磁電式ABS傳感器性能測試及評定方法研究

胡曉峰， 施 巖，陸 藝，郭 斌

（1.中國計(jì)量學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江方圓檢測集團(tuán)，浙江 杭州 310018；3.杭州沃鐳科技有限公司，浙江 杭州 310019）

0 引 言

近年來，我國逐漸提高了對汽車行車安全的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，行車主動(dòng)安全系統(tǒng)（如ABS、ESP等）越來越多地作為標(biāo)準(zhǔn)部件裝配于各類車輛，以提高行車制動(dòng)安全性，優(yōu)化制動(dòng)距離。目前，對于此類安全輔助系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，一方面聚焦于制造成本的低廉化，另一方面則注重提高其工作穩(wěn)定性[1]。作為汽車防抱死系統(tǒng)（antilock braking system，ABS）的關(guān)鍵部件，ABS 傳感器裝配于汽車車橋輪轂用于實(shí)時(shí)測量車輪的轉(zhuǎn)速，并將轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)通過CAN總線傳輸至ECU控制器，以監(jiān)判車輛各車輪是否有滑移傾向，并根據(jù)滑移率做出最佳制動(dòng)調(diào)整。

當(dāng)前，國內(nèi)部分高校院所已對ABS傳感器性能檢測展開了相關(guān)研究，如田錦明[2]基于LabVIEW開發(fā)了汽車輪速傳感器測控系統(tǒng)；陳永良[3]開發(fā)了汽車輪速傳感器檢測臺；孫駿[4]基于VC++開發(fā)了汽車輪速傳感器性能測試系統(tǒng)，研究了傳感器間隙對輸出信號的影響；殷蘇民[5]基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)了一套針對霍爾式輪速傳感器功能測試的檢測系統(tǒng)等。但此類研究集中于對傳感器單體性能測試，非實(shí)車測試環(huán)境，測試項(xiàng)目單一。國外對于ABS研究相對較早，現(xiàn)多集中于系統(tǒng)集成測試的研究，對單一部件檢測相對較少，且同類檢測設(shè)備價(jià)格較為昂貴。因此針對存在的不足，本文設(shè)計(jì)了一套磁電式ABS傳感器在線性能檢測系統(tǒng)，對車橋傳感器裝配質(zhì)量進(jìn)行綜合評定。

1 ABS傳感器工作原理

ABS傳感器，根據(jù)其工作原理可分為電渦流式、霍爾式、磁電式等類型[6]。文中針對磁電式ABS傳感器的工作原理、性能檢測展開了深入研究。磁電式ABS傳感器根據(jù)電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)，周期性變化的磁場產(chǎn)生周期性的感應(yīng)電動(dòng)勢，其值與回路內(nèi)磁通量的變化成正比：

式中：ε——感應(yīng)電動(dòng)勢，V；

ΔΦB——變化的磁通量，Wb；

N——線圈圈數(shù)。

如圖1所示，磁電式ABS傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由永磁鐵（a）、線圈（b）、信號線、彈簧夾片等組成，同激勵(lì)齒圈構(gòu)成車輪輪速測量裝置。當(dāng)車橋輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)齒圈同軸旋轉(zhuǎn)，齒圈表面凹凸齒切割環(huán)繞線圈的磁力線導(dǎo)致磁通量發(fā)生改變，進(jìn)而生成了周期性變化的交流電壓，其電壓頻率同車橋的轉(zhuǎn)速成正比。ABS傳感器工作時(shí)，觸頭每交替經(jīng)過一個(gè)齒圈端面，輸出一個(gè)周期T的正弦感應(yīng)電壓U。

圖1 ABS傳感器感應(yīng)電壓變化曲線

ABS傳感器測速原理：根據(jù)傳感器輸出感應(yīng)電壓頻率f和激勵(lì)齒圈齒數(shù)m，進(jìn)而求得車橋轉(zhuǎn)速n，單位為r/min。

由于磁電式ABS傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，齒圈通過過盈配合裝入車橋輪轂內(nèi)，影響其輸出感應(yīng)電壓變化的外部因素主要有車橋轉(zhuǎn)動(dòng)速度、傳感器與齒圈間隙、齒圈端面面積、永磁鐵端面面積、永磁鐵磁場等。當(dāng)齒圈旋轉(zhuǎn)時(shí)其端面與永磁鐵端面近乎于平行狀態(tài)，因而假設(shè)磁場方向與端面垂直。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，可得永磁鐵途經(jīng)齒圈表面Σ的磁通量 ФB：

