转速传感器

第 25卷 第6期 2005年 11月 长安大学学报(自然科学版) Journal of Chang’an University(Natural Science Edition) Vo1．25 NO．6 NOV．2005 文章编号 ：1671—8879(2005)06—0073—05 电喷发动机转速传感器信号波形试验 王平福，毕李格，哈里德，边耀璋 (长安大学 汽车学院，陕西 西安 710064) 摘 要：对 VOLVO B230F型电喷发动机的电控燃油喷射装置各传感器信 号进行 了发动机 台架试 验研究。应用示波器采集发电机的转速传感器输出信号波形，并进行处理分析，研究转速传感器 波形变化与发动机故障特征的内在联系，并将转速传感器正常波形与异常波形进行对比分析。结 果明：当传感器模拟信号波形的物理参数变化量超过一定范围时，发动机控制系统(ECU)接收 到传感器输入的异常信号；当模拟信号特征值变化量超出ECU设置的正常调整范围时，发动机就 会出现怠速不稳、自动熄火或起动 困难等故障。 关键词：汽车；发动机；转速传感器；波形分析；故障 中图分类号 ：U464 文献标识码：A Engine speed sensor signal waveforms experiment W ANG Ping—fu，ODBILEG N，HALIDE，BIAN Yao—zhang (School of Automobile，Chang’an University，Xi’an 710064，China) Abstract：The VOLVO B2 3 0F engine speed sensor signal waveforms acquired by the oscilloscope are analyzed．Also the relationship between signal parameters and engine failure characteristics is studied．When engin speed signal amplitude deviation exceeds a ECU adj usting rate，engine be— gins to surge，self switch off，ignition failure and other failures．3 tabs，3 figs，7 refs． Key words：automotive engineering；engine；speed sensor；waveforms analysis；failure 0 引 言 转速传感器是电控发动机控制系统中主要传感 器之一，它向发动机控制系统(ECU)提供发动机曲 轴转速和位置变化信息，是 ECU实施发动机喷油 量等参数优化控制的重要依据。转速传感器既在发 动机优化控制过程中承担主要角色，同时也是发动 机新的故障源之一。转速传感器一旦工作不正常， 便不能够向电脑提供正确的转速信息，发动机的工 作性能即会恶化甚至不能工作。由于受传统化油器 式发动机故障诊断惯性思维的影响，通常文献中都 将前几种可能的原因首先列出，却将转速传感器异 收稿 日期 ：2004—09—25 作者简介：王平福(1951-)，男．陕西西安人，长安大学工程师． 常这一个重要的原因忽略了。试验发现，当发动机 转速传感器工作不正常时，发动机典型故障特征表 现的最为明显。 有鉴于此，有必要对转速传感器的故障现象、故 障特征、故障机理进行试验、分析和研究。目前虽然 拥有解码器和发动机综合检测仪等检测手段，但是 仍然不同程度地存在仪器价格比较昂贵、故障定义 型式较少、故障范围较大、具体故障原因针对性不 强、诊断不够快速 准确等缺 陷。