汽車輪速傳感器在線檢測系統(tǒng)開發(fā)

龐 茂，丁鵬程，李龍偉

（浙江科技學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，杭州310023）

防抱死制動系統(tǒng)（ABS）作為車輛主動安全技術(shù)，已在車輛上得到了普遍應(yīng)用，而基于ABS平臺的主動安全系統(tǒng)，如電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP）、防側(cè)滑控制（ASR）、車速記錄儀（VSR）等也得到日益廣泛應(yīng)用。輪速傳感器用以感測車輪旋轉(zhuǎn)速度信號，計(jì)算車輪的滑移率和參考車速等，是該類安全裝置實(shí)施控制策略的重要參考依據(jù)。這類主動安全裝置的發(fā)展對輪速傳感器信號精確性、穩(wěn)定性也提出了更高要求［1－3］。

現(xiàn)有一般中小規(guī)模的汽車車橋生產(chǎn)廠家，對于輪速傳感器裝配質(zhì)量的在線檢測多采用人工測量傳感器和齒圈間的間隙。該檢測方法效率低，檢測指標(biāo)單一，測試精度差，易受人為因素影響，出現(xiàn)質(zhì)量問題后追溯困難。因此，對于車橋制造廠家來說，如何快速檢測和評價(jià)車橋配套輪速傳感器信號的有效性，達(dá)到整車廠對輸出信號的要求，對于保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率具有重要意義［4］。為此，本研究開發(fā)了一種輪速傳感器在線檢測系統(tǒng)。該檢測系統(tǒng)除對車橋上輪速傳感器裝配質(zhì)量進(jìn)行綜合評價(jià)外，還可對輪速傳感器波形進(jìn)行分析，對波形數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示存儲。并通過對齒圈齒數(shù)的檢測，檢查車橋與輪速傳感器型號是否一致，以避免工人誤裝。同時(shí)，該檢測系統(tǒng)測試方法簡單快速，滿足了產(chǎn)品在線檢測對生產(chǎn)節(jié)拍的要求。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

目前，常用的輪速傳感器一般有磁電式、電渦流式和霍爾元件式等。由于磁電式輪速傳感器能在高溫、低溫和泥水冰雪等各種惡劣環(huán)境條件下可靠工作，在車輛ABS中得到了廣泛的應(yīng)用。磁電式輪速傳感器是利用電磁感應(yīng)原理工作的，根據(jù)齒圈的齒頂和齒隙交替通過磁性傳感器的磁場，使整個(gè)回路中磁能量發(fā)生周期性變化，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，通過檢測感應(yīng)電動勢的波形信號可以計(jì)算出輪速的大?。?－6］。磁電式輪速傳感器信號輸出幅值除與車速有關(guān)外，還與線圈匝數(shù)及其連接、裝配時(shí)空氣間隙等有直接關(guān)系。檢測系統(tǒng)主要評價(jià)裝配間隙對輪速傳感器信號波形的影響情況。

輪速傳感器在線檢測系統(tǒng)原理是模擬不同車速（實(shí)際檢測速度可根據(jù)用戶需要設(shè)定）下車輪的轉(zhuǎn)速，檢測輪速傳感器的信號輸出波形，并通過專用軟件對其有效性進(jìn)行分析和評價(jià)。檢測系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。檢測臺左右兩側(cè)的直流電機(jī)驅(qū)動車橋兩側(cè)輪轂以固定速度旋轉(zhuǎn)，同時(shí)將輪速傳感器產(chǎn)生的信號經(jīng)AD高速采樣卡采集至計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算。檢測時(shí)操作者將掛在左右兩側(cè)平衡器上的電機(jī)輸出過渡盤與被試車橋的輪轂對接，并按下操作手柄上的啟動按扭，電機(jī)驅(qū)動輪轂勻速轉(zhuǎn)動，同時(shí)系統(tǒng)自動進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，輪轂轉(zhuǎn)動一圈以上，松開手柄上按扭，電機(jī)停止運(yùn)行后，將過渡盤與車橋輪轂脫開，同時(shí)計(jì)算機(jī)將處理的結(jié)果以曲線、表格等形式顯示，并以聲光形式指示檢測結(jié)果，檢測報(bào)告自動生成并存盤，是否直接打印輸出可由用戶提前設(shè)定。

圖1 輪速傳感器在線試驗(yàn)臺原理框圖Fig．1 Functional block diagram of on－line test bed of wheel－speed sensor

2 測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 測控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)主要完成兩個(gè)功能：試驗(yàn)流程控制和數(shù)據(jù)采集分析。即通過對試驗(yàn)臺驅(qū)動電機(jī)的控制模擬不同車速下車輪旋轉(zhuǎn)，同時(shí)采集輪速傳感器產(chǎn)生的電壓波形等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行后續(xù)的處理，得到信號波形及相關(guān)特征參數(shù)。測控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測控系統(tǒng)組成Fig．2 Compositions of control and test system

