号发生器输出高电位。

当触发叶轮的叶片离开空气隙时，永久磁铁的磁通便通过埣尔集成块经导板构成回路，这时霍尔元件产生霍尔电压，集成电路输出极的三极管处于导通状态，信号发生器输出低电位。当叶轮缺口的后边缘转动使磁极端面只露一半时，信号输出端的电压瞬间从低电位跳到高电位，此时就是点火时刻。

常用在汽车点火器上的霍尔传感器有：SS495，SS49E。

霍尔传感器的汽车应用：霍尔传感器在汽车电子领域的应用

霍尔曲轴和凸轮轴位置传感器
1、功用与类型
曲轴位置传感器(Crankshaft Position Sensor，CPS)又称为发动机转速与曲轴转角传感器，其功用是采集曲轴转动角度和发动机转速信号，并输入电子控制单元(ECU)，以便确定点火时刻和喷油时刻。
凸轮轴位置传感器(Cylinder Identification Sensor，CIS)又称为气缸识别传感器，为了区别于曲轴位置传感器(CPS)，凸轮轴位置传感器一般都用CIS表示。也叫同步信号传感器，它是一个气缸判别定位装置，向ECU输入凸轮轴位置信号，是点火控制的主控信号。
2、结构和工作原理
霍尔曲轴和凸轮轴位置传感器内部都釆用了一个由霍尔开关集成电路和遮断方式的磁路设计（图7中d的磁路方式）制成的霍尔翼片传感器，该传感器主要由霍尔集成电路、永久磁铁和导磁片组成。霍尔集成电路与永磁铁之间有1mm的间隙，导磁片又称信号转子安装在进气凸轮上，用螺栓和座圈固定。信号转子的隔板又叫做叶片，在隔板上有一个窗口，窗口对应产生的信号为低电平信号，隔板对应产生的信号为高电平信号。当信号转子随进气凸轮轴一同转动时，隔板和窗口从集成电路与永磁铁之间的间隙中转过。当信号转子的隔板进入间隙时，霍尔集成电路中的磁场被旁路，霍尔元件上没有磁力线穿过，霍尔电压UH为零，集成电路输出级三极管截止，传感器输出的信号电压为高电位，约4.8V；当信号转子的隔板离开间隙时，永磁铁的磁通经导磁片和霍尔元件集成电路构成回路，集成电路输出级三极管导通，传感器输出的信号电压为0.2V，为低电位。霍尔传感器工作原理的立体结构图见图11。
图11霍尔传感器工作原理的立体结构图
发动机工作时，曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器产生的信号不断地输人ECU。当ECU同时接收到曲轴位置传感器大齿缺对应的低电位信号（15°）和凸轮轴位置传感器窗口对应的低电位信号时，可以识别出1缸活塞在压缩上止点、4缸活塞处于排气行程，并根据曲轴位置传感器小齿缺对应输出的信号控制点火提前角。由于凸轮轴位置传感器与曲轴位置传感器同时输出信号，凸轮轴位置传感器信号作为判缸信号，所以凸轮轴位置传感器也叫做同步信号传感器，它的安装位置见图12，结构见图13。
桑塔纳2000Gli轿车的霍尔式凸轮轴位置传感器与ECU的连接电路如图14所示。该传感器G40导线连接器有三个接线端子，1为传感器电源正极端子；2为传感器信号输出端子；3为传感器电源负极端子。这三个端子分别与ECU的62、76和67 端子相连。
图12霍尔式凸轮轴位置传感器安装位置

霍尔传感器的汽车应用：霍尔传感器在汽车行业的应用与控制原理

作者;安科瑞杨成
摘要：汽车霍尔传感器广泛用于汽车发动机、底盘、车身控制系统，只有掌握其控制原理和检测方法，才能在汽车维修过程中准确诊断故障。文章详细介绍霍尔传感器控制原理，并阐述使用万用表、发光二极管、示波器对霍尔传感器的检测方法，结合汽车维修故障实例，明确检修流程和方法，在汽车维修时可根据检测设备，采用适当的方法，判断霍尔传感器的工作性能是否正常，对汽车诊断维修有一定的指导意义。
关键词：霍尔传感器；控制原理；车身控制系统；汽车电子
0引言
我国汽车产销量已经连续11年位居世界前列，汽车已经进入千家万户，新能源汽车发展也突飞猛进。新能源汽车电子产品向集成化、信息化、网络化、智能化方向发展。新能源汽车是以计算机为控制中心的高度自动化控制系统，系统由传感器、电控单元、执行器组成。随着汽车功能的不断增加，汽车上用于检测角度、加速度、压力、力矩、位置等参数的传感器，随时间变化，转变成电量来进行检测和控制。根据传感器的工作原理区分，常见有三种：磁脉冲式、霍尔式、光电式，霍尔式传感器因具有安装方便、体积小，输出电压信号稳定，并能在灰尘、油污恶劣环境下工作的优点，应用广泛，以下分别从传感器的原理、检测和诊断三个方面阐述，为汽车维修工作提供借鉴。