本文 旨在利用 TDS3014B数字存储示波器采集传感器 的信号波 形，运用 WaveStarTM软件分析研究传感器异常波形 与正常波形之间的差别和特征值，探讨怎样运用波 维普资讯 http://www.cqvip.com 74 长安大学学报(自然科学版) 2005血 形对比分析方法，实现对电控发动机故障进行快速 准确诊断u J。 l 研究对象和试验方法 1．1 磁 电式转速传感器 试验用发动机安装的转速传感器是瑞典 VOL～ VO 9445型磁电式发动机转速(转角)传感器。该 传感器安装在发动机飞轮壳上方。在飞轮圆周上按 6。间隔，共设有 60个信号孔的位置，实际连续设置 了 58个孔，空出2个孔的位置，作为一缸工作上止 点判别记号。当飞轮上的每个信号孔通过转速传感 器磁头时，磁场发生变化，产生磁脉冲信号，电控单 元根据磁脉冲计算出发动机转速。脉冲信号波形的 频率和幅值随发动机转速变化而变化。 转速传感器接插口定义列于表 1。在转速传感 器接口1 ～2 针脚测量传感器静态电阻值为 18311 (转速传感器静态电阻值为 170～194 Q)。 表 1 转速传感器接插 1：3 传感器接口 ECU 接口针脚定义 1 蓝／黄 10 蓝／黄 传感器信号接地 2 黄／红 23 黄／红 传感器信号 3 黑 l1#红 传感器信号屏蔽 17 棕 发动机转速信号 8#棕／黄 发动机负荷信号 1 棕 发动机转速信号 25 棕／黄 发动机负荷信号 1．2 试验程序 在分析转速传感器工作性能与发动机故障特征 时，为了使研究结果具有代表性和可比性，须设置典 型的发动机试验工况。本试验以发动机怠速工况和 中速常用工况(节气门开度为 50 9／6、转速为2 000 r·min )作为典型试验工况。 转速传感器试验程序如图 1所示。在试验控制 过程中，每个试验工况点均由电涡流测功机等仪器 检测和显示发动机的扭矩、功率和转速，由燃油流量 计或电子秤测量燃油消耗量，由发动机废气分析仪 检测发动机废气排放中CO、CH、NO 等有害物质 浓度，以获得发动机具体故障特征值。使用故障模 拟试验台分别模拟各个传感器减效、失效，使发动机 产生故障，然后用数字存储示波器采集和分析传感 器输出信号的正常波形和异常波形。在 PC机上应 用 WaveStarTM软件进行处理，对比分析传感器波 形，并且编辑、打印有关数据文件等E43。 图 1 发动机传 感器试 验程序 图 2 转速传感器信号的采集与处理 在选定的发动机试验工况下，运用 TDS3014B 型数字存储示波器采集转速传感器输出信号。首先 将示波器探头与转速传感器输出信号按表 1的定义 进行联接，或者在 ECU 1 针脚采集喷油控制系统 的转速信号，也可以在 ECU 17 针脚采集点火控制 系统的转速信号。然后选择示波器采集通道序号， 设置示波器有关采集程序，设置定义测量电参数阈 值等。用示波器采集传感器波形，可以设置为自动 采集，也可以设置手动采集。为快速显示起见，本研 究设置为自动采集。示波器将采集的转速传感器模 拟信号经放大器处理后，通过模数转换器转换成数 字信号，经波形成像处理器 DPX转换成波形信号， 并且进行存储，最后由数字荧光屏显示波形。 通常传感器的波形分为正常波形和异常波形两 种。正常波形可以作为标准模型存储在示波器内； 异常波形是指发动机有明显故障特征和传感器有故 障时用示波器采集传感器输出信号所得到的波形。 当发动机出现故障时，把实际采集的传感器异常波 形与正常波形进行对比，由示波器内选用安装的 TDS3AAM 高级分析模块和 TDS3LIM 极限测试 模块进行处理分析，进而运用 WaveStarTM软件在 PC机上进行数据编辑、文件打印等L4]。 3 转速传感器波形研究 3．1 转速传感器输出信号减弱 发动机在实际运行中，由于传感器可靠性降低， 工作性能减效，输出信号减弱，导致发动机工作性能 下降是电控发动机的常见典型故障。模拟传感器输 出信号减弱的方法是采用调整转速传感器磁头与飞 轮信号孔之间的间隙。该方法与因振动或安装错位 等而使转速传感器磁头与飞轮信号孔之间的间隙变 化相吻合。