淺談電磁感應(yīng)式輪速傳感器在汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)中的應(yīng)用與仿真方法

1、 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目 淺談電磁感應(yīng)式輪速傳感器在汽車防抱 死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)中的應(yīng)用與仿真方法 學(xué) 院 機(jī)械工程學(xué)院 學(xué)生姓名072512202陳新文072512221 徐 煒 072512211 錢之豪072512214 沈佳慧 專 業(yè) 汽車服務(wù)工程（汽車試驗(yàn)與檢測(cè)技術(shù)） 年 級(jí) 大三 班 級(jí) 汽檢122 導(dǎo)師 葉飛 職 稱 講師 論文提交日期 2015-06-17 淺談電磁感應(yīng)式輪速傳感器在汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）中的應(yīng)用與仿真方法摘要電磁感應(yīng)式輪速傳感器可以對(duì)汽車輪速信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，用于制動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)及變速箱等眾多系統(tǒng)控制，是汽車最關(guān)鍵的部件之一。為了對(duì)汽車制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（ABS

2、）及早有效的開發(fā)驗(yàn)證，需要對(duì)電磁感應(yīng)式輪速傳感器進(jìn)行仿真模擬。文章針對(duì)最常用的電磁感應(yīng)式電磁感應(yīng)式輪速傳感器進(jìn)行測(cè)試與分析，通過設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路，成功搭建了 ABS 硬件在環(huán)仿真平臺(tái)，既簡(jiǎn)化了汽車開發(fā)階段的驗(yàn)證與測(cè)試，又節(jié)省了開發(fā)成本。關(guān)鍵詞：電磁感應(yīng)式電磁感應(yīng)式輪速傳感器 ABS 在環(huán)仿真On the Electromagnetic Induction Type Wheel Speed Sensors in Automotive Anti-lock Braking System (ABS) Application and SimulationAbstractElectromagnetic i

3、nduction type wheel speed sensors for automotive wheel speed signals are measured for a number of system control brake, engine and transmission, it is one of the most critical components of the car. To automobile anti-lock braking system (ABS) early and effective development of verification, the nee

4、d for wheel speed sensor simulation. Articles for the most common wheel speed sensor electromagnetic induction test and analysis through design signal conditioning circuit, successfully built ABS HIL simulation platform, not only simplifies the validation and testing phase of vehicle development, bu

5、t also saves the cost of development.Key Words: Electromagnetic induction type wheel speed sensor; ABS; In the simulation目 錄1. 前言12. 電磁感應(yīng)式輪速傳感器概述12.1電磁感應(yīng)式輪速傳感器的作用12.2 電磁感應(yīng)式輪速傳感器的安裝位置1 2.3 電磁感應(yīng)式輪速傳感器的組成2 2.4 電磁感應(yīng)式輪速傳感器的原理2 2.5 ABS對(duì)輪速信號(hào)的識(shí)別原理33. 速傳感器在ABS 硬件在環(huán)仿真平臺(tái)的仿真方法4 3.1 概述4 3.2 電磁感應(yīng)式輪速傳感器仿真信號(hào)處理5 3.3

6、 輪速信號(hào)采集方法與精度分析63.3.1 頻率法63.3.2 圖像法8 3.4 ABS 硬件在環(huán)仿真平臺(tái)9結(jié)語10參考文獻(xiàn)111. 前言：隨著人們對(duì)汽車安全技術(shù)要求的提高，防抱死制動(dòng)系統(tǒng) ( ABS) 的存在尤為重要。對(duì) ABS系統(tǒng)來說，車輪轉(zhuǎn)速傳感器提供的信號(hào)是最基本的輸入?yún)?shù)。通過感知汽車輪速信號(hào)，ABS采用一定的算法求得相關(guān)的輪加減速度和滑移率這兩個(gè)控制參考變量，從而進(jìn)行ABS 控制以實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的制動(dòng)。因此，精密的電磁感應(yīng)式輪速傳感器是ABS系統(tǒng)正常工作的先決條件。2. 電磁感應(yīng)式輪速傳感器概述2.1電磁感應(yīng)式輪速傳感器的作用 電磁感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器是電子控制防抱死制動(dòng)系統(tǒng)中的重要部件

