我司做自動化行業(yè)已經(jīng)10年，在德國、美國、上海、廣東都有自己的公司，專業(yè)從事進口貿(mào)易行業(yè)。 為確?？蛻粽_使用德國FESTO費斯托位置傳感器，今天再次做解析 FESTO位置傳感器用來測量機器人自身位置的傳感器。FESTO位置傳感器可分為兩種，接觸式傳感器和接近式傳感器。 FESTO位置傳感器（position sensor），能感受被測物的位置并轉換成可用輸出信號的傳感器。它能感受被測物的位置并轉換成可用輸出信號的傳感器。 FESTO位置傳感器可用來檢測位置，反映某種狀態(tài)的開關，和位移傳感器不同，F(xiàn)ESTO位置傳感器有接觸式和接近式兩種。 接觸式傳感器 接觸式傳感器的觸頭由兩個物體接觸擠壓而動作，常見的有行程開關、二維矩陣式FESTO位置傳感器等。行程開關結構簡單、動作可靠、價格低廉。當某個物體在運動過程中，碰到行程開關時，其內(nèi)部觸頭會動作，從而完成控制，如在加工中心的X、Y、Z軸方向兩端分別裝有行程開關，則可以控制移動范圍。二維矩陣式FESTO位置傳感器安裝于機械手掌內(nèi)側，用于檢測自身與某個物體的接觸位置。 接近式傳感器 接近開關是指當物體與其接近到設定距離時就可以發(fā)出“動作"信號的開關，它無需和物體直接接觸。接近開關有很多種類，主要有電磁式、光電式、差動變壓器式、電渦流式、電容式、干簧管、霍爾式等。接近開關在數(shù)控機床上的應用主要是刀架選刀控制、工作臺行程控制、油缸及汽缸活塞行程控制等。 FESTO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。其作用是檢測主轉子在運動過程中的位置，將轉子磁鋼磁極的位置信號轉換成電信號，為邏輯開關電路提供正確的換相信息，以控制它們的導通與截止，使電動機電樞繞組中的電流隨著轉子位置的變化按次序換向，形成氣隙中步進式的旋轉磁場，驅動永磁轉子連續(xù)不斷地旋轉。 直流無刷電機需要FESTO位置傳感器來測量轉子的位置，電機控制器通過接受FESTO位置傳感器信號來讓逆變器換相與轉子同步來驅動電機持續(xù)運轉。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子的位置，而省去FESTO位置傳感器，但是電機啟動時，轉速太小，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FESTO位置傳感器的霍爾傳感器芯片分為開關型和鎖定型兩種。對于電動自行車電機，這兩種霍爾傳感器芯片都可以用來精確測量轉子磁鋼的位置。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、效率和轉矩等沒有任何差別，并可以兼容相同的電機控制器。 FESTO位置傳感器的應用，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。FESTO位置傳感器的應用無疑給電機市場的發(fā)展提供了強大的推動力。 曲軸與凸輪軸 曲軸FESTO位置傳感器(Crankshaft Position Sensor，CPS)又稱為發(fā)動機轉速與曲軸轉角傳感器，其功用是采集曲軸轉動角度和發(fā)動機轉速信號，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FESTO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FESTO位置傳感器(CPS)，凸輪軸FESTO位置傳感器一般都用CIS表示。凸輪軸FESTO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)動機起動時識別出第一次點火時刻。因為凸輪軸FESTO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FESTO位置傳感器 (1)結構特點 日產(chǎn)公司生產(chǎn)的光電式曲軸與凸輪軸FESTO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)生曲軸轉角與轉速信號；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(轉速與轉角信號)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，透光孔和遮光部分就會交替地轉過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的脈沖信號。 