电源电压为正常值，在不同的典型发动 机试验工况下，每个工况均由转速传感器磁头从标 准间隙开始，逐渐增大磁头间隙，分别测出每个试验 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 6期 王平福，等：电喷发动机转速传感器信号波形试验 75 点的发动机转速、发动机有关性能参数、传感器的信 号模拟电压、波形频率和波形幅值等。试验中应提 取传感器尽可能多的参数，以便分析、寻找出对发动 机故障最敏感的参数。表 2列出了怠速和中速试验 工况的部分试验结果。 表2 转速传感器信号减弱试验数据 间隙 转速n／ 扭矩 T ／ 功率 幅值 频率／ 电压／ 工况 (r·min一1) (N-m) P ／kW A／V kHz V O．9 790 2．7 0．22 3．5 0．825 1．98 怠速试 2 ． 3 788 2．0 0．17 1、6 0、795 0．60 验工况 2．8 O O O O O O 0．9 2 513 161．5 42．5O 9、6 2．500 5．35 中速试 2 ． 3 2 5O7 161．3 42．40 2．5 2．498 1、62 验工况 2．8 O O O O O O 改变转速传感器磁头间隙时，示波器采集的波 形参数发生如下变化：在怠速工况，当磁头间隙等于 0．9 mm时，波形幅值为 3．5 V，波形频率为 0。825 kHz，信号电压为 1．98 V；当磁头间隙增大时，传感 器的信号电压、波形幅值、波形频率都下降。当磁头 间隙增加到 2．3 mm时，信号电压下降到 0．6 V，波 形频率下降到 0．795 kHz，波形幅值降到 1．6 V；当 磁头间隙进一步增大时，传感器输出信号电参数也 进一步降低。当磁头间隙增加到等于或大于 2．8 mm时，示波器几乎接收不到传感器的输出信号。 在发动机中速试验工况下，当磁头间隙在标准范围 时，波形幅值为 9．6 V，波形频率为 2．5 kHz，信号 电压为 5．35 V；当磁头间隙增加到 2．3 mm时，信 号电压下降到 1．62 V，波形 频率下降到 2．498 kHz，波形幅值降到2．5 V；当磁头间隙增加到等于 或大于2．8 mm时，示波器几乎接收不到传感器的 信号。这里需要说明一点，在试验过程中，发动机测 功机检测的发动机转速与转速传感器输出的信号频 率值不一致，主要是由于测功机转速传感器的标定 误差造成的试验测量误差。 试验发现，当磁头间隙等于 0．9～1．0 mm时， 发动机工作性能良好，故将 0．9～1．0 mm定义为传 感器磁头标准间隙(当磁头间隙小于 0．9 mm时，传 感器电信号增强，但磁头工作的可靠性变坏，故不予 考虑)。由试验得知，对于怠速工况，当磁头间隙从 1．0 mm起增大时，发动机的性能开始下降，间隙越 大，发动机性能下降越多。当磁头间隙增大到等于 2．3 mm时，发动机性能明显下降，并且出现运转不 平稳和抖动现象。图2是怠速工况下用示波器采集 到的传感器信号正常波形和 异常波形对 比分析。图 2上 面的波形是磁头间隙等于 0．9 mm时的正常波形 ，下面 的波形是磁头间隙增大到 2．3 mm时的异常波形。当 图。信号减弱的波形 磁头间隙从 2．3 mm进一步增大时，发动机工作性 能进一步恶化，发动机抖动加剧；当间隙≥2．8 mm 时，发动机 自动熄火，并且不能再次起动。通过试验 还发现，当传感器信号减弱时发动机故障灯不亮，发 动机故障自诊断系统并无故障码出现 ]。分析上述 故障的机理：当转速传感器磁头间隙增大时，磁场强 度减小，转速传感器输出信号减弱，当输出信号减弱 到一定程度时，ECU接收不到转速传感器的输出信 号，就会出现信号缺失现象。另外输出信号的频率 减小，使电控单元得到比实际转速低的虚假转速模 拟信号，从而使 ECU向执行机构发出减少供油的 指令，使发动机偏离优化控制范围，转速下降，导致 发动机工作性能全面下降。