ABS轮速传感器及其信号处理

ABS轮速传感器及其信号处理 车轮防抱死制动系统简称ABS 是基于汽车轮胎与路面之间的附着特性而开发的高技术制动系统。ABS由信号传感器、逻辑控制器和执行调节器组成。其控制目标是:当汽车在应急制动时，使车轮能够获得最佳制动效率，同时又能实现车轮不被抱死、侧滑，使汽车在整个制动过程中保持良好的行驶稳 定性和方向可操作性。 在ABS系统中，几乎都离不开对车轮转动角速度的测定，因为只要有了车轮转动角速度，其它参数(如车轮转动角和加速度)均可通过计算机计算获得。ABS的工作原理就是在汽车制动过程中不断检测车轮速度的变化，按一定的控制方法，通过电磁阀调节轮缸制动压力，以获得最高的纵向附着系数和较高的侧向附着系数，使车轮始终处于较好的制动状 态。因此精确检测车轮速度是ABS系统正常工作的先决条件。 1 ABS轮速传感器及特性分析 通常，用来检测车轮转速信号的传感器有磁电式、电涡流式和霍尔元件式。由于磁电式轮速传感器工作可靠，几乎不受温度、灰尘等环境因素影响，所以在ABS系统中得到广 泛应用。 1.1 磁电式轮速传感器的工作原理 磁电式传感器的基本原理是电磁感应原理。根据电磁感应定律，当N匝线圈在均恒磁场内运动时，设穿过线圈的磁通为φ，则线圈内的感应电势ε与磁通变化率 有如下 关系: 若线圈在恒定磁场中作直线运动并切割磁力线时，则线圈两端的感应电势ε为: 式中，N为线圈匝数;B为磁感应强度;L为每匝线圈的平均长度: 为线圈相对磁 场运动的速度;θ为线圈运动方向与磁场方向的夹角。 若线圈相对磁场作旋转运动并切割磁力线时，则线圈两端的感应电势ε为: 式中，ω为旋转运动的相对角速度;A为每匝线圈的截面积;φ为线圈平面的法线方 向与磁场方向间的夹角。 根据上述基本原理，磁电传感器可以分为两种类型:变磁通式(变磁阻式)和恒定磁通式。由于变磁通式磁电传感器结构简单、牢固、工作可靠、价格便宜，被广泛用于车辆上作为检测车轮转速的轮速传感器。图1为变磁通式磁电传感器的结构原理。其中传感器 线圈、磁铁和外壳均固定不动，齿轮安装在被测的旋转体上。 当齿轮与被测的车轮轴一起转动时，齿轮与铁芯之间的气隙随之变化，从而导致气隙磁阻和穿过气隙的主磁通发生变化。结果在感应线圈中感应出交变的电动势，其频率等于 齿轮的齿数Z和车轮轴转速n的乘积，即: f=Zh (4) 感应电动势的幅值与车轮轴的转速和气隙有关，当气隙一定时，转速越大，其幅值越 大;当转速一定时，气隙越小，其幅值越大。 1.2 轮速传感器特性试验研究 目前，测量车轮转动速度的一般方法是将变磁阻式磁电传感器安装在车轮总成的非旋转部分上，与随车轮一起转动的由导磁材料制成的齿圈相对。当齿圈随车轮一起转动时，由于齿圈与传感器之间气隙的的交替变化，导致两者间磁阻的变化，从而在传感器内的线 圈上感生出交变的电压信号。 笔者对国内某公司生产的配备某商务车ABS系统的变磁阻式磁电传感器进行了研究。该车车轮转动半径为302mm，齿圈齿数为47齿，用固定螺钉将其与车轮连接。在研制的传感器参数检测系统试验台上进行试验，齿轮由可以无极调速的驱动电机驱动。将最高车速从10km/h到100km/h对轮速传感器的输出信号进行观察、。试验过程中，将齿圈和传感头之间的气隙分别控制在0.5mm，0.6mm，„，1.0mm。1、表2分别是传感器输出信号 的频率和电压与车轮转速和气隙之间的关系。 当气隙为0.5mm时，不同轮速下变磁阻式磁电轮速传感器所产生的信号如图2所示。 1.3 试验结果分析 由表1、表2和图2可知，变磁阻式轮速传感器产生的信号具有如下特征: (1)传感器头与齿圈间的气隙控制在0.5~1.0mm比较理想; (2)在气隙一定时，传感器的灵敏度为常数; (3)传感器产生的信号为接近零均值的正弦波信号; (4)，正弦波信号的幅值随传感器头与齿圈间的气隙减小和车轮转速增加而变大;正 弦波信号的频率等于齿圈齿数与轮速的乘积。 由图2可以看出，传感器输出的信号波形并不是标准的、光滑的正弦波，其波形有抖动。经过分析可知，它是由于测试系统本身的系统误差以及在测试现场的一定频率成分的 高频干扰信号的影响所产生的。 2 轮速传感器信号处理电路的设计 2.1 信号处理电路的功能要求分析 通过上文的分析可知，当齿圈的齿数一定时，传感器信号的频率只与车轮的转速有关。因此，ABS系统的电控单元(ECU)通常是经过专门的信号处理电路将传感器正弦波信号转换为同频率的方波信号，通过检测方波信号的频率或周期来计算车轮的转速。