7、，用來監(jiān)測(cè)車輪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。2.2電磁感應(yīng)式輪速傳感器的安裝位置1）前輪的齒圈(43齒)安裝在傳動(dòng)軸上，轉(zhuǎn)速傳感器安裝在轉(zhuǎn)向節(jié)上。2）后輪的齒圈(43齒)安裝在后輪轂上，轉(zhuǎn)速傳感器則安裝在固定支架上。前車輪轉(zhuǎn)速傳感器（G45/G47）安裝位置 后車輪轉(zhuǎn)速傳感器(G44/G46)安裝位置1-齒圈 2-前輪轉(zhuǎn)速傳感器 1-齒圈 2-后輪轉(zhuǎn)速傳感器22.3電磁感應(yīng)式輪速傳感器的組成如下圖所示，傳感器由電磁感應(yīng)式傳感頭和磁性齒圈組成。傳感頭由永磁體、磁極和感應(yīng)線圈組成，齒圈由鐵磁性材料制成。2.4電磁感應(yīng)式輪速傳感器的原理當(dāng)齒圈旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒頂與齒隙輪流交替對(duì)向磁芯，當(dāng)齒圈轉(zhuǎn)到齒頂與傳感頭磁芯相對(duì)時(shí)，傳感頭磁

8、芯與齒圈之間的間隙最小，由永久磁芯產(chǎn)生的磁力線就容易通過齒圈，感應(yīng)線圈周圍的磁場(chǎng)就強(qiáng)，如圖 (a)所示。而當(dāng)齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)到齒隙與傳感磁芯相對(duì)時(shí)，傳感頭磁芯與齒圈之間的間隙最大，由永久磁芯產(chǎn)生的磁力線就不容易通過齒圈，感應(yīng)線圈周圍的磁場(chǎng)就弱，如圖 (b)所示。此時(shí)，磁通迅速交替變化，如(c)圖所示，在感應(yīng)線圈中就會(huì)產(chǎn)生交變電壓，交變電壓的頻率將隨車輪轉(zhuǎn)速成正比例變化。電子控制單元可以通過轉(zhuǎn)速傳感器輸入的電壓脈沖頻率進(jìn)行處理來確定車輪的轉(zhuǎn)速、汽車的參考速度等。電磁感應(yīng)式輪轉(zhuǎn)速傳感器工作原理(a)齒圈齒頂與磁芯相對(duì)時(shí) (b)齒圈齒隙與磁芯相對(duì)時(shí)1-齒圈 2-磁芯端部齒 3-感應(yīng)線圈端子 4-感應(yīng)線圈 5

9、-永磁性磁極 6-磁力線 7-磁場(chǎng) 8-磁芯 9-齒圈齒頂2.5 ABS 對(duì)輪速信號(hào)的辨識(shí)原理汽車電磁感應(yīng)式輪速傳感器部件與 ABS ECU 連接，如圖3 所示，ABS ECU 給電磁感應(yīng)式輪速傳感器供電（Up），電磁感應(yīng)式輪速傳感器將輪速信號(hào)輸入給 ABS ECU，ABS 系統(tǒng)正常工作。如圖 4 所示，對(duì)電磁感應(yīng)式輪速傳感器進(jìn)行單獨(dú)外部供電 UP，將同樣的輪速方波信號(hào)輸入給 ABS ECU，ABS ECU不能識(shí)別電磁感應(yīng)式輪速傳感器信號(hào)，ABS 不能正常工作。根據(jù)電磁感應(yīng)式輪速傳感器輸出信號(hào)特性，用信號(hào)發(fā)生器或上位機(jī)軟件模擬同樣的輪速信號(hào)給 ABS ECU， 如圖 5 所示，ABSECU 不

10、能識(shí)別該模擬信號(hào)，ABS 不能正常工作。從以上測(cè)試分析可知，ABS ECU 將對(duì)輪速信號(hào)進(jìn)行識(shí)別判斷，只有當(dāng) ABS ECU 供電輸出端和信號(hào)輸入端構(gòu)成完整的閉環(huán)回路，ABS 才認(rèn)為該輪速信號(hào)有效。3. 電磁感應(yīng)式輪速傳感器在ABS 硬件在環(huán)仿真平臺(tái)的仿真方法3.1 概述電磁感應(yīng)式輪速傳感器仿真信號(hào)能夠充分替代真實(shí)電磁感應(yīng)式輪速傳感器，能夠仿真再現(xiàn)汽車行駛中的各種駕駛工況。 汽車電磁感應(yīng)式輪速傳感器信號(hào)仿真方法的研究和實(shí)現(xiàn)有利于 ABS 硬件在環(huán)仿真平臺(tái)的搭建和 ABS 開發(fā)驗(yàn)證， 不但縮短了整車開發(fā)周期，還能節(jié)省開發(fā)成本，對(duì)新車型的開發(fā)具有重要意義。3.2 電磁感應(yīng)式輪速傳感器仿真信號(hào)處理根