当转速传感器磁头间隙 在标准范围内变化时，磁场强度变化微小，转速传感 器输出信号减弱程度也很小，电控发动机 LH系统 相对于优化控制点的偏离很小，发动机的工作性能 变化不大，用仪器检测几乎显示分辨不出来；当转速 传感器磁头间隙大于标准值但小于 2．3 mm时，由 于输出信号减弱而导致的发动机性能下降，但尚不 很严重，试验过程可用仪器监测显示；当磁头间隙增 大到2．3 mm时，传感器信号参数下降程度较大，信 号减弱而缺失明显，使发动机相对于优化控制点发 生较大的偏离，工作性能明显恶化；当磁头间隙增大 到 2．8 mm时，监测显示 ECU接口 1 针脚无转速 信号输入，电脑接收不到转速信号，不发出执行命 令 ，所以喷油器不喷油，火花塞不点火 ，导致发动机 在运转过程中自动熄火。 由试验还可得知，转速越低时，转速传感器磁头 间隙越增大，对发动机工作性能影响越敏感。例如， 怠速试验工况下，输出信号电压下降69．7 ，频率下 降3．63 ，与此同时，发动机扭矩降低 25．9 ，功率 降低 22．7 。而在典型中速工况，转速传感器磁头 间隙由0．9 mm增大到 2．3 mm时，输出信号电压 下降幅度基本一致，频率下降 0．08 ，与此同时，发 动机的动力性下降的幅度也很小。这是由于在怠速 工况时，转速传感器输出信号原本就相当弱(当传感 器磁头间隙等于 0．9 mm的标准间隙时，输出信号 电压只有 1．98 V)，而中速试验工况的传感器输 出 维普资讯 http://www.cqvip.com 76 长安大学学报(自然科学版) 2005血 信号电压为 5．35 V，所以增大磁头间隙使输出信号 进一步减弱很容易导致信号缺失。需要说明的是： 转速传感器输出信号的幅值大小不仅与磁头的间隙 有关，而且与发动机的实际转速有关。在试验过程 中，首先测定发动机正常怠速工况下和正常中速工 况下，转速传感器的信号参数，然后逐渐改变磁头间 隙，检测传感器的信号变化，试验发现磁头间隙变 大，信号幅值减小。由于传感器信号幅值的减小， ECU认为发动机在低转速工况下工作，从而减少喷 油量导致了发动机转速不稳定，发动机转速进一步 的波动下降对传感器信号幅值降低有一定的影响， 从此发生恶性循环。由试验得知，因发动机转速变 化而导致传感器信号幅值变化是正常控制变化。因 转速传感器磁头间隙变化而导致传感器信号幅值变 化是不正常变化。试验还得出传感器信号电压值与 波形幅值成线性比例关系。 3．2 转速传感器动态丢失信号 汽车在行驶中，由于传感器接插口松动、接触不 良，造成转速传感器输出信号动态随机丢失，进而导 致发动机性能下降，是电控发动机的常见故障之一。 本研究模拟转速传感器输出信号动态丢失的方法 是：在转速传感器电路中串入一个脉冲信号控制集 成开关电路，当开关闭合时传感器信号接通 ，当开关 断开时传感器信号中断。通过改变转速信号的通断 次数、断开时间和断开率(即信号丢失率)，模拟汽车 在行驶过程中，由于转速传感器动态丢失输出信号 而对发动机工作性能的影响，分析研究发动机产生 的故障机理，捕捉发动机产生的故障特征[s 。 传感器输出信号通断试验数据列于表 3。表中 异常信号是指信号丢失率等于 16．5 时的试验状 况。试验表明，当转速传感器输出信号动态丢失率 大于或等于 16．5 时，发动机的扭矩和功率均下 降，转速传感器模拟信号电压及波形频率也随着降 低，发动机出现的故障特征比较明显。 通过试验得出，因为信号丢失与波形频率下降 成正比关系，故可以用传感器波形频率变化量 △-厂来 表 3 转速传 感器信号丢 失试验数据 发动机 传感器 转速 ”／ 扭矩 T ／ 功率 频率／ 信号电 工况 信号 (r·rain一 ) (N·m) P ／kW Hz 压／V 正常 779 0 0 783 1|92 怠速 异常 650 0 0 654 1 52 正常 2 004 164 6 34．54 2 005 4．