嵌入式ABS輪速傳感器的研究與開發(fā)

王德發(fā)　黃旭　何晶

摘要：主動(dòng)式ABS輪速傳感器是提高汽車制動(dòng)性能的關(guān)鍵元件。文章結(jié)合主動(dòng)式傳感器的特點(diǎn)，介紹了輪速傳感器的原理，重點(diǎn)闡述了嵌入式輪速傳感器設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真試驗(yàn)研究。

關(guān)鍵詞：ABS；主動(dòng)式；嵌入式；輪速傳感器；汽車制動(dòng)性能 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP212 文章編號(hào)：1009-2374（2015）18-0014-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.18.008

隨著中國汽車行業(yè)的快速發(fā)展，汽車的制動(dòng)安全性能越來越受到人們的關(guān)注，汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）的誕生大大地提高了汽車行駛的安全性能。近年來電子技術(shù)迅猛發(fā)展，ABS技術(shù)也隨之趨于成熟，已由機(jī)械式發(fā)展為電子式，并在汽車行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。

現(xiàn)代的轎車、客車以及重型汽車中不可或缺的配置之一就是防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（Anti-lock Braking System，簡(jiǎn)稱ABS）。其功用是在汽車的制動(dòng)過程中，能夠自動(dòng)地調(diào)節(jié)作用于車輪上的制動(dòng)力矩，將車輪滑移率控制在10%～20%之間，縱向附著系數(shù)接近峰值，從而縮短制動(dòng)距離；與此同時(shí)，得到較大的側(cè)向附著系數(shù)以避免車輪因制動(dòng)抱死而出現(xiàn)的橫向側(cè)滑、甩尾現(xiàn)象，進(jìn)一步提升了汽車的轉(zhuǎn)向控制能力與行駛穩(wěn)定性。ABS是通過傳感器測(cè)得車輪轉(zhuǎn)速和車身移動(dòng)速度，并計(jì)算出參考控制變量車輪加速度（或減速度）與滑移率，以實(shí)現(xiàn)更加高效、更加穩(wěn)定的控制。ABS能夠進(jìn)行有效控制的關(guān)鍵在于精確可靠的輪速信號(hào)。

主動(dòng)式傳感器靈敏度高、信號(hào)穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量速度頻率范圍寬，是未來發(fā)展的趨勢(shì)，必將成為被動(dòng)式傳感器的換代產(chǎn)品。主動(dòng)式傳感器在國外高檔汽車中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，在國內(nèi)汽車行業(yè)內(nèi)才剛剛起步，特別是嵌入式輪速傳感器的應(yīng)用基本是空白。

1 主動(dòng)式輪速傳感器的原理

主動(dòng)式傳感器是基于霍爾效應(yīng)原理而將被測(cè)量，如電流、磁場(chǎng)、位移、壓力、壓差、轉(zhuǎn)速等轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器，由傳感頭與齒圈兩部分組成。傳感頭主要由永磁體、霍爾元件、電子電路組成。齒圈類似于一個(gè)集磁器，永磁體的磁力線穿過霍爾元件到達(dá)齒圈。在齒輪工作期間，霍爾電壓隨穿過霍爾元件的磁力線密度的變化而變化，從而霍爾元件輸出一個(gè)毫伏（mV）級(jí)的準(zhǔn)正弦波電壓，經(jīng)電子電路作用，將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的脈沖電壓。

如圖1所示，在非磁性材料的圓盤上圓周方向布置一組磁鋼（每周48對(duì)），圓盤邊緣處放置霍爾傳感器，當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾傳感器就輸出一組脈沖的方波，根據(jù)方波的頻率便可測(cè)出轉(zhuǎn)速。

磁圈設(shè)計(jì)（在飛磁性材料上圓周分布一組永磁體）體積小，更易集成于輪轂或軸承之中。

2 嵌入式主動(dòng)輪速傳感器的設(shè)計(jì)

輪速傳感器被封裝在輪轂軸承里側(cè)動(dòng)圈和外圈的幾毫米間隙中，在動(dòng)圈與定圈上分別安裝兩個(gè)固定架：一個(gè)安裝于外圈（動(dòng)圈）的內(nèi)側(cè)用來固定可旋轉(zhuǎn)環(huán)型磁鐵；一個(gè)安裝于內(nèi)圈（定圈）的外側(cè)用來固定傳感器座。由于輪速傳感器嵌入（內(nèi)置）軸承內(nèi)，保證清潔及傳感信號(hào)可靠無誤。

