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位置傳感器是組成無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的三大部分之一，也是區(qū)別于有刷直流電動(dòng)機(jī)的主要標(biāo)志。其作用是檢測(cè)主轉(zhuǎn)子在運(yùn)動(dòng)過程中的位置，將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息，以控制它們的導(dǎo)通與截止，使電動(dòng)機(jī)電樞繞組中的電流隨著轉(zhuǎn)子位置的變化按次序換向，形成氣隙中步進(jìn)式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。

直流無刷電機(jī)需要位置傳感器來測(cè)量轉(zhuǎn)子的位置，電機(jī)控制器通過接受位置傳感器信號(hào)來讓逆變器換相與轉(zhuǎn)子同步來驅(qū)動(dòng)電機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。盡管直流無刷電機(jī)也可以通過定子繞組產(chǎn)生的反感生電動(dòng)勢(shì)來檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，而省去位置傳感器，但是電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速太小，反感生電動(dòng)勢(shì)信號(hào)太小而無法檢測(cè)。

可以用作直流無刷電機(jī)位置傳感器的霍爾傳感器芯片分為開關(guān)型和鎖定型兩種。對(duì)于電動(dòng)自預(yù)*預(yù)*預(yù)*預(yù)*預(yù)*預(yù)先進(jìn)行車電機(jī)，這兩種霍爾傳感器芯片都可以用來精確測(cè)量轉(zhuǎn)子磁鋼的位置。用這兩種霍爾傳感器芯片制作的直流無刷電機(jī)的性能，包括電機(jī)的輸出功率、效率和轉(zhuǎn)矩等沒有任何差別，并可以兼容相同的電機(jī)控制器。

位置傳感器的應(yīng)用，降低電機(jī)運(yùn)預(yù)*預(yù)*預(yù)*預(yù)*預(yù)*預(yù)先進(jìn)行的噪音、提高電機(jī)的壽命與性能，同時(shí)達(dá)到降低耗能的效果。位置傳感器的應(yīng)用無疑給電機(jī)市場(chǎng)的發(fā)展提供了強(qiáng)大的推動(dòng)力。

曲軸位置傳感器(Crankshaft Position Sensor，CPS)又稱為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與曲軸轉(zhuǎn)角傳感器，其功用是采集曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，并輸首*首*首*首*首*首先進(jìn)入電子控制單元(ECu)，以便確定點(diǎn)火時(shí)刻和噴油時(shí)刻。

凸輪軸位置傳感器(Camshaft Position Sensor，CPS)又稱為氣缸識(shí)別傳感器(Cylinder Identification Sensor，CIS)，為了區(qū)別于曲軸位置傳感器(CPS)，凸輪軸位置傳感器一般都用CIS表示。凸輪軸位置傳感器的功用是采集配氣凸輪軸的位置信號(hào)，并輸首*首*首*首*首*首先進(jìn)入ECU，以便ECU識(shí)別氣缸1壓縮上止點(diǎn)，從而進(jìn)預(yù)*預(yù)*預(yù)*預(yù)*預(yù)*預(yù)先進(jìn)行順序噴油控制、點(diǎn)火時(shí)刻控制和爆燃控制。此外，凸輪軸位置信號(hào)還用于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)識(shí)別出第一次點(diǎn)火時(shí)刻。因?yàn)橥馆嗇S位置傳感器能夠識(shí)別哪一個(gè)氣缸活塞即將到達(dá)上止點(diǎn)，所以稱為氣缸識(shí)別傳感器。

光電式曲軸與凸輪軸位置傳感器

(1)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

日產(chǎn)公司生產(chǎn)的光電式曲軸與凸輪軸位置傳感器是由分電器改進(jìn)而成的，主要由信號(hào)盤(即信號(hào)轉(zhuǎn)子)、信號(hào)發(fā)生器、配電器、傳感器殼體和線束插頭等組成。

