位置傳感器是組成無刷直流電動機系統(tǒng)的三大部分之一，也是區(qū)別于有刷直流電動機的主要標志。其作用是檢測主轉(zhuǎn)子在運動過程中的位置，將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，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，使電動機電樞繞組中的電流隨著轉(zhuǎn)子位置的變化按次序換向，形成氣隙中步進式的旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。

直流無刷電機需要位置傳感器來測量轉(zhuǎn)子的位置，電機控制器通過接受位置傳感器信號來讓逆變器換相與轉(zhuǎn)子同步來驅(qū)動電機持續(xù)運轉(zhuǎn)。盡管直流無刷電機也可以通過定子繞組產(chǎn)生的反感生電動勢來檢測轉(zhuǎn)子的位置，而省去位置傳感器，但是電機啟動時，轉(zhuǎn)速太小，反感生電動勢信號太小而無法檢測。

可以用作直流無刷電機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。對于電動自行車電機，這兩種霍爾傳感器芯片都可以用來測量轉(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的性能，包括電機的輸出功率、效率和轉(zhuǎn)矩等沒有任何差別，并可以兼容相同的電機控制器。

位置傳感器的應(yīng)用，降低電機運行的噪音、提高電機的壽命與性能，同時達到降低耗能的效果。位置傳感器的應(yīng)用無疑給電機市場的發(fā)展提供了強大的推動力。

曲軸位置傳感器(Crankshaft Position Sensor，CPS)又稱為發(fā)動機轉(zhuǎn)速與曲軸轉(zhuǎn)角傳感器，其功用是采集曲軸轉(zhuǎn)動角度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號，并輸入電子控制單元(ECu)，以便確定點火時刻和噴油時刻。

凸輪軸位置傳感器(Camshaft Position Sensor，CPS)又稱為氣缸識別傳感器(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，并輸入ECU，以便ECU識別氣缸1壓縮上止點，從而進行順序噴油控制、點火時刻控制和爆燃控制。此外，凸輪軸位置信號還用于發(fā)動機起動時識別出次點火時刻。因為凸輪軸位置傳感器能夠識別哪一個氣缸活塞即將到達上止點，所以稱為氣缸識別傳感器。

光電式曲軸與凸輪軸位置傳感器

(1)結(jié)構(gòu)特點

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而成的，主要由信號盤(即信號轉(zhuǎn)子)、信號發(fā)生器、配電器、傳感器殼體和線束插頭等組成。

信號盤是傳感器的信號轉(zhuǎn)子，壓裝在傳感器軸上，如圖2-22所示。在靠近信號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;內(nèi)圈制作有6個透光孔(長方形孑L)，間隔弧度為60。，用于產(chǎn)生各個氣缸的上止點信號，其中有一個長方形的寬邊稍長，用于產(chǎn)生氣缸1的上止點信號。

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

(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。當信號盤上的透光孔旋轉(zhuǎn)到LED與光敏晶體管之間時，LED發(fā)出的光線就會照射到光敏晶體管上，此時光敏晶體管導(dǎo)通，其集電極輸出低電平(0.1~O.3V);當信號盤上的遮光部分旋轉(zhuǎn)到LED與光敏晶體管之間時，LED發(fā)出的光線就不能照射到光敏晶體管上，此時光敏晶體管截止，其集電極輸出高電平(4.8~5.2V)。

如果信號盤連續(xù)旋轉(zhuǎn)，透光孔和遮光部分就會交替地轉(zhuǎn)過LED而透光或遮光，光敏晶體管集電極就會交替地輸出高電平和低電平。當傳感器軸隨曲軸和配氣凸輪軸轉(zhuǎn)動時，信號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)出的光線受信號盤透光和遮光作用就會交替照射到信號發(fā)生器的光敏晶體管上，信號傳感器中就會產(chǎn)生與曲軸位置和凸輪軸位置對應(yīng)的脈沖信號。

由于曲軸旋轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)，傳感器軸帶動信號盤旋轉(zhuǎn)一圈，因此，G信號傳感器將產(chǎn)生6個脈沖信號。Ne信號傳感器將產(chǎn)生360個脈沖信號。因為G信號透光孔間隔弧度為60。，曲軸每旋轉(zhuǎn)120。就產(chǎn)生一個脈沖信號，所以通常G信號稱為120。信號。設(shè)計安裝保證120。信號在上止點前70。(BTDC70。)時產(chǎn)生，且長方形寬邊稍長的透光孔產(chǎn)生的信號對應(yīng)于發(fā)動機氣缸1上止點前70。，以便ECU控制噴油提前角與點火提前角。因為Ne信號透光孔間隔弧度為1。(透光孔占0.5。，遮光孔占0.5。)，所以在每一個脈沖周期中，高、低電平各占1。曲軸轉(zhuǎn)角，360個信號表示曲軸旋轉(zhuǎn)720。。曲軸每旋轉(zhuǎn)120。，G信號傳感器產(chǎn)生一個信號，Ne信號傳感器產(chǎn)生60個信號。