1霍尔传感器工作原理
霍尔效应：美国物理学家霍尔于1879年在做金属导电性能实验时，验正总结得出电压与电流、磁场强度三者的相互关系。先将一个薄金属基片置于磁场中，在磁场垂直方向给基片通过电流I，受磁场力作用，电荷会产生偏移，垂直于磁场与电流的横向侧面上产生聚集电压，电压与电流和磁场强度成正比，这就是霍尔电压UH，可用公式表示：
UH＝RHIB/d
RH为霍尔系数，I为电流，B为磁场强度，d为基片厚度。
金属基片产生的电压比较微弱，后来研究半导体、导电流体，同样具有霍尔效应，而且半导体输出电压更有优势，比金属强得多，利用半导体制成各种霍尔元件，当结构一定且电流为定值时，霍尔电压与磁场强度成正比。目前广泛应用于汽车电子、自动化技术、检测技术及信息处理等方面。
20世纪80年代，电子元件逐渐应用于汽车发动机控制，霍尔元件常用于曲轴和凸轮轴位置传感器，霍尔元件具有开关作用，能够输出数字信号，实现功率晶体管导通与关闭功能，通过脉冲信号数量，能计算曲轴和凸轮轴的旋转速度和运动位置。
图1 叶轮式霍尔传感器
将霍尔元件与机械部件结合可以实现机电一体，制作成霍尔电路，其工作原理如图1所示，把只有几个毫伏的微弱电压，经放大后输出较强的电压信号，对三极管控制，达到开关作用。汽车常用叶轮和叶片旋转，切割磁场，控制霍尔电路能输出高低电压。当叶轮叶片运转，通过磁铁和霍尔元件之间的磁场变化，输出霍尔电压，霍尔电压控制电路的输出电压变化，就能判断出曲轴和凸轮轴所处位置，完成点火和喷油正时控制。霍尔传感器特点是需要外加电源才能工作，低转速也能输出稳定的工作电压，通常有触发叶轮式和触发齿轮式两种型式。
2霍尔传感器原理分析与检测
2.1触发叶轮式曲轴位置传感器
在发动机曲轴皮带轮的前端安装传感器，当发动机运转时，触发叶轮的信号转子也随之转动，信号转子外侧分布有若干数量相同的叶轮和缺口。
霍尔信号发生器由永久磁铁、导磁板和霍尔集成电路三部分组成，可参考图1。发动机运转时，信号转子的触发叶片及缺口旋转，永久磁铁与霍尔元件的磁场受信号转子作用而变化；当叶片进入时，磁场就被触发叶片所阻止，从霍尔效应分析可知，此时产生电压为零，霍尔集成电路的晶体管截止，从晶体管三个极的工作原理分析，可以得出结论为传感器输出高电压；反之，缺口正对永久磁铁与霍尔元件时，传感器输出低电压。
2.2触发齿轮式曲轴位置传感器
变速器壳体上加工有安装孔，固定曲轴传感器，曲轴后端飞轮上分布有齿轮形的信号盘，结构如图2所示。以本田
飞度轿车为例，传感器为三线式，其中端子1为电源，端子
2为信号，端子3为地线，传感器头部与信号盘正对。发动机工作，感应头部处于齿轮的槽口时，产生霍尔电压为零，相当于晶体管截止状态，因此传感器输出高电位信号；反之，当感应头部与凸齿正对时，传感器输出低电位信号。因此，发动机连续运转时，传感器产生脉冲电压，发动机ECU对脉冲电压处理，对点火系统及燃油喷射系统控制，保证发动机正常工作。
图2 触发齿轮式传感器结构图
2.3传感器电压控制
从前面的工作原理分析可知，触发叶轮式和触发齿轮式相似，只是结构有别，现以触发齿轮式为例，说明其检测方法。
（1）凸齿处于霍尔开关IC和磁铁之间时，霍尔开关IC接受磁铁产生的磁场，并产生霍尔电压，霍尔电压经放大后，作用于曲轴位置传感器的晶体管基极，使晶体管集电极导通，发动机ECU的5V基准电压被搭铁。因此，发动机ECU将检测到曲轴位置传感器输出的OV低电位（注意：其实低电位电压并非为OV，因为晶体管导通时，根据晶体管的不同，集电极和发射极会有0.3V或0.7V的压降）。当磁力线通过时，霍尔传感器线路中电流流向和电压输出如图3所示。
图3 导通时电流与电压关系
（2）槽口经过磁场与霍尔开关IC时，霍尔开关IC没有接受磁铁产生的磁场，霍尔开关IC不能产生霍尔电压，在曲轴位置传感器内的晶体管不导通，发动机ECU的5V基准电压与搭铁线不导通。因此，信号线电压接近5V，就是高电位状态。参照图三分析得知，磁力线被阻挡，晶体管处于截止状态。
