基于ABS輪速傳感器的信號模擬系統研究與應用

鄭玲玲， 段春光， 尹 海

(吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130061)

0 引 言

進入21世紀以來，汽車行業取得了蓬勃發展，在發展的過程中，汽車制動的安全性受到本行業廣泛關注，在各種安全技術手段中，防抱死制動系統(Anit-lock braking system, ABS)是繼使用安全帶之后在汽車安全性方面的重要技術成就之一[1]。ABS的控制方式是將輪速傳感器做為前端輸入，測量各個輪子在運動中的狀態，根據測量結果判斷生成對應的控制命令，車輪輪速對于ABS控制系統是重要的輸入指標[2]。因此在實驗室中對車輛的ABS控制進行測試，就需要有準確的輪速傳感器信號作為輸入源，常規做法常采用4個高速旋轉的目標齒輪及輪速傳感器搭建的平臺產生的車輪速度信號作為輸入，此方法危險性較大，對于教學實驗不適宜[3-4]。本文自主研發一套ABS輪速傳感器信號模擬系統，利用本系統可以實現一種安全性強、效果較好的車輪速度信號模擬，并利用此信號開展ABS仿真驗證。ABS仿真控制技術作為汽車電控系統仿真與試驗測試技術課程的重要實驗內容之一，對于培養車輛工程專業學生在汽車安全方面具有重要的意義[5-8]。

1 ABS輪速傳感器原理分析

根據原理分析，輪速傳感器可以分為兩種方式：被動式和主動式。被動式也可稱之為磁電式傳感器，其示意圖如圖1所示。將傳感器按照一定的空氣間隙安裝在目標輪的凹凸齒面上，在目標輪轉動時，凹凸齒面與傳感器之間的距離隨之不斷變化，線圈中的感應電勢會隨著目標輪的轉動產生相應變化，從而產生交流電信號[9]。

圖1 被動式傳感器的工作原理圖

如圖1所示，如果線圈在某均恒的磁場中運動時，穿過線圈的磁通量為φ，則該線圈內的感應電動勢ε與線圈上的磁通量的關系為：

(1)

式中：ε為感應電動勢;φ為穿過線圈的磁通量;N為線圈匝數。

對于被動式傳感器，目標輪的轉動速度越高，傳感器輸出信號的頻率和電勢值就越高，對輸出信號經過模數轉換后進行數據采集，可以將得到的數字信號進行分析，根據其頻率變化得到目標的轉動速度值，實現對輪速的測量。

主動式傳感器根據感應原理的不同，可以分為磁阻式傳感器和霍爾傳感器，它們的輸出的信號是一樣的，下面以霍爾傳感器為例對主動式傳感器的結構和工作方式進行介紹。霍爾式傳感器是利用霍爾效應的原理對車輪速度進行測量，其結構如圖2所示。傳感器工作的時候需要的主要部件是霍爾傳感器和齒圈，霍爾傳感器主要包括以下幾部分：霍爾元件、永磁體及電子電路等；在測試過程中，永磁體產生相對穩定的磁場，其對應的磁力線經過霍爾器件最終抵達齒圈部件，作用于霍爾器件的磁場大小決定著霍爾傳感器感應產生的電壓值。因此，當車輪帶動齒圈在不斷轉動過程中，霍爾元件輸出的電壓信號接近于正弦波形態，對輸出的電壓信號進行電路調理，可以得到標準的脈沖電壓或者電流信號[10-12]，對這個脈沖信號的頻率進行測量，就可以計算得到車輪的轉速。

圖2 主動式傳感器的工作原理圖

主動式傳感器具有較多的優點：輸出值信號具有較高的靈敏度、信號具有較強的抗干擾能力、實際測試中車輪速度范圍寬，基于以上優點，主動式傳感器目前被汽車行業普遍應用于實際車輛中[13-15]。

2 信號模擬系統構建

根據實驗教學與實際應用的要求，本文設計了一種輪速傳感器的信號模擬系統，此系統的控制部分采用單片機，利用CAN總線和dSPACE實時仿真系統之間通信，單片機得到總線的指令之后，其產生指令所對應的PWM信號，將產生的PWM信號進行信號調理，得到輪速傳感器在3種不同條件下的模擬結果，并將此模擬信號送入到制動平臺的車輛ABS模塊中開展驗證測試。圖3為系統的硬件結構圖，該模擬系統完成了被動式、主動式兩種信號的模擬生成。

圖3 硬件結構圖

在模擬輪速信號的過程中，其軟件流程如圖4所示。首先啟動系統，通過讀取CAN總線中的指令，得到需要模擬的ABS輪速信號模式，包括：勻速、起車加速、剎車減速及自定義等模式。根據信號模式進入不同的模式方式程序中，載入預先設定好的各模式的模擬參數，然后啟動運行各模式的ABS信號模擬，輸出相應的ABS模擬信號到汽車模擬器中，根據模擬器中讀取得到的距離傳感器信號結果，將結果顯示在LCD顯示屏中，系統延時后進行CAN總線讀取，等待下一個指令進行信號模擬。

圖4 軟件流程圖

3 傳感器信號模擬系統的實驗

本文中設計的傳感器信號模擬系統如圖5所示，此系統尺寸小，質量輕，使用方便，無安全隱患，并且能夠模擬目前市場上大多數輪速傳感器信號，滿足實際教學工作中對于多種輪速傳感器的模擬，能夠快速有效的對接市場上多種汽車模擬平臺，并滿足平臺實際的測試要求。

