转角传感器的作用 简述电动转向系统扭矩转角传感器

简述电动转向系统扭矩转角传感器

一般来说，电动助力转向系统的基本策略如下图，可见其所有基本控制模块，输入要么需要方向盘力矩信号，要么需要方向盘转角信号（方向盘转速通过转角信号计算得到），这两个信号一般来说是通过一个扭矩转角传感器TAS（Torque and Angle Sensor）来获取。本文浅尝辄止地讲一讲目前EPS系统中用到的主流扭矩转角传感器。

TAS的扭矩检测功能，其本质上还是一个转角传感器，TAS与扭杆组装在一起构成扭矩传感器总成，方向盘转动时，扭杆与扭矩传感器的上半部分与下半部分存在一个相对偏转角，TAS就是通过检测这个相对转角来测量方向盘力矩的。

在实际的应用中，还有TIS（Torque+Index Sensor）和TOS（Torque Only Sensor）两种，TIS只能提供扭矩信号和绝对转角的过零信号脉冲，系统可以结合电机角度来得到方向盘角度；TOS只能提供扭矩信号。

TAS发展至今，大抵经过了接触式传感器和非接触式传感器两个阶段，接触式传感器由于传感元件之间一直存在滑动摩擦，因此在使用过程中容易受到磨损老化，出现测量信号不准确甚至报错的情况。这种类型的传感器已经逐渐被淘汰。

TAS大抵可以分为如下几类，下文将分别述之。

（1） 接触式电位器扭矩转角传感器

接触式传感器主要代表有日系早期的扭矩传感器和BI公司的第一代扭矩转角传感器。其感知元件均采用高精度电位器，当扭杆发生形变转过一定角度时，机械结构巧妙地带动电位器同步旋转相应的角度，从而引起电位器的电阻发生变化，达到测量角度的目的。

（2） 旋变式非接触式TAS

旋变式的非接触式TAS在日本的EPS供应商中应用比较多一些，其基本原理为定子线圈上提供一个正弦的励磁电流，在气隙中空间形成一个正弦分布的旋转磁场，转子线圈感应该磁场得到一个与励磁同频率但不同赋值和不同相位的正弦电压信号，通过解析该感应电动势可以得子转子线圈的位置，从而得到测量扭杆偏转角。

（3） 霍尔式非接触式扭矩传感器

这一类的TAS是目前市场上用得最多的，市场占有量最大的厂家分别是海拉、法雷奥和博世。三家的传感器虽然都是应用的霍尔效应，但在其信号产生机理和应用上却有本质的区别。

首先让我们来看看什么是霍尔效应？

在与磁场垂直的N型半导体薄片上通以电流I，由于N型半导体的载流子为电子，因此电子将沿与电流相反的方向运动。由于洛仑磁力的作用，电子发生偏转，一侧形成电子累积，另一侧形成正电荷累积，于是元件的横向便形成了电场。该电场阻止电子继续向侧面偏移，当电子所受电场力与洛仑兹力相等时，电子的累积达到动态平衡。这时在两端横面之间建立的电场称为霍尔电场 ，相应的电势称为霍尔电势 。

通过以上的定义，显然如果要利用霍尔效应产生电势，需要以下几个条件：

磁场（可以是永磁体生磁，也可以是电生磁）

半导体薄片（芯片厂搞定）

半导体薄片上通过一个电流

其结果为：

在半导体薄片上与磁场和电流平面垂直的方向产生一个电势，该电势大小与磁场方向及电流大小有关。

3.1 BOSCH的TOS/TIS方案

传感器由MU（永磁体单元）、FTU（磁场传导单元）和SU（传感单元三部分组成）。

其信号输出类型有模拟量、PWM和PAS4协议、PSI5协议几种类型。MU的磁性非常大，而为了获得准确的扭矩精度，对MU、FTU以及SU之间的装配间隔的要求也相当高，给小总成的安装工艺带来的问题比较多。