式中：d A——齒圈表面Σ（t）的面積元；

B——永磁鐵的磁場；

B·d A——單位面積元磁通量的矢量點(diǎn)積；

t——單位時(shí)間。

假設(shè)齒圈做勻速旋轉(zhuǎn)，其單齒作切割磁力線運(yùn)動(dòng)，傳感器線圈附近產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度可表示為

式中：ω——齒圈轉(zhuǎn)速；

z——齒圈齒數(shù)；

T——感應(yīng)電壓信號周期。

綜上可知，磁電式ABS傳感器感應(yīng)電動(dòng)勢與車橋轉(zhuǎn)速成正比，與傳感器同齒圈的間隙成反比。

2 檢測方案與評定方法

2.1 系統(tǒng)檢測方案設(shè)計(jì)

根據(jù)GB/T 18459——2001《傳感器主要靜態(tài)性能指標(biāo)計(jì)算方法》標(biāo)準(zhǔn)與企業(yè)測試指導(dǎo)需求，制定磁電式ABS傳感器性能測試總體技術(shù)方案，檢測參數(shù)包括最大電壓（Vmax/mV）、最小電壓（Vmin/mV）、電壓幅值（V/mV）、有效幅值（Ve/mV）、感應(yīng)電壓頻率（fP/Hz）、冷態(tài)電阻（Rz/Ω）。

由式（2）可知，頻率值f由車橋輪轂轉(zhuǎn)速n與齒圈齒數(shù)m決定，而車橋主差速器輸入端轉(zhuǎn)速與輪轂端轉(zhuǎn)速的減速比為1∶3，因此設(shè)定差速器輸入端轉(zhuǎn)速和激勵(lì)齒圈的齒數(shù)即可驗(yàn)證測試頻率準(zhǔn)確性。

根據(jù)性能測試需求，設(shè)計(jì)了基于PC控制的磁電式ABS傳感器在線綜合性能檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)由機(jī)械平臺、硬件系統(tǒng)、檢測軟件3部分構(gòu)成[7]。

2.2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

圖2為硬件結(jié)構(gòu)原理圖，硬件設(shè)計(jì)基于模塊化設(shè)計(jì)思路，以工控計(jì)算機(jī)為運(yùn)行載體，子模塊按功能定義劃分為數(shù)據(jù)采集與信號處理模塊、運(yùn)動(dòng)控制與反饋模塊、電壓分壓與電阻測量切換電路、數(shù)字信號輸入與輸出電路、裝夾氣路與輔助回路等模塊。

圖2 系統(tǒng)硬件原理圖

數(shù)據(jù)采集與信號處理模塊：針對ABS傳感器信號輸出響應(yīng)快、幅值小的特征，采用基于中斷方式的高速數(shù)據(jù)采集，首先將數(shù)據(jù)保存在FIFO中，根據(jù)硬件的不同，設(shè)置當(dāng)FIFO半滿或全滿時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中斷，接收到中斷信號后發(fā)送不同的事件通知用戶當(dāng)前的采樣狀態(tài)，即使能事件通知方式。數(shù)據(jù)采集卡選用研華PCI-1716，自帶16位A/D轉(zhuǎn)換器，提供16路單端式/8路差分式AI通道，16路DI/DO通道，最高采樣速率可達(dá)250 kS/s。

運(yùn)動(dòng)控制與反饋模塊：上位PC通過USB11A轉(zhuǎn)接模塊同MOVIMOT變頻器相接，再通過配套電纜連接交流電機(jī)，通過上位PC設(shè)置遵循于SEW變頻器的MOVILINK協(xié)議并進(jìn)行通信，采用3個(gè)過程輸出數(shù)據(jù)（用戶數(shù)據(jù) PDU）：PO1控制字、PO2轉(zhuǎn)速、PO3斜坡，圖3為上位機(jī)同變頻器數(shù)據(jù)通信的命令格式。

圖3 通信命令格式

圖中，SD1、SD2為起始標(biāo)記位，設(shè)置02hex表示上位機(jī)輸入信號至變頻器，1Dhex表示變頻器輸出信號反饋回上位機(jī)；ADR為地址位，設(shè)置01hex；TYP為用戶數(shù)據(jù)類型，設(shè)置85hex表示非循環(huán)通信；PDU為用戶輸入數(shù)據(jù)；BCC為塊校驗(yàn)字符，為前項(xiàng)所有字節(jié)異或（XOR）。