圖5 模擬輪速信號系統實物照片

本文設計的此輪速模擬系統在實際測試過程中是搭載于駕駛模擬器驅動的嵌入式臺架系統中，如圖6所示，實現了對實驗平臺建立的ABS模型以及真實的ABS控制器進行標定與驗證[16]。

實際測試方式如圖7所示。dSPACE首先通過CAN總線將預期產生的速度值送入輪速模擬器中，輪速模擬器根據速度值設計參數，產生相應的輪速模擬信號，此信號被送到車輛ABS的控制器，根據信號結果，車輛ABS控制器會將4個車輪的速度結果利用CAN總線送入dSPACE系統，實現一次速度值的產生和循環。

圖6 嵌入式臺架系統的實物照片

圖7 實驗測試結構圖

利用實際模擬平臺，對研發的信號模擬系統開展了效果測試分析。對于ABS傳感器模擬系統，需要在不同車速下驗證ABS模擬系統效果，采用dSPACE產生一種不斷變化的速度信號送入到傳感器信號模擬系統中，傳感器信號模擬系統可以產生相應的傳感器信號，傳感器信號模擬系統產生的主動式輪速傳感器信號結果如圖8所示。

將傳感器信號模擬系統產生的信號輸入到車輛ABS中，通過dSPACE將ABS中計算出的車輪速度進行采集，將dSPACE設定的預期信號與模擬系統產生的信號進行對比分析，兩組信號的對比結果如圖9所示。根據圖9所示的結果，可以看出，信號模擬系統產生的信號和dSPACE預期設定的一個周期性變化速度信號(26～130 km/h)的一致性較好，最終求解速度誤差值為0.466 km/h，模擬器產生信號的延遲時間為8 ms，本文設計的模擬指標達到了實驗教學、科研項目的需求。

最后將研制的車速傳感器信號模擬系統應用于嵌入式臺架系統中對ABS控制器開展驗證實驗，進行了多種車輛行駛環境條件下的制動方式測試，下面介紹其中的由高附著到低附著直線制動。車輛直線行駛于高附著系數的道路條件上，然后垂直進入到低附著系數的道路條件上，同時在兩種條件的分界線位置進行制動。

圖10是車輛制動過程中輪缸壓力的調節過程，圖11所示為相應調節過程中的車速及4個車輪的輪速。根據圖中的曲線變換分析，車輛在5 s附近進行制動，在制動開始后，輪缸的壓力一直在變化調節，同時輪速也與之相應的變化，保持增加或減少的狀態。根據圖中結果，確認在此過程中車輪未出現抱死狀態，控制效果較好。

圖10 ABS啟動時輪缸壓力

對于車輛有、無ABS的條件下，還開展了對車輛的輪速、滑移率、橫擺角和橫擺角速度的分析，得到的結果如圖12～15所示。在圖12的測試分析中，當車輛在開始制動后，沒有ABS的情況下，輪速會在制動開始就出現抱死的情況，導致輪速在非常短的時間就變為零。在圖13中的測試分析中，在有ABS的條件下，車輛的滑移率波動保持在0～1之間，在沒有ABS的條件下會產生輪子抱死的結果，會出現非常高危的駕駛后果。

根據圖14的測試結果，分析可得，沒有ABS的條件下，車輛的橫擺角最高可以達到0.2 rad，而在加入了ABS后，車輛的橫擺角最大為0.075 rad，加入了本ABS模擬信號系統后，車輛的橫擺角可以降低為原來值的37.5%。根據圖15測試結果，最大的橫擺角速度值針對有、無ABS的情況下結果相同，結果均為0.02 rad/s，但是從整體趨勢分析，有ABS時整體效果更佳。

圖12 無ABS時車速輪速測試結果

圖14 有、無ABS情況下車輛橫擺角

4 結 語

為解決在課程應用和實驗測試中對于ABS策略的驗證問題，本文研制了一種輪速傳感器的信號模擬系統，并將此信號模擬系統應用于實際的測試應用中，進行了相應的實驗分析。

測試結果表明，本文研制的模擬系統能夠生成多種車輪速度信號，該系統可以用于驗證目前市場上絕大多數的ABS控制器。將本系統搭載于嵌入式臺架系統中，并且針對典型測試工況，在駕駛模擬器上進行了虛擬的場地實驗，對比在有、無ABS控制器兩種情況對車輛姿態的影響，利用本模擬系統實現了對嵌入式臺架系統功能的優化。通過對ABS控制器參數的測試標定，其結果證明在實際應用中可以使用此平臺標定實際車輛的ABS控制器，實現對ABS控制策略的驗證。

利用此輪速傳感器模擬系統，可以在原有的試驗場景基礎上建立多種附著系數路面，對ABS控制器在對開和對接路面上進行相應的測試驗證，由于此模擬測試平臺完全基于實驗室內設備搭建，不需要進行車輛的場地實驗，實驗完全不受氣候影響，節約成本，縮短ABS控制策略的開發驗證時間，同時可以在實驗課程中讓學生對于設計的ABS控制策略有更加直觀的認識和分析，對于教學實驗具有極好的實用意義。