純電動汽車驅動防滑轉輪速采集模塊設計

王姝，張凱

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

純電動汽車驅動防滑轉輪速采集模塊設計

王姝，張凱

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

本文介紹了基于飛思卡爾 MC9S12XS128芯片的純電動汽車驅動防滑轉系統輪速采集及處理模塊，利用NCV1124芯片，簡化了輪速采集部分外部硬件電路的設計，通過周期法與頻率法相結合的方法，優化了傳統輪速處理的方案，實現了在驅動防滑轉控制中對車速和輪速的精確采集及計算，為下一階段對純電動汽車TCS控制策略的研究打下良好基礎。

驅動防滑轉系統；輪速信號；電路；算法

CLC NO.:U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)05-52-03

前言

電動汽車在道路上行駛時，其驅動力取決于電機的輸出扭矩，但驅動力同時也取決于輪胎與地面的摩擦力，因此會受到路面附著條件的制約。路面附著條件由路面附著系數這一參數來衡量，但路面附著系數并不是一個常量，它是隨著滑轉率的變化而變化。隨著滑轉率增加，路面附著系數不斷增大，直至滑轉率增大到20%左右，即達到峰值附著系數，路面附著系數達到峰值后，路面附著系數又會隨滑轉率增大而減小。所以從動力性上考慮，驅動輪的滑轉率應處于峰值附著系數對應的滑轉率附近，又由于滑轉率越低，同一側偏角條件下側向力系數越大，車輛的方向穩定性越好，抗側滑的能力越大。綜合考慮，應將滑轉率控制在0 .08～0 .15 之間，為了達到這一目的，速度的精確采集和計算是必不可少的。

1、采集模塊硬件電路設計

目前，較普遍的輪速傳感器主要有三種即磁電式，電渦流式，霍爾式，本方案中的 TCS系統輪速采集模塊使用GT101型電磁式輪速傳感器，電磁式輪速傳感器的特點是隨著轉速不斷變化其輸出的是頻率幅值變化的正弦波。正弦波頻率與車輪轉速成正相關關系，轉速越高，頻率越高。而正弦波的幅值與輪速和傳感器磁頭與齒圈之間的間隙有關，即間隙越小，轉速越高，幅值越大。

1.1 整形電路設計

由于正弦波信號是不能被單片機的脈沖累加器直接識別，并且幅值在高速是會超過 IO口的最高允許電壓，因此通常需要一定的外部電路進行整型限幅濾波，將傳感器輸出的正弦波信號處理成占空比不斷變化的幅值小于 IO口最大值的方波信號，以便單片機進行采集處理。處理這一問題通常采用施密特觸發器。施密特觸發器通常由邏輯門芯片構成，典型的施密特觸發器如圖1所示。

從上圖可以看出，施密特觸發器是一種特殊的邏輯門電路，其有正向和負向兩個閾值電壓，當輸入的電壓值高于或者低于閾值電壓的條件下，利用施密特觸發器的正反饋作用，可以把正弦波信號變換為單片機可識別的矩形脈沖信號。由上文可知輪速傳感器所輸入的是幅值不斷變化的正弦波，為此可能需要對施密特觸發器的閾值電壓進行調整，而硬件電路一經確定，不易修改。綜合來看，使用施密特觸發器進行波形變換的方案并不實用。

本方案中采用 NCV1124，NCV1124是用于處理安裝在旋轉件上傳感器檢測到的狀態信號集成電路芯片，該芯片使用雙通道輸入，每個通道都可接入可變磁阻傳感器的信號，并且與芯片內的可編程的參考電壓進行比較，其將整形與放大功能整合，極大簡化了外部硬件電路設計。本實驗中選擇的單片機為飛思卡爾公司生產的MC9S12XS128芯片，故要將輪速傳感器輸出信號幅值限制在5V以下。而NCV1124內部特有的動態鉗位電路，能夠將0-120V的電壓鉗制到0-5V，滿足單片機IO口的需求。

1.2 濾波電路設計

NCV1124輸出的波形是具有噪聲的，會對之后的速度估算造成影響，因此需要設計濾波電路，使得噪聲在單片機IO口可允許范圍內。本方案采用經典的RC濾波濾除高頻噪聲。方案中，傳感器齒圈齒數為Z=54，輪胎直徑D=520mm，設計最高車速為V=160 km／h，濾波器的截止頻率f為：