整個(gè)測控系統(tǒng)以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心，通過安裝在工控機(jī)內(nèi)的各類板卡實(shí)現(xiàn)對輸入輸出信號的轉(zhuǎn)換。AD模塊對輪速傳感器產(chǎn)生的信號波形進(jìn)行高速采樣，DA模塊用于對驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速的無級設(shè)定，計(jì)數(shù)信號用于左右側(cè)電機(jī)實(shí)際旋轉(zhuǎn)速度的測量，IO信號用于邏輯判斷和控制。其中計(jì)數(shù)和IO信號通過光電隔離技術(shù)實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與外部電路的硬件隔離，在抑制傳輸噪聲的同時(shí)，提高系統(tǒng)的安全性。此外，顯示器、打印機(jī)等外設(shè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)操作者與系統(tǒng)之間的人機(jī)交互。而試驗(yàn)的流程、數(shù)據(jù)的采集管理等均通過專用軟件完成。

2．2 測控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

測控系統(tǒng)硬件包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、傳感器、各類數(shù)據(jù)采集卡和信號調(diào)理模塊，它們是測控系統(tǒng)的核心，只有配置合適的硬件設(shè)備，才能保證檢測的精度和可靠性。

2．2．1 控制計(jì)算機(jī)

控制計(jì)算機(jī)是測控系統(tǒng)的核心，其運(yùn)行的穩(wěn)定性與否直接關(guān)系到檢測工作能否可靠進(jìn)行。且控制計(jì)算機(jī)布置在工業(yè)現(xiàn)場，使用環(huán)境較普通微機(jī)更為惡劣，對防潮防振散熱等方面的要求更為苛刻，因此筆者采用中國臺灣的Advantech公司的工業(yè)級一體化工作站AW8248。AW8248結(jié)構(gòu)緊湊，擴(kuò)展靈活，具有良好的抗振防潮性能，適于在惡劣的工業(yè)環(huán)境中使用。

2．2．2 采集控制板卡

信號采集控制板卡主要完成對系統(tǒng)狀態(tài)控制和傳感器數(shù)據(jù)采集，主要分為數(shù)字IO、模擬量輸入、模擬量輸出、計(jì)數(shù)信號及串口通訊等。在選用合適的數(shù)據(jù)采集卡前，需要對檢測系統(tǒng)的輸入、輸出信號的數(shù)量和種類進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)。

本系統(tǒng)需要采集的信號主要包括車橋兩側(cè)輸出端的實(shí)際旋轉(zhuǎn)速度、輪速傳感器產(chǎn)生的電壓波形及用于系統(tǒng)控制的IO信號。實(shí)際旋轉(zhuǎn)速度通過光電編碼器測量，輸出的是脈沖信號，可通過計(jì)數(shù)板卡讀?。惠喫賯鞲衅鬏敵鍪悄M量信號，可通過高速AD采集卡讀??；還需兩路模擬量輸出通道，用于對車橋兩側(cè)輪轂驅(qū)動電機(jī)速度的控制。

此外，系統(tǒng)中使用的數(shù)字量輸入信號主要有系統(tǒng)上電、程控／手控切換、急停報(bào)警等，數(shù)字量輸出信號有電機(jī)啟?？刂啤z測結(jié)果指示、聲光報(bào)警控制等。

綜合上述分析，本系統(tǒng)選用了臺灣Advantech公司的PCI1711板卡。PCI1711是一款多功能PCI總線數(shù)據(jù)采集卡，具有16路12位模擬量輸入，2路12位模擬量輸出，3路計(jì)數(shù)通道，16路數(shù)字量輸入和16路數(shù)字量輸出。最高采樣頻率可達(dá)100kHz，卡上具有1K的FIFO緩沖器，完全可以滿足本檢測系統(tǒng)的要求。

2．2．3 轉(zhuǎn)速傳感器

轉(zhuǎn)速傳感器信號用于準(zhǔn)確檢測車橋輪轂旋轉(zhuǎn)速度，其準(zhǔn)確性直接影響對輪速傳感器性能的評價(jià)結(jié)果。本系統(tǒng)采用安裝在驅(qū)動電機(jī)末端的增量式光電編碼器測取輪轂旋轉(zhuǎn)速度。光電編碼器通過光電轉(zhuǎn)換將旋轉(zhuǎn)軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖傳感器，通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)測量轉(zhuǎn)速。它的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，機(jī)械平均壽命長，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長距離傳輸。本系統(tǒng)選用的光電編碼器為2 000脈沖／轉(zhuǎn)，檢測精度可達(dá)0．18°，可精確檢測車輪旋轉(zhuǎn)速度。

2．3 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)軟件負(fù)責(zé)對整個(gè)試驗(yàn)臺的監(jiān)控和管理，包括：檢測流程設(shè)置與控制，信號采集處理，試驗(yàn)機(jī)狀態(tài)監(jiān)控及故障自診斷，試驗(yàn)結(jié)果顯示，報(bào)表生成及數(shù)據(jù)追溯等功能。本系統(tǒng)軟件采用Visual Basic語言開發(fā)，其主要功能模塊及層次關(guān)系見圖3。