信號(hào)盤是傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)子，壓裝在傳感器軸上，如圖2-22所示。在靠近信號(hào)盤的邊緣位置制作有均勻間隔弧度的內(nèi)、外兩圈透光孔。其中，外圈制作有360個(gè)透光孔(縫隙)，間隔弧度為1。(透光孔占0．5。，遮光孔占0．5。)，用于產(chǎn)生曲軸轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速信號(hào)；內(nèi)圈制作有6個(gè)透光孔(長方形孑L)，間隔弧度為60。，用于產(chǎn)生各個(gè)氣缸的上止點(diǎn)信號(hào)，其中有一個(gè)長方形的寬邊稍長，用于產(chǎn)生氣缸1的上止點(diǎn)信號(hào)。

信號(hào)發(fā)生器固定在傳感器殼體上，它由Ne信號(hào)(轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角信號(hào))發(fā)生器、G信號(hào)(上止點(diǎn)信號(hào))發(fā)生器以及信號(hào)處理電路組成。Ne信號(hào)與G信號(hào)發(fā)生器均由一個(gè)發(fā)光二極管(LED)和一個(gè)光敏晶體管(或光敏二極管)組成，兩個(gè)LED分別正對(duì)著兩個(gè)光敏晶體管。

(2)工作原理

光電式傳感器的工作原理如圖2-22所示。信號(hào)盤安裝在發(fā)光二極管(LED)與光敏晶體管(或光敏二極管)之間。當(dāng)信號(hào)盤上的透光孔旋轉(zhuǎn)到LED與光敏晶體管之間時(shí)，LED發(fā)出的光線就會(huì)照射到光敏晶體管上，此時(shí)光敏晶體管導(dǎo)通，其集電極輸出低電平(0．1～O．3V)；當(dāng)信號(hào)盤上的遮光部分旋轉(zhuǎn)到LED與光敏晶體管之間時(shí)，LED發(fā)出的光線就不能照射到光敏晶體管上，此時(shí)光敏晶體管截止，其集電極輸出高電平(4．8～5．2V)。

如果信號(hào)盤連續(xù)旋轉(zhuǎn)，透光孔和遮光部分就會(huì)交替地轉(zhuǎn)過LED而透光或遮光，光敏晶體管集電極就會(huì)交替地輸出高電平和低電平。當(dāng)傳感器軸隨曲軸和配氣凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，信號(hào)盤上的透光孔和遮光部分便從LED與光敏晶體管之間轉(zhuǎn)過，LED發(fā)出的光線受信號(hào)盤透光和遮光作用就會(huì)交替照射到信號(hào)發(fā)生器的光敏晶體管上，信號(hào)傳感器中就會(huì)產(chǎn)生與曲軸位置和凸輪軸位置對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)。

由于曲軸旋轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)，傳感器軸帶動(dòng)信號(hào)盤旋轉(zhuǎn)一圈，因此，G信號(hào)傳感器將產(chǎn)生6個(gè)脈沖信號(hào)。Ne信號(hào)傳感器將產(chǎn)生360個(gè)脈沖信號(hào)。因?yàn)镚信號(hào)透光孔間隔弧度為60。，曲軸每旋轉(zhuǎn)120。就產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，所以通常G信號(hào)稱為120。信號(hào)。設(shè)計(jì)安裝保證120。信號(hào)在上止點(diǎn)前70。(BTDC70。)時(shí)產(chǎn)生，且長方形寬邊稍長的透光孔產(chǎn)生的信號(hào)對(duì)應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸1上止點(diǎn)前70。，以便ECU控制噴油提前角與點(diǎn)火提前角。因?yàn)镹e信號(hào)透光孔間隔弧度為1。(透光孔占0．5。，遮光孔占0．5。)，所以在每一個(gè)脈沖周期中，高、低電平各占1。曲軸轉(zhuǎn)角，360個(gè)信號(hào)表示曲軸旋轉(zhuǎn)720。。曲軸每旋轉(zhuǎn)120。，G信號(hào)傳感器產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，Ne信號(hào)傳感器產(chǎn)生60個(gè)信號(hào)。

磁感應(yīng)式傳感器的工作原理如圖2-23所示，磁力線穿過的路徑為磁鐵N極一定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙一轉(zhuǎn)子凸齒一轉(zhuǎn)子凸齒與定子磁頭間的氣隙一磁頭一導(dǎo)磁板一磁鐵S極。當(dāng)信號(hào)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁路中的氣隙就會(huì)周期性地發(fā)生變化，磁路的磁阻和穿過信號(hào)線圈磁頭的磁通量隨之發(fā)生周期性變化。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，傳感線圈中就會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生交變電動(dòng)勢(shì)。

