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。中間推桿旋轉，使中間推桿底部與搖臂的相對位置發生改變（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，Valvetronic系統使用了1套偏心軸電動機和蝸輪蝸桿機構。蝸輪并非一個正圓，只有一半左右，且與偏心軸一體。當偏心軸電動機運轉，蝸桿帶動蝸輪旋轉，從而使偏心軸旋轉，最終帶動中間推桿旋轉。

圖1 寶馬Valvetronic系統

為了精確控制進氣門的升程，需要對偏心軸旋轉角度進行監測。Valvetronic系統現已發展到第4代，打開進氣門的方式沒有改變，但從第3代Valvetronic系統開始，對偏心軸旋轉角度的監測從外部偏心軸位置傳感器移到偏心軸電動機總成內，從檢測偏心軸的旋轉變為檢測偏心軸電動機的旋轉。在目前的汽車售后市場上，第2代Valvetronic系統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，用于產生磁場。偏心軸位置傳感器內部有磁阻效應元件，磁阻效應元件的電阻取決于磁力線的方向。如圖3所示，當偏心軸旋轉時，穿過磁阻效應元件的磁力線方向會發生變化，由此產生的電阻變化便可反映偏心軸的位置變化。

磁阻效應元件類似于霍爾效應元件，均是感應磁場的變化，不同在于，當磁場變化時，霍爾效應元件會產生電壓的變化，而磁阻效應元件會產生電阻的變化。利用磁阻效應元件的傳感器在車輛上廣泛應用，用于監測轉速或位置變化，如輪速傳感器和非接觸式的節氣門位置傳感器。

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，而是一種串行數據，同時還使用了冗余設計，即用2套傳感器同時監控偏心軸的旋轉。常見使用冗余設計的傳感器還有加速踏板位置傳感器和節氣門位置傳感器。

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發送至偏心軸傳感器的觸發信號，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送至DME的串行數據信號，其中高電位和低電位形成了0和1之間的組合，將轉角位置以數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信號內發送數據信號，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，串行數據的震蕩頻率是由節拍時鐘信號決定的，它為串行數據提供一個節拍器。

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）