2．3．1 用戶管理模塊

為保證系統(tǒng)使用的安全性，用戶需經(jīng)身份驗(yàn)證后才能正確登錄軟件系統(tǒng)。同時(shí)軟件采用了分級用戶權(quán)限，即不同等級的用戶具有不同的軟件使用權(quán)限。使用者分“管理員”用戶和“普通”用戶兩種，“普通”用戶只能進(jìn)行日常的檢測工作，而“管理員”用戶才具有用戶增刪、檢測參數(shù)及檢測標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置、檢測數(shù)據(jù)處理等高級管理權(quán)限。

圖3 軟件系統(tǒng)功能模塊圖Fig．3 Function module of software system

2．3．2 檢測模塊

檢測模塊是整個(gè)軟件系統(tǒng)的核心模塊。該模塊主要完成對輪速傳感器的信號采集和評價(jià)。管理員設(shè)置好試驗(yàn)參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，如輪速傳感器齒數(shù)、檢測時(shí)車輪旋轉(zhuǎn)速度、信號采樣頻率等，操作員通過操作手柄將驅(qū)動電機(jī)輸出端與輪轂對接，按啟動按鈕即可開始檢測。模塊按照預(yù)置的流程自動完成試件的檢測，通過聲光形式給出檢測結(jié)論，并可根據(jù)用戶的選擇自動生成試驗(yàn)報(bào)表。主要檢測項(xiàng)目包括：有無ABS信號，輪速傳感器齒數(shù)，設(shè)定轉(zhuǎn)速下齒信號波峰最大值，設(shè)定轉(zhuǎn)速下齒信號波谷最小值，信號頻率估算，峰峰值，左右峰值差，單齒升降沿誤差（僅對處理后的方波有效），累積齒升降沿誤差（僅對處理后的方波有效），電壓超范圍比例（僅對處理后的方波有效）。該模塊的程序界面如圖4所示。

圖4 性能檢測模塊程序界面Fig．4 Interface of performance testing module

2．3．3 系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測

系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測包括系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)測和各控制采集模塊的單步調(diào)試。該模塊一方面可對試驗(yàn)系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，包括開機(jī)診斷、故障自診斷及系統(tǒng)異常時(shí)的報(bào)警機(jī)制。同時(shí)模塊具有軟件調(diào)試工具，可對任意通道的AD、DA、IO及計(jì)數(shù)信號進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試和診斷，是系統(tǒng)故障診斷和排除的輔助工具。

2．3．4 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊主要功能是對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲、檢索和試驗(yàn)報(bào)表的生成和打印。該模塊可將各個(gè)試件試驗(yàn)的數(shù)據(jù)自動存盤，也可根據(jù)用戶選擇將試驗(yàn)結(jié)果按設(shè)定的模板打印生成試驗(yàn)報(bào)告。同時(shí)用戶還可通過多種方式檢索存盤的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對以往試驗(yàn)數(shù)據(jù)的追溯。

2．3．5 輔助模塊

輔助功能模塊主要包括在線幫助、系統(tǒng)日志及系統(tǒng)發(fā)行版權(quán)等信息。

3 測試結(jié)果分析

為驗(yàn)證檢測系統(tǒng)的效果，筆者運(yùn)用本系統(tǒng)對某車橋的輪速傳感器進(jìn)行了檢測。檢測時(shí)將左右兩側(cè)輪速傳感器安裝氣隙調(diào)整至0．5mm和1mm，分別在45r／min和90r／min下對輪速傳感器進(jìn)行檢測。表1給出車橋左右側(cè)的輪速傳感器信號檢測結(jié)果。從檢測結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，通過系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)對比，可直觀地識別輪速傳感器裝配過程中的異常情況，從而評定被測產(chǎn)品的合格性。

表1 輪速傳感器信號檢測結(jié)果Table 1 Testing result of wheel－speed sensor signals

4 結(jié) 語

論述了汽車輪速傳感器在線檢測系統(tǒng)的開發(fā)，特別是其測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該測控系統(tǒng)基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)構(gòu)建，綜合應(yīng)用了計(jì)算機(jī)、測控、傳感器等技術(shù)，其性能穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)軟件操作方便靈活。由該測控系統(tǒng)生成的試驗(yàn)臺，可對輪速傳感器信號波形及特征進(jìn)行準(zhǔn)確評價(jià)，從而為企業(yè)保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率提供了有效的支撐。

［1］ 麻友良．汽車電器與電子控制系統(tǒng)［M］．2版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007．

［2］ 王輝，孫駿．汽車輪速傳感器工作穩(wěn)定性研究［J］．汽車技術(shù)，2011（5）：30－32．

［3］ 張永輝．基于輪速特征的 ABS故障檢測技術(shù)研究［J］．汽車技術(shù)，2010（9）：42－46．

［4］ 潘曉紅，余文濤，曾慶文．輪速傳感器有效性檢測臺的設(shè)計(jì)開發(fā)與應(yīng)用［J］．裝備制造技術(shù)，2010（11）：58－61．

［5］ 田錦明，龔成龍，紀(jì)林海，等．基于LabView的汽車輪速傳感器測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．儀表技術(shù)與傳感器，2010（6）：21－24．

［6］ 孫駿，陳彥夫．汽車 ABS輪速傳感器性能測試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］．電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2009，23（3）：105－109．