電壓分壓與電阻測量切換電路：根據(jù)性能指標(biāo)分析，傳感器待檢測電參量主要為輸出電壓值、冷態(tài)電阻值兩類。為了兼顧兩類不同的電參量檢測，設(shè)計(jì)了一套基于繼電器控制的切換電路，根據(jù)測試項(xiàng)目靈活切換實(shí)現(xiàn)性能的綜合檢測。

輸出電壓，是指傳感器工作時(shí)輸出的感應(yīng)正弦電壓信號，其變化趨勢參照圖1。冷態(tài)電阻，是指在未工作狀態(tài)下傳感器輸出端子處的電阻值，測試時(shí)需外加激勵(lì)源。文中設(shè)計(jì)了電壓電阻測量切換電路，采用電阻分壓測試法串聯(lián)一個(gè)精密電阻同傳感器構(gòu)成串聯(lián)電路。測量時(shí)在傳感器和精密電阻兩端輸入5V線性電壓，通過間接測量電阻兩端的電壓，經(jīng)分壓計(jì)算獲得ABS傳感器冷態(tài)電阻值[8]。

數(shù)字信號輸入與輸出電路：由于傳感器工作時(shí)輸出信號幅值較小，響應(yīng)速率快，生產(chǎn)車間各類電信號摻雜較為復(fù)雜，因而為了提取采樣信號中的有效信號，設(shè)計(jì)了基于RC網(wǎng)絡(luò)和集成運(yùn)放的有源濾波電路，減少采樣信號中的高頻雜波信號，提高微弱感應(yīng)信號的信噪比。此外，為減少供電電源以及系統(tǒng)共地信號摻入的干擾源，采用隔離變壓器將數(shù)據(jù)采集與運(yùn)動(dòng)控制隔離的方法，且選用雙絞磁屏蔽線作為感應(yīng)電壓信號的傳輸線，以降低電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的高頻干擾對感應(yīng)信號的影響[9]。

2.3 檢測軟件功能設(shè)計(jì)

檢測軟件采用上、下位機(jī)的分布式結(jié)構(gòu)布局，上位機(jī)軟件以LabVIEW為開發(fā)平臺，基于柔性開發(fā)思想實(shí)現(xiàn)功能檢測，下位機(jī)則通過RS232串口通信實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號輸入及反饋信號讀取。

如圖4所示，系統(tǒng)開啟自檢，等待車橋到位。車橋定位后，進(jìn)入檢測模式，讀取性能參數(shù)指標(biāo)。檢測模式采用多線程控制，分為檢測線程和輔助線程，檢測線程根據(jù)測量項(xiàng)目需求依次完成車橋左、右工位傳感器冷態(tài)電阻、工作電壓的檢測；輔助線程負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、運(yùn)動(dòng)控制、狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。待功能項(xiàng)檢測完畢，系統(tǒng)將根據(jù)實(shí)測值與讀取參數(shù)對比分析，給出測試結(jié)論和報(bào)告，并將測試參數(shù)和數(shù)據(jù)上傳至質(zhì)量管理數(shù)據(jù)庫以供追溯。測試結(jié)束，系統(tǒng)復(fù)位，等待下一輪測試。

為了提高感應(yīng)電壓測量準(zhǔn)確度，在硬件濾波的基礎(chǔ)上采用了基于三次樣條擬合的軟件濾波方法，通過下式對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合：

圖4 軟件測試流程圖

式中：p——平衡參數(shù)，取值為6；

wi——權(quán)重的第i個(gè)元素；

yi——電壓U的第i個(gè)數(shù)據(jù)；

xi——時(shí)間t的第i個(gè)數(shù)據(jù)；

f″（x）——三次樣條函數(shù)f（x）的二階導(dǎo)數(shù)；

λ（x）——分段常量函數(shù)。

式中λi為平滑的第i個(gè)數(shù)據(jù)。

3 測試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 系統(tǒng)標(biāo)定

構(gòu)建并完成檢測系統(tǒng)調(diào)試后，為確保系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度，需對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證系統(tǒng)檢測參量的準(zhǔn)確性[10]。針對電壓測量范圍，采用靜態(tài)特性標(biāo)定方法，選擇準(zhǔn)確度為0.1%的數(shù)字式電壓表作為標(biāo)定工具，標(biāo)準(zhǔn)電壓輸出源電壓范圍為0～5V，間隔為0.5V。表1為電壓標(biāo)定實(shí)測數(shù)據(jù)。