51 中速 异常 1 686 117．1 20．68 1 690 3．32 来表征转速传感器输出信号的变化，于是得出信号 丢失率 X 一 (1一-厂2／f )×100 式中：x为信号丢失率( )； 为 传感器信号正常 波形频率(Hz)； 为传感器信号异常波形频率 (Hz)；△ ．厂一 ．厂2／f。为波形频率变化量(Hz)。 当转速传感器输出信号正常无丢失时，图 3上 面的信号波形是一个连续不断的正常波形，其频率 值为 783 Hz，信号模拟电压是 1．92 V；当转速传感 器输出信号丢失时，图 3下面的信号波形是一个断 开不连续的异常波形，其频 率值 由 783 Hz降低到 654 Hz，信号模拟电压由 1．92 V 降低到 1．52 V；同时发动机 转速由779 r·min 降低为 ● ^ 6 J I — — ^ t『v、^ 650 r·min一。试验表明，转 图3信号丢失的波形 速传感输出信号丢失必然导致发动机工作性能下 降，信号丢失率越大，发动机工作性能下降越大，并 且出现发动机运转不平稳等故障特征现象；当转速 传感器输出信号丢失率等于或大于 16．5 时，发动 机工作性能严重恶化，发动机运转不平稳，机体抖动 加剧，严重时发动机 自动熄火，而且发动机再次起动 困难 。 4 结 语 (1)在分析发动机故障时，由于受传统思维的影 响，一般将转速传感器故障忽略L7]。电控发动机 自 诊断系统对转速传感器信号减弱等故障也不显示 (故障灯不亮，发动机故障 自诊断系统无故障码出 现)，转速传感器是目前发动机故障诊断技术上的盲 区，而转速传感器减效又是电控发动机工作运行中的 常见故障源，因此有认真研究分析的必要。 (2)试验表明，用波形分析法诊断转速转感器故 障是行之有效的方法。本研究仅以转速传感器为例， 探讨如何运用波形分析方法研究电控发动机的故障 机理，此研究分析方法也适用于其他传感器的减效、 失效机理分析。 (3)与其他试验工况相比，转速传感器失效、减效 对发动机怠速工况更为敏感，故可用发动机怠速工况 作为检测转速传感器故障的实际检测工况。 (4)在发动机怠速工况下，通过检测和分析转速 传感器输出信号减弱的程度，可以判断传感器磁头间 隙是否正常，可快速排除其他可能导致发动机性能下 降的原因。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第6期 王平福，等：电喷发动机转速传感器信号波形试验 77 (5)通过检测和分析转速传感器输出信号的波 形，可以得知信号丢失的程度，从而也可以判断传感 器接插口是否有松动、接触不良等情况，可以快速排 除其他可能导致发动机性能下降的原因。 (6)转速传感器输出信号减弱和输出信号丢失， 导致发动机工作性能全面下降。因输出信号频率减 小，致使电控单元得到比实际转速低的虚假转速信 号，便向执行机构发出减少供油指令，发动机控制偏 离ECU优化控制的调整范围，从而使发动机工作性 能进一步恶化。 参考文献： References： [1] [2] 吴克刚，钟益斌．发动机综合性能仿真系统[J]．长安大 学学报(自然科学版)，2004，24(5)：1l1—114． WU Ke-gang。ZH0NG 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《长安大学学报》(自然科学版)全年6期。大16开本，112页，欢迎订阅。各地读者可在当地邮局订阅，每期定价 ； ；10．O0元。全年定价60．O0元。 i ； 地 址：西安市南二环路中段，《长安大学学报》(自然科学版)编辑部 国内邮发代号：52-137 国外发行代号：BM5720 ； { 电 话：(029)82334383 邮政编码：710064 E-mail：xuebao@，ch&edu．cn ^ ⋯ ， ⋯ ， ⋯ ⋯ ， ⋯ ， ] ] ] ] ] 维普资讯 http://www.cqvip.com