當(dāng)信號(hào)轉(zhuǎn)子按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子凸齒與磁頭間的氣隙減小，磁路磁阻減小，磁通量φ增多，磁通變化率增大(dφ/dt>0)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E為正(E>0)，如圖2-24中曲線abc所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子凸齒接近磁頭邊緣時(shí)，磁通量φ急劇增多，磁通變化率最大[dφ/dt=(dφ/dt)max]，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E最高(E=Emax)，如圖2-24中曲線b點(diǎn)所示。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過b點(diǎn)位置后，雖然磁通量φ仍在增多，但磁通變化率減小，因此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E降低。

當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到凸齒的中心線與磁頭的中心線對(duì)齊時(shí)(見圖2-24b)，雖然轉(zhuǎn)子凸齒與磁頭間的氣隙最小，磁路的磁阻最小，磁通量φ最大，但是由于磁通量不可能繼續(xù)增加，磁通變化率為零，因此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E為零，如圖2-24中曲線c點(diǎn)所示。

當(dāng)轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，凸齒離開磁頭時(shí)(見圖2-23c)，凸齒與磁頭間的氣隙增大，磁路磁阻增大，磁通量φ減少(dφ/dt< 0)，所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E為負(fù)值，如圖2-24中曲線cda所示。當(dāng)凸齒轉(zhuǎn)到將要離開磁頭邊緣時(shí)，磁通量φ急劇減少，磁通變化率達(dá)到負(fù)向最大值[dφ/df=-(dφ/dt)max]，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E也達(dá)到負(fù)向最大值(E=-Emax)，如圖2-24中曲線上d點(diǎn)所示。

由此可見，信號(hào)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一個(gè)凸齒，傳感線圈中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)周期性交變電動(dòng)勢(shì)，即電動(dòng)勢(shì)出現(xiàn)一次最大值和一次最小值，傳感線圈也就相應(yīng)地輸出一個(gè)交變電壓信號(hào)。磁感應(yīng)式傳感器的突出優(yōu)點(diǎn)是不需要外加電源，久磁鐵起著將機(jī)械能變換為電能的作用，其磁能不會(huì)損失。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，轉(zhuǎn)子凸齒轉(zhuǎn)動(dòng)的速度將發(fā)生變化，鐵心中的磁通變化率也將隨之發(fā)生變化。轉(zhuǎn)速越高，磁通變化率就越大，傳感線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也就越高。轉(zhuǎn)速不同時(shí)，磁通和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化情況如圖2-24所示。

由于轉(zhuǎn)子凸齒與磁頭間的氣隙直接影響磁路的磁阻和傳感線圈輸出電壓的高低，因此在使用中，轉(zhuǎn)子凸齒與磁頭間的氣隙不能隨意變動(dòng)。氣隙如有變化，必須按規(guī)定進(jìn)預(yù)*預(yù)*預(yù)*預(yù)*預(yù)*預(yù)先進(jìn)行調(diào)整，氣隙一般設(shè)計(jì)在0．2～0．4mm范圍內(nèi)。

1)曲軸位置傳感器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：捷達(dá)AT和GTX、桑塔納2000GSi型轎車的磁感應(yīng)式曲軸位置傳感器安裝在曲軸箱內(nèi)靠近離合器一側(cè)的缸體上，主要由信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)轉(zhuǎn)子組成，如圖2-25所示。

信號(hào)發(fā)生器用螺釘固定在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上，由磁鐵、傳感線圈和線束插頭組成。傳感線圈又稱為信號(hào)線圈，磁鐵上帶有一個(gè)磁頭，磁頭正對(duì)安裝在曲軸上的齒盤式信號(hào)轉(zhuǎn)子，磁頭與磁軛(導(dǎo)磁板)連接而構(gòu)成導(dǎo)磁回路。