由于曲軸旋轉兩轉，傳感器軸帶動信號盤旋轉一圈，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120。就產(chǎn)生一個脈沖信號，所以通常G信號稱為120。信號。設計安裝保證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。曲軸轉角，360個信號表示曲軸旋轉720。。曲軸每旋轉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。 磁感應式曲軸與凸輪軸FESTO位置傳感器 磁感應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極一定子與轉子間的氣隙一轉子凸齒一轉子凸齒與定子磁頭間的氣隙一磁頭一導磁板一磁鐵S極。當信號轉子旋轉時，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)電磁感應原理，傳感線圈中就會感應產(chǎn)生交變電動勢。 當信號轉子按順時針方向旋轉時，轉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)，感應電動勢E為正(E>0)，如圖2-24中曲線abc所示。當轉子凸齒接近磁頭邊緣時，磁通量φ急劇增多，磁通變化率最大[dφ/dt=(dφ/dt)max]，感應電動勢E最高(E=Emax)，如圖2-24中曲線b點所示。轉子轉過b點位置后，雖然磁通量φ仍在增多，但磁通變化率減小，因此感應電動勢E降低。 當轉子旋轉到凸齒的中心線與磁頭的中心線對齊時(見圖2-24b)，雖然轉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，因此感應電動勢E為零，如圖2-24中曲線c點所示。 當轉子沿順時針方向繼續(xù)旋轉，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)，所以感應電動勢E為負值，如圖2-24中曲線cda所示。當凸齒轉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最大值[dφ/df=-(dφ/dt)max]，感應電動勢E也達到負向最大值(E=-Emax)，如圖2-24中曲線上d點所示。 由此可見，信號轉子每轉過一個凸齒，傳感線圈中就會產(chǎn)生一個周期性交變電動勢，即電動勢出現(xiàn)一次最大值和一次最小值，傳感線圈也就相應地輸出一個交變電壓信號。磁感應式傳感器的突出優(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)動機轉速變化時，轉子凸齒轉動的速度將發(fā)生變化，鐵心中的磁通變化率也將隨之發(fā)生變化。轉速越高，磁通變化率就越大，傳感線圈中的感應電動勢也就越高。轉速不同時，磁通和感應電動勢的變化情況如圖2-24所示。 由于轉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，氣隙一般設計在0．2～0．4mm范圍內(nèi)。 捷達、桑塔納轎車磁感應式曲軸FESTO位置傳感器 1)曲軸FESTO位置傳感器結構特點：捷達AT和GTX、桑塔納2000GSi型轎車的磁感應式曲軸FESTO位置傳感器安裝在曲軸箱內(nèi)靠近離合器一側的缸體上，主要由信號發(fā)生器和信號轉子組成，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子，磁頭與磁軛(導磁板)連接而構成導磁回路。 信號轉子為齒盤式，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。所以信號轉子圓周上的凸齒和齒缺所占的曲軸轉角為360。 2)曲軸FESTO位置傳感器工作情況：當曲軸FESTO位置傳感器隨曲軸旋轉時，由磁感應式傳感器工作原理可知，信號轉子每轉過一個凸齒，傳感線圈中就會產(chǎn)生一個周期性交變電動勢(即電動勢出現(xiàn)一次最大值和一次最小值)，線圈相應地輸出一個交變電壓信號。