式中vq——驅動輪速度

V——車速，通常以非驅動輪輪速代替

從上式可以看出，本方案需同時采集驅動輪輪速和非驅動輪輪速，但由于單片機提供的脈沖累加接口只有一個即PT7口，因此需要外部接入一個累加器，用以對另一路數據進行計數，采用二進制累加器 CD4520，以實現這一功能。具體實現電路如圖2所示：

2、輪速采集模塊算法設計

輪速采集算法通常有周期法，頻率法，多倍周期法三種，周期法是通過采集相鄰兩個脈沖的時間間隔，從而計算速度，適用于輪速較低時，當輪速較高時，相鄰兩脈沖時間間隔過短，會造成較大誤差；頻率法是通過測量單位時間內輪速脈沖信號的個數，適用于輪速較高時，輪速過低時，會造成單位時間內采集到的脈沖數過小，甚至采集不到，因此只是單純的使用周期法與頻率法，將增大系統誤差，綜合考慮計數器本方案中采用周期法和頻率法相結合的方法，即設定一個基速Vc，基速是根據上一次計算結果得到的，當車速高于這一基速時采用頻率法，當車速低于這一基速時采用周期法。

2.1 周期法

對于飛思卡爾 MC9S12XS128單片機，內置有定時器/計數器模塊，可以實現對脈沖信號進行輸入捕捉，輸出比較，脈沖累加。其定時器模塊中有輸入捕捉的功能，可實現周期法。輸入捕捉是在指定的引腳上，根據信號的跳變沿將當前自由運行計數器中的值捕捉，并且本款單片機允許輸入捕捉中斷，每采集到一次跳變沿，將觸發一次中斷，在中斷中可以講當前自由運行計數器的值捕捉到對應的通道寄存器內，通過連續兩次捕捉，就可計算出輪速。第一次捕捉到的自由運行計數器值為a，第二次捕捉到的自由運行計數器值為b，將總線時鐘頻率設定為80MHZ，主定時器可累加的最大值為65530。則由PT7口采集的輪速：

式中D為輪胎直徑，Z為齒圈齒數，c為CD4520計數器值。

2.2 頻率法

單片機內置的定時器/計數器模塊中脈沖累加器功能，能很好地實現頻率法。脈沖累加器通過檢測PT7引腳上的跳變沿個數，引腳每檢測到一個跳變沿，脈沖累加計數器內的值加1，并且可以設定主定時器溢出中斷，16位主定時器對時鐘信號進行計數當計數器從FFFF溢出是，將會產生中斷，此時讀取脈沖累計器計數器內的值，與上一次讀取的值只差，即為單位時間內采集到的脈沖數，進而可以計算出當前輪速。總線時鐘頻率為80MHZ，自由運行計數器可累加的最大值為65530，由PT7口采集的輪速。

另一路由CD4520芯片采集的輪速：

式中D為車輪直徑，Z為齒圈齒數，n為第一次中斷時采集到的脈沖累計計數器內值，m為第二次中斷時采集到的脈沖累計計數器內值，c為CD4520計數器值。

3、結束語

綜上所述，本方案中TCS系統的輪速采集處理模塊能夠完成對采集到的輪速傳感器信號進行整形、限幅、濾波等處理，利用 NCV1124芯片，簡化了輪速采集部分外部硬件電路的設計，通過周期法與頻率法相結合的方法，優化了傳統輪速處理的方案，改進后的算法更加合理，能夠實現對輪速傳感器信號的準確采集與計算，為下一階段對純電動汽車TCS控制策略的研究打下良好基礎。

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The Speed Acquisition and Processing Module Design of Blade Electric Vehicles Tractive Control System

Wang Shu, Zhang Kai
(Automobile School of Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064)

This paper introduces the speed acquisition and processing module of blade electric vehicles tractive control system. By using NCV1124, it is simplified the design of external hardware circuit. Through combining the frequency and period measurement methods, it optimize the traditional project. The accurate measurement of the wheel speed in tractive control system is realized. And laying a good foundation for researching control strategy of tractive control system in the next phase.

tractive control system；speed signal；circuit；atithmetic

U463.6

A

1671-7988(2015)05-52-03

王姝，長安大學在讀研究生，主要研究電動汽車整車控制。