2.1 磁極對(duì)數(shù)和定子上繞組個(gè)數(shù)的確定

若要求傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量的分辨率不能小于10%，那么車輪每轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)速傳感器最低應(yīng)產(chǎn)生10個(gè)脈沖信號(hào)，然而輪速傳感器中的每對(duì)相異磁極只能使線圈輸出1個(gè)脈沖信號(hào)，因此環(huán)形磁鐵應(yīng)具有10對(duì)磁極。故根據(jù)所要求的分辨率，磁極對(duì)數(shù)不應(yīng)少于10。因?yàn)槎ㄗ永@組的最大個(gè)數(shù)取決于環(huán)形磁鐵的磁極，所以在設(shè)計(jì)繞組個(gè)數(shù)時(shí)還需要考慮環(huán)形磁鐵的磁極數(shù)。例如環(huán)型磁鐵有24個(gè)磁極，那么定子繞組的最大個(gè)數(shù)為24，所以繞組個(gè)數(shù)便可在1～24中選擇。但是為了得到一個(gè)能夠反映輪速的脈沖信號(hào)，各相繞組的輸出電壓必須是同相的，從而疊加后的電壓信號(hào)幅值增大，原信號(hào)的頻率不發(fā)生變化。所以依據(jù)電壓信號(hào)的產(chǎn)生原理，定子繞組應(yīng)為偶數(shù)個(gè)，且對(duì)應(yīng)著磁極而分布。為確保輪速傳感器在車輪低速運(yùn)行時(shí)盡可能地輸出較高電壓值，將繞組選為24個(gè)，且均勻地排布于定子外圈上。

2.2 輪速傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸

繞組的長與寬分別取決于整個(gè)傳感器的厚度、定子上繞組的個(gè)數(shù)。因?yàn)閭鞲衅骱穸仍叫。鋵?duì)整個(gè)軸承的結(jié)構(gòu)影響就越小，所以盡可能將其設(shè)計(jì)小一點(diǎn)。輪速傳感器的主要結(jié)構(gòu)尺寸為：總厚度為7.5mm，定子厚度為5mm，絕緣層的單側(cè)厚度為0.5mm，可繞線厚度為1mm，高磁導(dǎo)材料厚度為4mm，繞組上繞線柱的長×寬×高為5mm×3mm×2mm，環(huán)型磁鐵的高為5mm。

2.3 輪速傳感器感應(yīng)線圈的設(shè)計(jì)

3 嵌入主動(dòng)輪速傳感器的試驗(yàn)和仿真研究

新型輪速傳感器的試驗(yàn)主要是進(jìn)行電壓幅值與轉(zhuǎn)速特性、幅頻特性和頻率-轉(zhuǎn)速特性測(cè)試，如圖2所示。交流電壓表與數(shù)字轉(zhuǎn)速表分別對(duì)傳感器進(jìn)行輸出電壓與轉(zhuǎn)速的標(biāo)定。

結(jié)果表明，嵌入式主動(dòng)輪速傳感器的實(shí)際轉(zhuǎn)速-電壓幅值特性曲線、實(shí)際轉(zhuǎn)速-頻率特性曲線與理論計(jì)算得到的理想轉(zhuǎn)速-頻率特性曲線相近，且輸出的電壓幅值大、頻率下限很低以及輸出信號(hào)的線性度高。從而可以看出，此輪速傳感器的輸出信號(hào)特性能夠準(zhǔn)確反映軸的轉(zhuǎn)速情況。在圖3中所示的試驗(yàn)記錄片段可以看出波形光滑，突變或雜波現(xiàn)象少，故嵌入式的主動(dòng)ABS輪速傳感器抗干擾性好。

4 結(jié)語

該項(xiàng)目是遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院與遼寧曙光汽車集團(tuán)股份有限公司的校企合作項(xiàng)目，是根據(jù)用戶的具體需要確立的項(xiàng)目，有很高的使用價(jià)值。該項(xiàng)目研究的意義在于提高汽車的制動(dòng)性能，使汽車的使用更加安全，能有效地降低因制動(dòng)和側(cè)滑所造成的交通事故，提高國產(chǎn)ABS輪速傳感器在國內(nèi)外市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。

本產(chǎn)品研制成功后，其技術(shù)指標(biāo)將達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平，完全可替代國外同類產(chǎn)品，與同類進(jìn)口產(chǎn)品比，本產(chǎn)品性價(jià)比高，售價(jià)約為進(jìn)口產(chǎn)品的1/3。該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)規(guī)模投產(chǎn)后，預(yù)計(jì)年生產(chǎn)能力為20萬只，并使汽車輪速傳感器向高精度方向發(fā)展，滿足汽車車速越來越快的需求，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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基金項(xiàng)目：遼寧省教育廳重點(diǎn)資助科研項(xiàng)目（L2013512）。

作者簡(jiǎn)介：王德發(fā)（1963-），男，遼寧鳳城人，遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院教授，碩士。

（責(zé)任編輯：周 瓊）