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。當信號轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，磁路中的氣隙就會周期性地發(fā)生變化，磁路的磁阻和穿過信號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，傳感線圈中就會感應(yīng)產(chǎn)生交變電動勢。

當信號轉(zhuǎn)子按順時針方向旋轉(zhuǎn)時，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)電動勢E為正(E>0)，如圖2-24中曲線abc所示。當轉(zhuǎn)子凸齒接近磁頭邊緣時，磁通量φ急劇增多，磁通變化率較大[dφ/dt=(dφ/dt)max]，感應(yīng)電動勢E(E=Emax)，如圖2-24中曲線b點所示。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過b點位置后，雖然磁通量φ仍在增多，但磁通變化率減小，因此感應(yīng)電動勢E降低。

當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到凸齒的中心線與磁頭的中心線對齊時(見圖2-24b)，雖然轉(zhuǎn)子凸齒與磁頭間的氣隙較小，磁路的磁阻較小，磁通量φ較大，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)電動勢E為零，如圖2-24中曲線c點所示。

當轉(zhuǎn)子沿順時針方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，凸齒離開磁頭時(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)電動勢E為負值，如圖2-24中曲線cda所示。當凸齒轉(zhuǎn)到將要離開磁頭邊緣時，磁通量φ急劇減少，磁通變化率達到負向較大值[dφ/df=-(dφ/dt)max]，感應(yīng)電動勢E也達到負向較大值(E=-Emax)，如圖2-24中曲線上d點所示。

由此可見，信號轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一個凸齒，傳感線圈中就會產(chǎn)生一個周期變電動勢，即電動勢出現(xiàn)一次較大值和一次較小值，傳感線圈也就相應(yīng)地輸出一個交變電壓信號。磁感應(yīng)式傳感器的突出優(yōu)點是不需要外加電源，磁鐵起著將機械能變換為電能的作用，其磁能不會損失。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化時，轉(zhuǎn)子凸齒轉(zhuǎn)動的速度將發(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)電動勢也就越高。轉(zhuǎn)速不同時，磁通和感應(yīng)電動勢的變化情況如圖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。氣隙如有變化，必須按規(guī)定進行調(diào)整，氣隙一般設(shè)計在0.2~0.4mm范圍內(nèi)。

1)曲軸位置傳感器結(jié)構(gòu)特點:捷達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，主要由信號發(fā)生器和信號轉(zhuǎn)子組成，如圖2-25所示。

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

信號轉(zhuǎn)子為齒盤式，在其圓周上均勻間隔地制作有58個凸齒、57個小齒缺和一個大齒缺。大齒缺輸出基準信號，對應(yīng)發(fā)動機氣缸1或氣缸4壓縮上止點前一定角度。所以信號轉(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:當曲軸位置傳感器隨曲軸旋轉(zhuǎn)時，由磁感應(yīng)式傳感器工作原理可知，信號轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一個凸齒，傳感線圈中就會產(chǎn)生一個周期變電動勢(即電動勢出現(xiàn)一次較大值和一次較小值)，線圈相應(yīng)地輸出一個交變電壓信號。因為信號轉(zhuǎn)子上設(shè)有一個產(chǎn)生基準信號的大齒缺，所以當大齒缺轉(zhuǎn)過磁頭時，信號電壓所占的時間較長，即輸出信號為一寬脈沖信號，該信號對應(yīng)于氣缸1或氣缸4壓縮上止點前一定角度。電子控制單元(ECU)接收到寬脈沖信號時，便可知道氣缸1或氣缸4上止點位置即將到來，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入的信號來確定。由于信號轉(zhuǎn)子上有58個凸齒，因此信號轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈(發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)一圈)，傳感線圈就會產(chǎn)生58個交變電壓信號輸入電子控制單元。

每當信號轉(zhuǎn)子隨發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)動一圈，傳感線圈就會向電子控制單元(ECU)輸入58個脈沖信號。因此，ECU每接收到曲軸位置傳感器58個信號，就可知道發(fā)動機曲軸旋轉(zhuǎn)了一圈。如果在1min內(nèi)ECU接收到曲軸位置傳感器116000個信號，ECU便可計算出曲軸轉(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個信號，ECU便可計算出曲軸轉(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的數(shù)量，便能計算出發(fā)動機曲軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號和負荷信號是電子控制系統(tǒng)較重要、較基本的控制信號，ECU根據(jù)這兩個信號就能計算出基本噴油提前角(時間)、基本點火提前角(時間)和點火導(dǎo)通角(點火線圈一次電流接通時間)三個基本控制參數(shù)。

捷達AT和GTx、桑塔納2000GSi型轎車磁感應(yīng)式曲軸位置傳感器信號轉(zhuǎn)子上大齒缺產(chǎn)生的信號為基準信號，ECU控制噴油時間和點火時間是以大齒缺產(chǎn)生的信號為基準進行控制的。當ECu接收到大齒缺產(chǎn)生的信號后，再根據(jù)小齒缺信號來控制點火時間、噴油時間和點火線圈一次電流接通時間(即導(dǎo)通角)。