信號(hào)轉(zhuǎn)子為齒盤式，在其圓周上均勻間隔地制作有58個(gè)凸齒、57個(gè)小齒缺和一個(gè)大齒缺。大齒缺輸出基準(zhǔn)信號(hào)，對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸1或氣缸4壓縮上止點(diǎn)前一定角度。所以信號(hào)轉(zhuǎn)子圓周上的凸齒和齒缺所占的曲軸轉(zhuǎn)角為360。

2)曲軸位置傳感器工作情況：當(dāng)曲軸位置傳感器隨曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，由磁感應(yīng)式傳感器工作原理可知，信號(hào)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一個(gè)凸齒，傳感線圈中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)周期性交變電動(dòng)勢(shì)(即電動(dòng)勢(shì)出現(xiàn)一次最大值和一次最小值)，線圈相應(yīng)地輸出一個(gè)交變電壓信號(hào)。因?yàn)樾盘?hào)轉(zhuǎn)子上設(shè)有一個(gè)產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào)的大齒缺，所以當(dāng)大齒缺轉(zhuǎn)過磁頭時(shí)，信號(hào)電壓所占的時(shí)間較長，即輸出信號(hào)為一寬脈沖信號(hào)，該信號(hào)對(duì)應(yīng)于氣缸1或氣缸4壓縮上止點(diǎn)前一定角度。電子控制單元(ECU)接收到寬脈沖信號(hào)時(shí)，便可知道氣缸1或氣缸4上止點(diǎn)位置即將到來，至于即將到來的是氣缸1還是氣缸4，則需根據(jù)凸輪軸位置傳感器輸首*首*首*首*首*首先進(jìn)入的信號(hào)來確定。由于信號(hào)轉(zhuǎn)子上有58個(gè)凸齒，因此信號(hào)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈(發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)一圈)，傳感線圈就會(huì)產(chǎn)生58個(gè)交變電壓信號(hào)輸首*首*首*首*首*首先進(jìn)入電子控制單元。

每當(dāng)信號(hào)轉(zhuǎn)子隨發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，傳感線圈就會(huì)向電子控制單元(ECU)輸首*首*首*首*首*首先進(jìn)入58個(gè)脈沖信號(hào)。因此，ECU每接收到曲軸位置傳感器58個(gè)信號(hào)，就可知道發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)了一圈。如果在1min內(nèi)ECU接收到曲軸位置傳感器116000個(gè)信號(hào)，ECU便可計(jì)算出曲軸轉(zhuǎn)速n為2000(n=116000/58=2000)r/rain；如果ECU每分鐘接收到曲軸位置傳感器290000個(gè)信號(hào)，ECU便可計(jì)算出曲軸轉(zhuǎn)速為5000(n=290000/58=5000)r/min。依此類推，ECU根據(jù)每分鐘接收曲軸位置傳感器脈沖信號(hào)的數(shù)量，便能計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)和負(fù)荷信號(hào)是電子控制系統(tǒng)最重要、最基本的控制信號(hào)，ECU根據(jù)這兩個(gè)信號(hào)就能計(jì)算出基本噴油提前角(時(shí)間)、基本點(diǎn)火提前角(時(shí)間)和點(diǎn)火導(dǎo)通角(點(diǎn)火線圈一次電流接通時(shí)間)三個(gè)基本控制參數(shù)。

捷達(dá)AT和GTx、桑塔納2000GSi型轎車磁感應(yīng)式曲軸位置傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)子上大齒缺產(chǎn)生的信號(hào)為基準(zhǔn)信號(hào)，ECU控制噴油時(shí)間和點(diǎn)火時(shí)間是以大齒缺產(chǎn)生的信號(hào)為基準(zhǔn)進(jìn)預(yù)*預(yù)*預(yù)*預(yù)*預(yù)*預(yù)先進(jìn)行控制的。當(dāng)ECu接收到大齒缺產(chǎn)生的信號(hào)后，再根據(jù)小齒缺信號(hào)來控制點(diǎn)火時(shí)間、噴油時(shí)間和點(diǎn)火線圈一次電流接通時(shí)間(即導(dǎo)通角)。

