寶馬車偏心軸位置傳感器的信號波形分析

戈華飛

如圖1所示，寶馬Valvetronic系統(tǒng)打開進氣門的方式不再受進氣凸輪軸的形狀所限制，而是通過中間推桿的位移來實現(xiàn)。中間推桿旋轉(zhuǎn)，使中間推桿底部與搖臂的相對位置發(fā)生改變（具體工作原理可閱讀本人撰寫的另一篇文章——《寶馬Valvetronic 系統(tǒng)工作過程詳解》，刊登于本刊2019年第03A期），從而改變進氣門升程。

為使中間推桿旋轉(zhuǎn)，Valvetronic系統(tǒng)使用了1套偏心軸電動機和蝸輪蝸桿機構(gòu)。蝸輪并非一個正圓，只有一半左右，且與偏心軸一體。當(dāng)偏心軸電動機運轉(zhuǎn)，蝸桿帶動蝸輪旋轉(zhuǎn)，從而使偏心軸旋轉(zhuǎn)，最終帶動中間推桿旋轉(zhuǎn)。

圖1 寶馬Valvetronic系統(tǒng)

為了精確控制進氣門的升程，需要對偏心軸旋轉(zhuǎn)角度進行監(jiān)測。Valvetronic系統(tǒng)現(xiàn)已發(fā)展到第4代，打開進氣門的方式?jīng)]有改變，但從第3代Valvetronic系統(tǒng)開始，對偏心軸旋轉(zhuǎn)角度的監(jiān)測從外部偏心軸位置傳感器移到偏心軸電動機總成內(nèi)，從檢測偏心軸的旋轉(zhuǎn)變?yōu)闄z測偏心軸電動機的旋轉(zhuǎn)。在目前的汽車售后市場上，第2代Valvetronic系統(tǒng)采用的外置式偏心軸位置傳感器比較普及，故障率也比較高，所以本文主要以第2代Valvetronic系統(tǒng)為例，分析外置式偏心軸位置傳感器的信號波形，從而便于大家快速判斷偏心軸位置傳感器的好壞。

如圖2所示，在偏心軸末端安裝了1個信號靶輪，為高磁性永久磁鐵材質(zhì)，用于產(chǎn)生磁場。偏心軸位置傳感器內(nèi)部有磁阻效應(yīng)元件，磁阻效應(yīng)元件的電阻取決于磁力線的方向。如圖3所示，當(dāng)偏心軸旋轉(zhuǎn)時，穿過磁阻效應(yīng)元件的磁力線方向會發(fā)生變化，由此產(chǎn)生的電阻變化便可反映偏心軸的位置變化。

磁阻效應(yīng)元件類似于霍爾效應(yīng)元件，均是感應(yīng)磁場的變化，不同在于，當(dāng)磁場變化時，霍爾效應(yīng)元件會產(chǎn)生電壓的變化，而磁阻效應(yīng)元件會產(chǎn)生電阻的變化。利用磁阻效應(yīng)元件的傳感器在車輛上廣泛應(yīng)用，用于監(jiān)測轉(zhuǎn)速或位置變化，如輪速傳感器和非接觸式的節(jié)氣門位置傳感器。

不同于其他傳感器，偏心軸位置傳感器與發(fā)動機控制單元（DME）之間傳遞的不是簡單的電壓或電流信號，而是一種串行數(shù)據(jù)，同時還使用了冗余設(shè)計，即用2套傳感器同時監(jiān)控偏心軸的旋轉(zhuǎn)。常見使用冗余設(shè)計的傳感器還有加速踏板位置傳感器和節(jié)氣門位置傳感器。

圖2 偏心軸位置傳感器和信號靶輪的位置

圖3 偏心軸位置傳感器的工作原理

圖4 偏心軸位置傳感器實物

如圖4所示，偏心軸位置傳感器上共有9個端子，各端子的含義見表1所列，其中端子1和端子7是相同類型信號，端子3和端子9是相同類型信號，端子6是5 V電源，端子8是節(jié)拍時鐘信號，端子4是屏蔽線，端子5是搭鐵。偏心軸位置傳感器的控制電路如圖5所示。

表1 偏心軸位置傳感器各端子的含義

用示波器同時測量偏心軸位置傳感器端子1和端子7上的信號波形（圖6）可知，該信號是由DME發(fā)送至偏心軸傳感器的觸發(fā)信號，占空比為7%，周期為1 ms，幅值從5 V拉低至0 V。

用示波器同時測量偏心軸位置傳感器端子3和端子9上的信號波形（圖7）可知，該信號是由偏心軸位置傳感器發(fā)送至DME的串行數(shù)據(jù)信號，其中高電位和低電位形成了0和1之間的組合，將轉(zhuǎn)角位置以數(shù)字信號的方式傳遞給DME。

分析上述2組波形的組合波形（圖8）可知，偏心軸位置傳感器只在觸發(fā)信號內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)信號，且每1 ms進行1次位置更新。

再用示波器同時測量偏心軸位置傳感器端子8上的信號波形（圖9）可知，節(jié)拍時鐘信號的頻率為250 kHz。分析偏心軸位置傳感器端子3、端子8和端子9的組合波形（圖10）可知，串行數(shù)據(jù)的震蕩頻率是由節(jié)拍時鐘信號決定的，它為串行數(shù)據(jù)提供一個節(jié)拍器。

圖5 偏心軸位置傳感器控制電路

圖6 偏心軸位置傳感器端子1和端子7上的信號波形（截屏）

圖7 偏心軸位置傳感器端子3和端子9上的信號波形（截屏）

圖8 偏心軸位置傳感器端子1、端子3、端子7和端子9的組合波形（截屏）

圖9 偏心軸位置傳感器端子8上的信號波形（截屏）

圖10 偏心軸位置傳感器端子3、端子8和端子9的組合波形（截屏）