11、據(jù)電磁感應(yīng)式輪速傳感器輸出信號(hào)特性和 ABS 輪速信號(hào)辨識(shí)原理的分析，需要在電磁感應(yīng)式輪速傳感器仿真模擬信號(hào)和 ABS ECU 中間設(shè)計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)， 使得 ABS ECU 供電輸出端和信號(hào)輸出端構(gòu)成完整的閉環(huán)回路，如圖 6 所示。按照系統(tǒng)功能要求， 處理系統(tǒng)電路主要由核心部件光電耦合器和不同規(guī)格的電阻元件搭建而成。光電耦合器是實(shí)現(xiàn)光電耦合的基本器件， 它將發(fā)光元件（發(fā)光二極管）與光敏元件（光電三極管）相互絕緣地組合在一起。 發(fā)光元件為輸入回路，將電能轉(zhuǎn)換成光能，光敏元件為輸出回路，將光能再轉(zhuǎn)換成電能，實(shí)現(xiàn)了 2 部分電路的電氣隔離，既可以有效地抑制電磁干擾，又可以有效傳輸信號(hào)。 處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

12、電路，如圖 7 所示。利用該處理系統(tǒng)， 輸入端連接 ABS ECU 供電端，輸出端連接 ABS ECU 輪速信號(hào)輸入，信號(hào)特性根據(jù) R1和 R2阻值大小而定， 根據(jù)實(shí)際電磁感應(yīng)式輪速傳感器信號(hào)，R1和R2阻值計(jì)算公式為式中：UPABS 系統(tǒng) ECU 內(nèi)部供電電壓，V；UH輪速方波信號(hào)高電平， V；UL輪速方波信號(hào)低電平，V；RLow下拉電阻，。3.3輪速信號(hào)采集方法與精度分析常用的輪速信號(hào)采集方法有頻率法和周期法。下面對(duì) 2 種方法進(jìn)行分析。3.3.1頻率法所謂頻率法就是測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)輪速脈沖的個(gè)數(shù)，以求得輪速 v1，即v1=（2r/z）（M/T） （1）式中，r 為車輪半徑；z 為齒圈齒數(shù)；

13、M 為頻率信號(hào)輸出脈沖個(gè)數(shù)；T 為測(cè)量時(shí)間間隔。由于確定系統(tǒng)的 2r/z 為常數(shù)， 所以輪速誤差主要受 f頻率=M/T 的影響， 頻率法測(cè)量原理如圖 8所示。由 f頻率=M/T 推導(dǎo)得：df/f=dM/M-dT/T （2）由式（2）可知，頻率測(cè)量誤差來自于時(shí)基誤差dT/T（測(cè)量時(shí)間間隔的相對(duì)誤差）及計(jì)數(shù)誤差 dM/M。 因時(shí)基誤差通常用微機(jī)石英晶體振蕩器定時(shí)，可保證在 10-6以下，所以此項(xiàng)誤差可忽略。 計(jì)數(shù)誤差即所謂±1 個(gè)誤差，圖 9 為計(jì)數(shù)誤差示意圖。采用頻率法測(cè)量時(shí)的誤差主要來自脈沖個(gè)數(shù)的±1 個(gè)誤差，因此當(dāng)輪速較低時(shí)該方法計(jì)算誤差較大，所以 ABS 輪速計(jì)算中很少