（3）连续运转时，因为齿轮随着曲轴一起旋转，通过曲轴位置传感器的输出信号会随着凸齿和槽口不断进行高、低电位的变换，其每分钟的脉冲数目也会随着曲轴的旋转速率变化而变化。因此，通过检测曲轴位置传感器脉冲信号，可以测得转速。发动机连续运转时，传感器输出为连续脉冲信号。
2.4霍尔传感器在实车上的检测
以本田飞度轿车触发齿轮式传感器接线为例，说明检测方法。
（1）工作电压的检测。断开传感器插头，再拧开点火开关，接上万用表，端子1应有12V，若没有，则检查继电器与端子1间的导通性。
（2）参考电压的检测。将传感器插头断开，后将点火开关置于ON，检查端子2与搭铁的电压，应为4.8~5.0V。否则，检查端子2与ECU的导通性，如果导通，则为ECU故障。
（3）搭铁的检查。检查端子3是否与地线导通，若不导通，则检查线束是否断路。
（4）解码器检测。接上元征X-431检测仪，参照维修手册，检测发动机控制系统，如果曲轴位置传感器损坏，则发动机控制单元会存储故障码P0335。
（5）工作输出信号的检测。使用三通连接插头，或在传感器信号线引出一条测量线，在慢慢转动曲轴时，使用万用表电压档进行检测，电压约在0V、5V之间交替变化。
（6）示波器的检测。因霍尔式传感器是一个电子元件控制电路，只从检查电阻难于判断其好坏，因此，较有效办法是在发动机运转时，用示波器检测输出信号波形。依照以上的接线方式，引出端子2信号，连接示波器进行测量，波形为脉冲方波或者查阅维修手册。
（7）用发光二极管检测。发动机工作时，引出端子2信号，并联一支发光二极管试电笔，观察发光二极管的闪烁情况，应有规律地闪烁，否则曲轴位置传感器信号不良。如二极管试灯不闪烁，则应检查2号信号线端子与ECU的导通性。如果导通，则检查2号信号线端子与搭铁间应有5V电压。电压正常则说明是传感器故障，否则是ECU故障。
3霍尔传感器发展趋势
随着汽车技术的不断进步，同时也要求降低汽车制造成本，霍尔式传感器采用二线式代替三线式，一根为电源线，可以为5V或12V，另一根为信号线，输出信号仍为脉冲方波，ECU内部电阻R与传感器信号电压有密切关系，也决定了输出信号的高、低状态数值，因此即使转速很低，输出信号电压也能保证传感器工作需要。在汽车制动系统上逐渐采用二线霍尔式传感器，如丰田汽车在ABS系统的轮速传感器，供给电压为12V，输出信号的高、低电压分别为0.7V
及1.4V。
4案例分析
为了更好理掌握尔传感器的检测方法，现结合案例分析。
（1）飞度轿车不能起动。在我校汽车学院有位年轻教师利用2017款本田飞度轿车开展车身电器项目实训，下课时恢复实训车辆原来状态，但车辆没法起动，该教师和学生花了1个多小时，仍未找到原因，请求我帮助。我首先用解码器检测读取故障码，共有超过10个故障码，应为做实训时带电拔插传感器留下的故障码，应先消码，再打起动机，读取故障码为P0335，经检查后发现为曲轴位置传感器因为反复拔插，插头端子松动，导致传感器与插头接触不良，经处理插头后，发动机能正常工作。
（2）大众奥迪，行车死火。曾经维修过一台2013年奥迪A6，根据车主反映，该车辆在行驶时突然抖动明显，停车后再发动，无法工作，只能拖车进厂。
用汽车维修检测电脑检查，显示“发动机转速信号不可靠”。先曲轴位置传感器插头，未发现异常，打马达时，用示波器检测曲轴位置传感器输出信号，发现输出波形有一个信号异常，怀疑信号盘有问题，用内窥镜观察曲轴位置传感器信号盘，发现信号盘缺了一个齿，为何会缺齿?带着疑问拆解发动机。原来第三缸活塞连杆变形，影响曲轴不规则运转，导致这一个齿损坏。经更换活塞、连杆、曲轴，装复发动机工作正常。
5安科瑞霍尔传感器产品选型
5.1产品介绍
霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换，通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD、DSP、PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集和接受，响应时间快，电流测量范围宽精度高，过载能力强，线性好，抗干扰能力强。适用于电流监控及电池应用、逆变电源及太阳能电源管理系统、直流屏及直流马达驱动、电镀、焊接应用、变频器，UPS伺服控制等系统电流信号采集和反馈控制。