表1 電壓標(biāo)定數(shù)據(jù)

結(jié)果表明：系統(tǒng)電壓測量誤差＜0.2%，給定信號的輸入與輸出呈線性關(guān)系，滿足檢測要求。

3.2 性能測試實(shí)驗(yàn)

在完成系統(tǒng)標(biāo)定的基礎(chǔ)上，選取某型已裝配好的磁電式ABS傳感器的后車車橋進(jìn)行ABS性能檢測，單邊輪轂測試時(shí)間為2 s，齒圈齒數(shù)為42齒，電機(jī)轉(zhuǎn)速為400 r/min，非測試輪轂采用氣缸抱死。圖5為ABS傳感器性能測試曲線。

圖5 性能測試曲線

表2 ABS傳感器性能測試結(jié)果

表2為ABS性能測試結(jié)果，該傳感器最大電壓為1043mV，最小電壓為906mV，兩者之差為137mV，表明該傳感器所檢測的輪轂齒圈裝配存在一定范圍的偏心，但偏差值在裝配質(zhì)量要求范圍之內(nèi)。感應(yīng)電壓頻率為108.55Hz，冷態(tài)電阻為1 404Ω，符合該傳感器性能檢測要求；齒輪轉(zhuǎn)速2.58 r/s，綜合性能測試合格；產(chǎn)品單次安裝測試節(jié)拍小于15 s，滿足生產(chǎn)工藝要求。

3.3 測量系統(tǒng)分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的可靠性，依據(jù)JB/T 10633——2006《專用檢測設(shè)備評定方法指南》[11]，采用測量系統(tǒng)分析（MSA）對所測得的電壓值、電阻值的重復(fù)性進(jìn)行定量分析，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量管理的六西格瑪精髓，即“以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)管理”。

重復(fù)性是指同一操作者使用同一套測量設(shè)備，對同一被測件的同一特征在較短的時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行多次測量，所測數(shù)據(jù)的一致性，其誤差全部由測量設(shè)備固有波動(dòng)引起，因而又稱之為設(shè)備波動(dòng)（equipment variation，EV）[12]。

針對同一ABS傳感器進(jìn)行了n次重復(fù)性測量，根據(jù)測得值Xi計(jì)算出平均值再由Xi和計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)偏差Sg，最后由公差T和Sg計(jì)算出測量能力指數(shù)Cg，該項(xiàng)指標(biāo)反映了隨機(jī)誤差對測量過程的影響。針對新系統(tǒng)的驗(yàn)收，要求其各項(xiàng)檢測項(xiàng)目的測量能力指數(shù)Cg均大于1.67，方可評定該系統(tǒng)驗(yàn)收合格，可投入生產(chǎn)檢測。

式中：Xi——單次測得數(shù)據(jù)；

n——測量次數(shù)；

T——合格公差。

表3、表4為同一ABS傳感器30次重復(fù)性測試數(shù)據(jù)和誤差分析數(shù)據(jù)。

根據(jù)表4測試結(jié)果可知，電壓、冷態(tài)電阻測量項(xiàng)的測量能力指標(biāo)Cg均大于1.67，符合JB/T 10633——2006規(guī)定的驗(yàn)收要求。

表3 重復(fù)性測試數(shù)據(jù)

表4 重復(fù)性測試結(jié)果

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一套車橋ABS傳感器綜合性能檢測系統(tǒng)，對其電壓幅值、頻率、有效值、冷態(tài)電阻等電信號量進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)對車橋ABS傳感器整體裝配質(zhì)量的評判。

經(jīng)測試數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)可獨(dú)立完成后車車橋左、右工位ABS傳感器的性能檢測，單工位傳感器測試節(jié)拍＜15s，單項(xiàng)性能測量能力指標(biāo)Cg均符合JB/T 10633——2006中對新設(shè)備的驗(yàn)收要求。該系統(tǒng)的研制成功并投入生產(chǎn)檢測，有助于推動(dòng)國內(nèi)車橋ABS傳感器整體質(zhì)量的提升，為同類產(chǎn)品的性能檢測系統(tǒng)開發(fā)、性能評定提供了一定的理論依據(jù)。

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