3.2 Valeo的TAS方案

Valeo的传感器也是使用永磁体励磁，但是只有永磁体和传感单元两个单元。跟Bosch的传感器相比较，我们可以理解成valeo把FTU和SU做了集成化。

永磁体励磁的TAS扭矩检测原理如下图所示：

（1）永磁体在圆周上均匀分步n对磁场N－S极（一般为8对），磁场在气隙内呈均匀正弦分步

（2）当永磁体和磁场传导单元发生相对角位移时，磁场传导单元所在位置的空间磁场发生相应变化

（3）Hall芯片感应磁场传导单元所在位置的磁场，并将其转换成电压信号

为了检测绝对转角信号，valeo的ASU方案中在跟输入轴上先增加了一个大的齿轮，然后又安装了两个速比不一样的AS齿轮和RS齿轮（下图标注有BUG，请读者自行找茬），其中AS齿轮与大齿轮的速比为360:144，RS齿轮与大齿轮的速比为360:2448.在该齿轮上安装有两个另外的永磁体，各有一片Hall芯片（无磁场传导单元）来采集AS和RS的信号。

其信号特征见下：

3.3 Hella的TAS方案

Hella TAS传感器方案最大的创新在于：

完全抛弃永磁体，通过在PCB上的印制线路形成电感线圈，在线圈两端施加电压以后即在空中形成hall效应所需要的磁场

为了测量绝对角度，跟Valeo的方案比，只增加了一组齿轮

其检测的机理为，两个转子分别检测40°信号（以40°为周期）和20°信号（以20°为周期），每一个转子实际上有三组相位互差120°的线圈，三组线圈同时接入感知芯片中。

减速齿轮与valeo的方案相似，输出PWM信号，PWM 【min max】对应转角【-738° 738°】。

上图为Hella传感器SENT版本的信号框图，两路通过SENT协议发送给ECU的信号是20°传感器和40°传感器所感测到的绝对转角信号，还需要在ECU内部通过一定的算法将两个绝对转角信号做同步处理及冗余校验后相减才能得到相对转角信号-即扭杆偏转角。

同时，Hella提供的传感器扭矩信号还有PWM版本，即把同步处理和冗余校验的工作放在传感器内部完成了，无需ECU来做此工作。

通过上图IC300得到的转角分辨率非常低，因此这个角度一般来说只用来：

计算初始角度

冗余校验

在其它两路信号失效的情况下提供一个DEGRADED ANGLE。

获得初始角度以后，一般来说都是用40°转子所提供的信号来求解分辨率更高的方向盘角度信号。

（4） 其它类型的传感器，譬如光耦、巨磁等，要么已经退出历史舞台，要么属于极其小众型的传感器，在此不再赘述。

作者：JACK

电子电器好课(点击标题查看）

《整车网络和ECU诊断实例讲解》

发动机上这些重要的传感器，作用、工作原理、安装位置是否都了解

汽车维修技术与知识分享

1

空气流量传感器

■ 作用

空气流量传感器又称空气流量计，其作用是检测发动机进气量的大小，并将进气量信息通过电路的连接转化为电信号输入给ECU，以供ECU确定喷油量和点火时间。空气流量传感器获得的进气量信号是ECU进行喷油控制的主要依据，若其损坏或其电路连接出现故障，则会使发动机的进气量测量不准确，使进入气缸的混合气过浓或过稀，从而导致ECU无法对喷油量进行准确的控制，导致发动机运转不正常，排放超标 。

■ 安装位置

一般安装在进气管上，如下图所示。

■ 种类

空气流量计可分为体积式和质量式，其中体积式又分为叶片式、卡曼涡流式和量芯式；质量式又分为热线式和热膜式。

2

冷却液温度传感器

◎ 作用

冷却液温度传感器(即水温传感器)的主要作用是检测冷却液温度，在发动机电控系统中，传感器能感知到冷却液温度的变化，并将这种变化通过电路的连接转化为电信号输送给ECU，ECU根据输入的电信号即冷却液温度的变化信号，来对电喷发动机的喷油量及喷油时间进行修正，同时调整空燃比，使进入发动机内的混合气能稳定地燃烧，冷机时供给较浓的可燃混合气，热机时供给较稀的可燃混合气，使发动机良好地工作。

◎ 安装位置

冷却液温度传感器一般装在电喷发动机缸盖的水套及上出水管、节温器等处，如下图所示。

◎ 类型

冷却液温度传感器主要有绕线电阻式、热敏电阻式、扩散电阻式、半导体晶体管式、金属芯式、热电偶式等类型。应用最广泛的是热敏电阻式。

3

进气温度传感器

■ 作用

进入发动机气缸内的空气质量与进气温度和进气压力有关，即当温度低时，空气密度大，相同体积空气的质量大；反之，进气温度升高时，相同体积空气的质量少。在采用空气流量传感器的燃油喷射系统中，空气流量传感器测定的空气质量为体积流量，因此需要进气温度传感器和大气压力传感器。