为了提高测 量轮速度精度，轮速信号处理电路应具有如下功能: (1)将正弦波信号转换为同频率的方波信号时，方波的占空比应当适中; (2)由于振动，气隙在一定范围内变动时，仍然能正确地进行波形变换; (3)电磁兼容性好，能抑制噪声干扰。 2.2 信号处理电路的结构设计 综合变磁阻磁电式传感器的信号特性和信号处理电路的功能要求分析，设计信号处理 电路的结构如图3所示。它由滤波电路、方波产生电路组成。 2.2.1 滤波电路 由试验可知，中高频干扰信号的频率远大于传感器感应信号的频率，因此采用标准的 低通滤波器。其作用是在尽可能地保留有用的传感器信号的前提下滤去噪声. 2.2.2 方波产生电路 利用基于迟滞比较器的方波产生电路能够产生波形比较理想的方波。根据不同的要求， 通过电路元件参数的设计以改变迟滞比较器的门限电压，从而实现波形的转换。 当迟滞比较器的回差电压设计的比较小(约0.1v)时，只要轮速传感器的原始正弦波信号的幅值大于0.1 v就可以被保留下来转换为方波，而幅值小于0.1 v的噪声则被滤除;只有当轮速传感器信号电压的幅值接近零时的幅值大于0.1 v的噪声才能进人后续处理电路。因为迟滞比较器引人了正反馈网络，它的抗干扰能力大大提高，产生的方波波形也比 较理想(即上升沿与下降沿比较陡，波峰、波谷平整). 2.3 信号处理电路的仿真研究 利用Matlab/Simulink中的信号处理(Signal Pro-cessing Blockset)等模块构建仿 真电路模型，进行仿真研究。 由上述“轮速传感器及其信号特性试验”可知，轮速传感器信号的幅值和频率与齿隙、齿数和车轮转速有关。在Matlab中，利用正弦波信号源模块模拟轮速传感器的感应信号。因为正弦波信号源模块产生的正弦信号非常“纯净”，所以在输人端加人噪声信号源，与正弦波信号源信号合成后模拟轮速传感器信号作为信号处理电路的输人信号。通过改变正弦波信号的幅值和频率即可模拟不同轮速和齿隙的传感器感应信号。图4所示是不同轮速 时的轮速传感几器信号处理电路的输入和输出。 根据信号处理电路的输人和输出，在Matlab中计算轮速传感器信号处理电路的传递特 性。二者之间的传递函数对应的Bode图如图5所示。 由Bode图分析可知，信号处理电路的传递特性近似为3阶低通滤波器，具有较理想的幅频特性和相频特性，其截至频率约为1 kHz。因为安装该ABS传感器的商务车的车轮滚动半径为322 mm，齿圈齿数为47齿，按最高车速为150 km/h计算时，轮速传感器信号的频率为968 Hz，因此该轮速传感器信号的频率在所设计信号处理电路的通带内，满足使用要 求。 2.4 信号处理电路的试验研究 根据上述设计，制成仿真电路进行试验研究。由于受到ABS轮速传感器检测系统中无 极调速电机的转速限制，试验分2种情况进行。 (1)轮速从3 km/h到100 km/h时，在该公司的ABS轮速传感器检测系统上利用该公 司生产的变磁阻式磁电传感器进行试验。 当轮速较低时，轮速传感器信号处理电路存在最低工作速度。因为当轮速较低，信噪比太小以致信号处理电路无法区分有效信号与低频噪声时，信号处理电路为了防止误触发而将有效信号和噪声一并阻断。又由于信号幅值与气隙有关，所以对应不同气隙有不同的最低工作速度。正常情况下，传感器头与齿圈之间的气隙在0.5~1.0mm之间，所以对气隙分别为0.5 mm和1.0 mm两种工况进行了试验。气隙为0.5 mm时，齿轮最低工作转速对应的车速为5.17km/h;气隙为1.0 mm时，齿轮最低工作转速对应的车速为8.26 km/h。与实 际应用中ABS的最低工作车速(一般为5-10 km/h)比较，该信号处理电路可以满足使用要 求。当车轮转速低于最低工作转速时，输出信号保持水平，不会导致误触发。 对于气隙为0.5 mm和1.0mm的两种工况，在不同转速下，信号处理电路的输出方波均 有比较合适的占空比，也没有因为噪声干扰而导致的误触发脉冲。 (2)轮速从100 km/h到150 km/h时，使用XD5-1低频信号发生器产生信号模拟传感器信号输人电路。根据经验，在高速时轮速传感器信号处理电路工作没有问题。试验结果 与仿真试验结果一致，证明该信号处理电路能够正常工作。 3 结论 在对变磁阻式磁电轮速传感器试验研究的基础上，分析了ABS轮速传感器信号的特性，并设计了该轮速传感器信号的处理电路。它采用高阶低通滤波器实现抑制噪声的目的，并利用基于迟滞比较器的方波产生电路达到了提高信噪比和整形的目的。在Matlab上进行的仿真研究和试验研究结果都表明，该电路具有信号噪声比高、抗干扰性能强、工作可靠的优点。该轮速信号处理电路可以充分发挥变磁阻式磁电轮速传感器的潜能，完全可以满足 ABS系统的要求。