因為信號轉子上設有一個產(chǎn)生基準信號的大齒缺，所以當大齒缺轉過磁頭時，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FESTO位置傳感器輸入的信號來確定。由于信號轉子上有58個凸齒，因此信號轉子每轉一圈(發(fā)動機曲軸轉一圈)，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。 每當信號轉子隨發(fā)動機曲軸轉動一圈，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FESTO位置傳感器58個信號，就可知道發(fā)動機曲軸旋轉了一圈。如果在1min內(nèi)ECU接收到曲軸FESTO位置傳感器116000個信號，ECU便可計算出曲軸轉速n為2000(n=116000/58=2000)r/rain；如果ECU每分鐘接收到曲軸FESTO位置傳感器290000個信號，ECU便可計算出曲軸轉速為5000(n=290000/58=5000)r/min。依此類推，ECU根據(jù)每分鐘接收曲軸FESTO位置傳感器脈沖信號的數(shù)量，便能計算出發(fā)動機曲軸旋轉的轉速。發(fā)動機轉速信號和負荷信號是電子控制系統(tǒng)最重要、最基本的控制信號，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型轎車磁感應式曲軸FESTO位置傳感器信號轉子上大齒缺產(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(即導通角)。 豐田計算機控制系統(tǒng)(1FCCS)采用的磁感應式曲軸與凸輪軸FESTO位置傳感器由分電器改進而成，由上、下兩部分組成。上部分為檢測曲軸位置基準信號(即氣缸識別與上止點信號，稱為G信號)發(fā)生器；下部分為曲軸轉速與轉角信號(稱為Ne信號)發(fā)生器。 a)Ne信號發(fā)生器的結構特點：Ne信號發(fā)生器安裝在G信號發(fā)生器的下面，主要由No．2信號轉子、Ne傳感線圈和磁頭組成，如圖2-26a所示。信號轉子固定在傳感器軸上，傳感器軸由配氣凸輪軸驅動，軸的上端套裝分火頭，轉子外制有24個凸齒。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)轉速與轉角信號的產(chǎn)生原理與控制過程：當發(fā)動機曲軸旋轉時，配氣凸輪軸便驅動傳感器信號轉子旋轉，轉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，由磁感應式傳感器工作原理可知，在傳感線圈中就會感應產(chǎn)生交變電動勢，信號電壓的波形如圖2-26b所示。因為信號轉子有24個凸齒，所以轉子旋轉一圈，傳感線圈就會產(chǎn)生24個交變信號。傳感器軸每轉一圈(360。)相當于發(fā)動機曲軸旋轉兩圈(720。)，所以一個交變信號(即一個信號周期)相當于曲軸旋轉30。(720?！?4=30。)，相當于分火頭旋轉15。(30?！?=15。)。ECU每接收Ne信號發(fā)生器24個信號，即可知道曲軸旋轉了兩圈、分火頭旋轉了一圈。ECU內(nèi)部程序根據(jù)每個Ne信號周期所占時間，即可計算確定發(fā)動機曲軸轉速和分火頭轉速。為了精確控制點火提前角和噴油提前角，還需將每個信號周期所占的曲軸轉角(30。角)分得更小。微機完成這一工作十分方便，由分頻器將每個Ne信號(曲軸轉角30。)等分成30個脈沖信號，每個脈沖信號就相當于曲軸轉角1。(30?！?0=1。)。如將每個Ne信號等分成60個脈沖信號，則每個脈沖信號相當于曲軸轉角0．5。(30?！?0=0．5。)。具體設定由轉角精度要求和程序設計確定。 c)G信號發(fā)生器的結構特點：G信號發(fā)生器用來檢測活塞上止點位置與判別是哪一個氣缸即將到達上止點位置等基準信號。故G信號發(fā)生器又稱為氣缸識別與上止點信號發(fā)生器或基準信號發(fā)生器。G信號發(fā)生器由信號轉子、傳感線圈G1、G2和磁頭等組成。信號轉子帶有兩個凸緣，固定在傳感器軸上。傳感線圈G1、G2相隔180。安裝，G1線圈產(chǎn)生的信號對應于發(fā)動機第六缸壓縮上止點。