进气温度传感器也是由负温度系数的热敏电阻组成的，即温度升高时传感器的电阻明显减小。其用来检测发动机的进气温度，并将这种温度信号通过电路的连接以电信号的形式输入给ECU，ECU则根据输入的电信号对喷油量进行修正。

如果进气温度传感器出现故障，会使输入给ECU的进气温度电信号出现中断，使进入发动机气缸中的混合气过稀或过浓，燃烧情况变差，出现热启动困难、废气排放量增大、工作不稳定情况。 同时若在行车中出现上述情况，则应对进气温度传感器进行检测。

■ 安装位置

进气温度传感器通常安装在空气滤清器之后的进气软管、空气流量传感器、节气门体和进气歧管上，如下图所示。有的还在空气流量传感器和谐振腔上各安装一个，以提高喷油器的控制精度。

4

EGR监测温度传感器

◎ 作用

EGR监测温度传感器用来监测EGR阀内再循环气体的温度变化情况，并监测EGR阀的正常工作，从而控制排气歧管出来的部分废气再循环地进入进气歧管中，降低气缸的最高燃烧温度，并减少尾气中NOx的含量，以降低对环境的污染程度。

EGR监测温度传感器也是采用负温度系数的热敏电阻为检测元件，EGR阀在发动机中速运转及中等负荷时开启，在发动机低速运转、水温低于60℃时EGR阀关闭，以防止发动机怠速不稳，发动机在大负荷运转时EGR阀也关闭，以保证发动机有足够的功率输出，因此EGR监测温度传感器检测的温度范围为50~400℃。

导致EGR系统停止工作的可能原因：EGR监测温度传感器的连接电路短路或断路；EGR控制系统发生故障；管路中的沉积物堵塞了管路等。当EGR系统停止工作时，应对EGR监测温度传感器进行检测。

◎ 安装位置

EGR监测温度传感器安装在EGR阀的进气道上，如下图所示。

5

进气歧管压力传感器

■ 作用

进气歧管压力传感器(也称为进气压力传感器或MAP )用在D型和缸内直喷系统中(当应用在发动机上电控多点间歇式汽油喷射系统中时，基本特点是以进气歧管绝对压力和发动机转速为基本控制参数来控制喷油器的基本喷油量)，根据发动机的负荷测出进气歧管内压力的变化，并通过电路的连接转化为电信号和转速信号，一起输入发动机ECU，作为确定喷油器喷油量的基本依据。进气压力增大，喷油量增多，点火提前角变小。如果进气压力传感器工作不良，则一般会使发动机出现启动困难、怠速抖动、加速无力、油耗增大、排放超标等故障 。

■ 安装位置

进气歧管压力传感器大多安装在汽车发动机的进气歧管上，也有少部分安装在汽车发动机ECU的控制盒内或发动机室内(皇冠3.0轿车安装在发动机室内、奥迪A6轿车安装在发动机ECU内)。

6

机油压力传感器

机油压力传感器的作用是向ECU通报发动机机油主油道的压力，当机油压力低于期望值时，ECU将启用降低发动机转速和功率的保护功能，来调节发动机的转速和功率。当检测到机油压力超出规定范围时，ECU将使仪表板上的红色报警灯闪亮，向驾驶员发出报警信号，有些发动机或汽车还可能伴有蜂鸣声。如果ECU设有停机保护功能，当机油压力低于限值30s后会使发动机自动停机，有些系统可能还设有手动延时按钮，按下该按钮后，发动机的运转时间将延长30s，以便驾驶员能够将汽车安全地停靠到路边。

检测： 打开点火开关，但不启动发动机，拔下机油压力传感器的插头，用万用表检测机油压力传感器插头与搭铁线之间的电阻值。在发动机启动后，油压达到20kPa以上时，再对其电阻值进行测量，其阻值应变小，否则说明此传感器已损坏，应进行更换。