图4 霍尔传感器
5.2产品选型
5.2.1开口式开环霍尔电流传感器
型号额定电流供电电源额定输出测量孔径(mm)准确度AHKC-EKA0～(20-500)A±15V5Vφ201级AHKC-EKAADC0～(50-500)A12V/24V4～20mAφ201级AHKC-EKDAAC0～(50-500)A12V/24V4～20mAφ201级AHKC-EKB0～(50-1000)A±15V5Vφ401级AHKC-EKBADC0～(50-1000)A12V/24V4～20mAφ401级AHKC-EKBDAAC0～(50～1000)A12V/24V4～20mAφ401级AHKC-EKC0～(50-1500)A±15V5Vφ601级AHKC-EKCADC0～(50-1500)A12V/24V4～20mAφ201级AHKC-EKCDAAC0～(50-1500)A12V/24V4～20mAφ201级AHKC-K0～(400-2000)A±15V5V64×161级AHKC-KAADC0～(400-2000)A12V/24V4～20mA64×161级AHKC-KDAAC0～(400-2000)A12V/24V4～20mA64×161级AHKC-H0～(500-3000)A±15V5V82×321级AHKC-KA0～(500-5000)A±15V5V104×361级AHKC-HB0～(2000-)A±15V5V132×521级AHKC-HBAADC0～(2000-)A12V/24V4～20mA132×521级AHKC-HBDAAC0～(2000-)A12V/24V4～20mA132×521级
表1
5.2.2闭口式开环霍尔电流传感器
型号额定电流供电电源额定输出测量孔径(mm)准确度AHKC-E0～(20-500)A±15V4V/5Vφ201级AHKC-LT0～(100-800)A±15V4V/5Vφ32.51级AHKC-EA0～(200-2000)A±15V4V/5VΦ401级AHKC-EB0～(200-2000)A±15V4V/5VΦ601级AHKC-BS0～(20-500)A±15V4V/5V20.5*10.51级AHKC-BSADC0～(50-500)A12V/15V/24V4～20mA20.5*10.51级AHKC-CDC0～(100-800)A±15V4V/5V31*131级AHKC-F0～(200-1000)A±15V4V/5V43*131级AHKC-FA0～(200-1500)A±15V4V/5V52*151级AHKC-HAT0～(400-2000)A±15V4V/5V52*321级
表2
型号额定电流供电电源额定输出测量孔径(mm)准确度AHBC-LTA0~(100～300)A±15V50mA/100mAφ200.5级AHBC-LT~1000A±15V200mA/0.5级AHBC-LF0~2000A±15V400mA/0.5级
5.2.3闭环霍尔电流传感器
型号额定电流供电电源额定输出测量孔径(mm)准确度AHBC-LTA0~(100～300)A±15V50mA/100mAφ200.5级AHBC-LT~1000A±15V200mA/0.5级AHBC-LF0~2000A±15V400mA/0.5级
表3
5.2.4直流漏电流传感器
型号额定电流供电电源额定输出测量孔径(mm)准确度AHLC-LTADC0~(10mA～2A)±15V5Vφ201级AHLC-EADC0~(10mA～2A)±15V5Vφ401级AHLC-EBDC0~(10mA～2A)±15V5Vφ601级
表4
6小结
霍尔传感器因输出信号电压幅值只有高低两个电位，响应性好，在汽车电子控制上有取代磁脉冲式的趋势。在职业教学，首先结合信息化手段突破工作原理的难点，采用理实一体化模式教学，注重在实车上的检测方法，在实训教学上就会得心应手，解决实训设备在高频率使用时损坏的问题。通过教师带领学生排除故障的实践，从工作原理入手，分析电路图，选择适当的工具和设备，记录检测数据，对照维修标准，进行逻辑推理，确定故障部位。