ABS轮速传感器及其信号处理

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1、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

2、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。   1ABS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

3、，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

4、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

5、，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

6、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、记录。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。表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

7、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

8、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；