7

曲轴位置传感器

曲轴位置传感器(crankshaftpositionsensor，CPS或CKP )又称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ECU，以便确定喷射顺序、喷射正时、点火顺序、点火正时，然后根据信号监测到的曲轴转角波动大小来判断发动机是否有失火现象。它是发动机集中控制系统中最主要的传感器之一，是控制发动机燃油喷射和点火时刻确认曲轴位置的信号源，同时也是测量发动机转速的信号源。曲轴位置传感器用来检测活塞上止点及曲轴转角的信号并将其输入ECU，用来对点火时刻和喷油正时进行控制。在现代电控发动机上，曲轴位置传感器和发动机转速传感器制成一体，既可用于发动机曲轴位置和活塞上止点位置的测定，又可用于发动机转速的测定。

曲轴位置传感器一般安装于曲轴前端、靠近飞轮的变速壳体位置，如下图所示。该传感器按其工作原理的不同可分为磁电感应式曲轴位置传感器、光电式曲轴位置传感器和霍尔式曲轴位置传感器等。

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节气门位置传感器

节气门位置传感器安装在节气门体上，副节气门位置传感器安装在副节气门上。常见的类型有开关式(触点式)节气门位置传感器、线性式(电位计)节气门位置传感器和综合式节气门位置传感器。新型的智能电子节气门控制系统所用的节气门位置传感器常见的有双滑动电阻式和线性双霍尔式两种。如果按是否能调整分类可以分为可调整节气门位置传感器和不可调整节气门位置传感器。可调整节气门位置传感器的固定螺钉的孔是椭圆形的，松动固定螺钉可小范围地调整节气门位置传感器的位置。

◎ 作用

① 检测节气门开度的大小，将节气门的开度信号转换成电压信号输送到发动机ECU。

② 反映车辆的加、减速状态；反映发动机的负荷状态；反映发动机的怠速状态。

③ 控制减速断油。

④ 进行自动变速器的换挡控制。

⑤ 发动机运行时，如果空气流量计有故障，有的发动机控制系统的失效保护是由ECU根据节气门位置传感器信号和转速信号来控制喷油器的通电时间。

⑥ 副节气门位置传感器是防滑系统中的器件，能反映副节气门的位置信号。

◎ 调整

① 启动发动机，怠速运转。

② 用万用表测量节气门位置传感器IDL信号线电压。

③ 当节气门止动螺钉和挡杆之间间隙小于0.35mm时(节气门开度<3°)，IDL信号线电压应为0。

④ 当节气门止动螺钉和挡杆之间间隙大于0.70mm时(节气门开度>3°)，IDL信号线电压应为5V。

⑤ 若不符合以上要求，则松开传感器的两个固定螺钉，慢慢转动传感器给予调节。

⑥ 直至IDL信号线电压符合③、④要求，并紧固传感器固定螺钉。

有一些车没有怠速开关IDL，若需调整节气门位置传感器，可在节气门完全关闭时，调整节气门传感器位置使其VTA电压值小于0.8V。

9

爆燃传感器

爆燃传感器是发动机电子控制系统中必不可少的重要部件，它的作用是检测发动机有无爆燃现象，并将信号送入发动机ECU。常见爆燃传感器有两种：一种是共振型压电式爆燃传感器；另一种是共振型磁致伸缩式爆燃传感器。

爆燃传感器将检测到的发动机爆燃信号——气缸体振动的压力波，转变为电信号传给ECU，ECU立即将点火时间推迟，避免爆燃。爆燃消失后，控制系统使点火提前角逐步恢复。

大多数发动机有1~2个爆燃传感器，为了感应发动机敲缸情况，爆燃传感器只能安装在缸体上。

大众汽车发动机控制单元利用霍尔信号，将爆燃信号选择性地指定给各个气缸。若爆燃传感器检测到某个气缸中发生爆燃，那么发动机管理系统将改变该气缸的点火时刻(点火提前角向“滞后”方向调节)，直至不再发生爆燃。若确认该气缸中没有继续发生爆燃的趋势，那么控制单元将其点火提前角恢复到最初位置(向“提前”方向调节)。桑塔纳2000GSi型发动机采用两个爆燃传感器，分别安装在气缸体进气管侧第1、第2缸和第3、第4缸之间。

采用爆燃传感器信号进行点火提前角闭环控制可以防止发动机爆燃，使燃烧总接近于爆燃点，最大限度地提高燃烧质量。不仅可保证使用低牌号汽油时不损坏发动机，同时也保证发动机在使用高质量汽油时能发出最大功率。

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