14、單獨(dú)采用頻率法。 3.3.2周期法所謂周期法就是用時(shí)標(biāo)充填的方法測(cè)量輪速脈沖周期（圖 10），然后計(jì)算出輪速 v2：v2=（2r/z）（1/T） （3）同理，因 2r/z 為常數(shù)，所以輪速計(jì)算的誤差分析換算成對(duì)頻率 f周期的誤差分析：f周期=1/T=1/M1 （4）式中， 為時(shí)標(biāo)信號(hào)周期；M1為時(shí)標(biāo)信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)；T 為被測(cè)周期。由式（4）推導(dǎo)得：-df/f=dT/T=dM1/M1+d/ （5）與頻率法一樣，時(shí)標(biāo)精度誤差 d/ 也可忽略，即此計(jì)算方法的誤差主要是時(shí)標(biāo)信號(hào)脈沖計(jì)數(shù)產(chǎn)生的±1 個(gè)誤差。 當(dāng)輪速較低時(shí)，利用周期法進(jìn)行輪速計(jì)算誤差較小，即周期法只能保證低速時(shí)的輪速計(jì)算精度， 所

15、以 ABS 輪速計(jì)算中也很少單獨(dú)采用周期法。3.4 ABS 硬件在環(huán)仿真平臺(tái)ABS 硬件在環(huán)仿真是指整車用高速運(yùn)行的實(shí)時(shí)仿真模型替代， 而硬件用實(shí)際開發(fā)的 ABS 連接而成的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)。 在沒有實(shí)際車輛的情況下借助硬件在環(huán)仿真平臺(tái)對(duì) ABS 進(jìn)行閉環(huán)測(cè)試， 可以及早發(fā)現(xiàn)問題、節(jié)省成本并縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期。根據(jù)開發(fā)車型 ABS 所用電磁感應(yīng)式輪速傳感器輸出信號(hào)特性，按照式（1）選擇合適的光電耦合器和電阻元件，設(shè)計(jì) 電磁感應(yīng)式輪速傳感器模擬信號(hào)處理系統(tǒng)，基 于Matlab/Simulink/RTW 及 Dspace 軟硬件系統(tǒng)建立 ABS硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)，如圖 8 所示。硬件主要包括：ABS

16、 ECU，Dspace/Autobox，接口線及上位機(jī)。 其中 Autobox 是德國 Dspace 公司生產(chǎn)的用于快速控制原型（RCP）開發(fā)的實(shí)時(shí)硬件系統(tǒng)，其組件由處理器板與外圍 I/O 板通過 PHS 總線構(gòu)成的大系統(tǒng)，具有處理器板與外圍 I/O 板任意可擴(kuò)展性，可以方便的和實(shí)際系統(tǒng)連接測(cè)試。軟件主要以 MathWorks 公司的 Matlab/Simulink/RTW 為平臺(tái)，結(jié)合了 Dspace 公司開發(fā)的一套計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)工具包 (control development package, CDP)，主要包括 RTI 和 Controldesk 等， 構(gòu)成了一個(gè)快速控制原型（Rap

17、id Control Prototyping, RCP）的開發(fā)環(huán)境。 RTW可以實(shí)現(xiàn)從 Matlab/Simulink 模型到 Dspace 實(shí)時(shí)硬件代碼的無縫自動(dòng)下載； 實(shí)時(shí)接口 RTI 作為 Dspace/Autobox實(shí)時(shí)系統(tǒng)與 Matlab/Simulink 之間的連接紐帶。結(jié)論輪速傳感器仿真信號(hào)能夠充分替代真實(shí)輪速傳感器，能夠仿真再現(xiàn)汽車行駛中的各種駕駛工況。 汽車輪速傳感器信號(hào)仿真方法的研究和實(shí)現(xiàn)有利于 ABS 硬件在環(huán)仿真平臺(tái)的搭建和 ABS 開發(fā)驗(yàn)證， 不但縮短了整車開發(fā)周期，還能節(jié)省開發(fā)成本，對(duì)新車型的開發(fā)具有重要意義。參考文獻(xiàn)：1 童詩白， 華成英. 模擬電子技術(shù) M. 北京： 高等教育出版社，2004：141-143.2 張為，王偉達(dá)，丁能根，等. 基于 dSPACE 的 ASR 硬件在環(huán)仿真平臺(tái)開發(fā)及 ECU 性能試驗(yàn)J. 汽車技術(shù)，2009（10）：5-8.3 劉自凱，陳慧，袁兼宗，等. 商用車電子制動(dòng)系統(tǒng)的建模與仿真C. 中國汽車工程學(xué)會(huì)論文集，2008：1339