豐田計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(1FCCS)采用的磁感應(yīng)式曲軸與凸輪軸位置傳感器由分電器改進(jìn)而成，由上、下兩部分組成。上部分為檢測(cè)曲軸位置基準(zhǔn)信號(hào)(即氣缸識(shí)別與上止點(diǎn)信號(hào)，稱為G信號(hào))發(fā)生器；下部分為曲軸轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角信號(hào)(稱為Ne信號(hào))發(fā)生器。

a)Ne信號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：Ne信號(hào)發(fā)生器安裝在G信號(hào)發(fā)生器的下面，主要由No．2信號(hào)轉(zhuǎn)子、Ne傳感線圈和磁頭組成，如圖2-26a所示。信號(hào)轉(zhuǎn)子固定在傳感器軸上，傳感器軸由配氣凸輪軸驅(qū)動(dòng)，軸的上端套裝分火頭，轉(zhuǎn)子外制有24個(gè)凸齒。傳感線圈及磁頭固定在傳感器殼體內(nèi)，磁頭固定在傳感線圈中。

b)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角信號(hào)的產(chǎn)生原理與控制過程：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，配氣凸輪軸便驅(qū)動(dòng)傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子凸齒與磁頭間的氣隙交替發(fā)生變化，傳感線圈的磁通隨之交替發(fā)生變化，由磁感應(yīng)式傳感器工作原理可知，在傳感線圈中就會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生交變電動(dòng)勢(shì)，信號(hào)電壓的波形如圖2-26b所示。因?yàn)樾盘?hào)轉(zhuǎn)子有24個(gè)凸齒，所以轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈，傳感線圈就會(huì)產(chǎn)生24個(gè)交變信號(hào)。傳感器軸每轉(zhuǎn)一圈(360。)相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)兩圈(720。)，所以一個(gè)交變信號(hào)(即一個(gè)信號(hào)周期)相當(dāng)于曲軸旋轉(zhuǎn)30。(720。÷24=30。)，相當(dāng)于分火頭旋轉(zhuǎn)15。(30。÷2=15。)。ECU每接收Ne信號(hào)發(fā)生器24個(gè)信號(hào)，即可知道曲軸旋轉(zhuǎn)了兩圈、分火頭旋轉(zhuǎn)了一圈。ECU內(nèi)部程序根據(jù)每個(gè)Ne信號(hào)周期所占時(shí)間，即可計(jì)算確定發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速和分火頭轉(zhuǎn)速。為了精確控制點(diǎn)火提前角和噴油提前角，還需將每個(gè)信號(hào)周期所占的曲軸轉(zhuǎn)角(30。角)分得更小。微機(jī)完成這一工作十分方便，由分頻器將每個(gè)Ne信號(hào)(曲軸轉(zhuǎn)角30。)等分成30個(gè)脈沖信號(hào)，每個(gè)脈沖信號(hào)就相當(dāng)于曲軸轉(zhuǎn)角1。(30。÷30=1。)。如將每個(gè)Ne信號(hào)等分成60個(gè)脈沖信號(hào)，則每個(gè)脈沖信號(hào)相當(dāng)于曲軸轉(zhuǎn)角0．5。(30。÷60=0．5。)。具體設(shè)定由轉(zhuǎn)角精度要求和程序設(shè)計(jì)確定。

c)G信號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：G信號(hào)發(fā)生器用來檢測(cè)活塞上止點(diǎn)位置與判別是哪一個(gè)氣缸即將到達(dá)上止點(diǎn)位置等基準(zhǔn)信號(hào)。故G信號(hào)發(fā)生器又稱為氣缸識(shí)別與上止點(diǎn)信號(hào)發(fā)生器或基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器。G信號(hào)發(fā)生器由No．1信號(hào)轉(zhuǎn)子、傳感線圈G1、G2和磁頭等組成。信號(hào)轉(zhuǎn)子帶有兩個(gè)凸緣，固定在傳感器軸上。傳感線圈G1、G2相隔180。安裝，G1線圈產(chǎn)生的信號(hào)對(duì)應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)第六缸壓縮上止點(diǎn)。、G2線圈產(chǎn)生的信號(hào)對(duì)應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)第一缸壓縮上止點(diǎn)前l(fā)O。。