、G2線圈產(chǎn)生的信號對應于發(fā)動機第一缸壓縮上止點前l(fā)O。。 d)氣缸識別與上止點信號的產(chǎn)生原理與控制過程：G信號發(fā)生器的工作原理與Ne信號發(fā)生器產(chǎn)生信號的原理相同。當發(fā)動機凸輪軸驅動傳感器軸旋轉時，G信號轉子(信號轉子)的凸緣便交替經(jīng)過傳感線圈的磁頭，轉子凸緣與磁頭之間的氣隙交替發(fā)生變化，在傳感線圈Gl、G2中就會感應產(chǎn)生交變電動勢信號。當G信號轉子的凸緣部分接近傳感線圈G1的磁頭時，由于凸緣與磁頭之間的氣隙減小、磁通量增大、磁通變化率為正，因此傳感線圈G1中產(chǎn)生正向脈沖信號，稱為G1信號；當G信號轉子的凸緣部分接近傳感線圈G2時，由于凸緣與磁頭之間的氣隙減小、磁通量增大、磁通變化率為正，因此傳感線圈G2中也產(chǎn)生正向脈沖信號，稱為G2信號。當G信號轉子的凸緣部分經(jīng)過G1、G2的磁頭時，由于凸緣與磁頭之間的氣隙不變、磁通量不變、磁通變化率為零，因此傳感線圈G1、G2中的感應電動勢均為零。當G信號轉子的凸緣部分離開G1、G2的磁頭時，由于凸緣與磁頭之間的氣隙增大、磁通量減小、磁通變化率為負，因此傳感線圈G1、G2中將感應產(chǎn)生負向交變電動勢信號。傳感器每轉一圈(360。)相當于曲軸轉兩圈(720。)，因為傳感線圈G1、G2相隔180。安裝，所以G1、G2中各產(chǎn)生一個正向脈沖信號。其中G1信號對應于發(fā)動機第六缸，用來檢測第六缸上止點的位置；G2信號對應于第一缸，用來檢測第一缸上止點的位置。電子控制單元檢測的對應位置實際上是G轉子凸緣的前端接近并與傳感線圈G1、G2的磁頭對齊時刻(此時磁通量最大、信號電壓為零)的位置，該位置對應于活塞壓縮上止點。(BT-DCl0。)位置。 霍爾式曲軸與凸輪軸FESTO位置傳感器 (1)霍爾式傳感器的結構與工作原理 霍爾式曲軸與凸輪軸FESTO位置傳感器及其他形式的霍爾式傳感器都是根據(jù)霍爾效應制成的傳感器。 1)霍爾效應：霍爾效應(Hall Effect)是美國約翰霍普金斯大學物理學家霍爾博士(Dr．E．H．Hall)于1879年首先發(fā)現(xiàn)的。他發(fā)現(xiàn)把一個通有電流I的長方體形白金導體垂直于磁力線放入磁感應強度為B的磁場中時(見圖2-27)，在白金導體的兩個橫向側面上就會產(chǎn)生一個垂直于電流方向和磁場方向的電壓UH，當取消磁場時，電壓立即消失。該電壓后來稱為霍爾電壓，UH與通過白金導體的電流I和磁感應強度B成正比，即(見下頁） 利用霍爾效應制成的元件稱為霍爾元件，利用霍爾元件制成的傳感器稱為霍爾式傳感器。利用霍爾效應不僅可以通過接通和切斷磁場來檢測電壓，而且可以檢測導線中流過的電流，因為導線周圍的磁場強弱與流過導線的電流成正比關系。20世紀80年代以來，汽車上應用的霍爾式傳感器與日劇增，主要原因在于霍爾式傳感器有兩個突出優(yōu)點：一是輸出電壓信號近似于方波信號；二是輸出電壓高低與被測物體的轉速無關。霍爾式傳感器與磁感應式傳感器不同的是需要外加電源。 2)霍爾式傳感器基本結構：霍爾式傳感器主要由觸發(fā)葉輪、霍爾集成電路、導磁鋼片(磁軛)與磁鐵等組成。觸發(fā)葉輪安裝在轉子軸上，葉輪上制有葉片(在霍爾式點火系統(tǒng)中，葉片數(shù)與發(fā)動機氣缸數(shù)相等)。當觸發(fā)葉輪隨轉子軸一同轉動時，葉片便在霍爾集成電路與磁鐵之間轉動。霍爾集成電路由霍爾元件、放大電路、穩(wěn)壓電路、溫度補償電路、信號變換電路和輸出電路等組成。 3)霍爾式傳感器工作原理：當傳感器軸轉動時，觸發(fā)葉輪的葉片便從霍爾集成電路與磁鐵之間的氣隙中轉過：當葉片離開氣隙時，磁鐵的磁通便經(jīng)霍爾集成電路和導磁鋼片構成回路，此時霍爾元件產(chǎn)生電壓(UH=1．9～2．0V)，霍爾集成電路輸出級的晶體管導通，傳感器輸出的信號電壓U0為低電平(實測表明：當電源電壓Ucc=14．4V或5V時，信號電壓U0=0．1～0．3 V)。 當葉片進入氣隙時，霍爾集成電路中的磁場被葉片旁路，霍爾電壓UH為零，集成電路輸出級的晶體管截止，傳感器輸出的信號電壓U0為高電平(實測表明：當電源電壓Ucc=14．4V時，信號電壓U0=9．8 V；當電源電壓Ucc=5V時，信號電壓U0=4．8 V)。
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