ABS輪速信號處理電路研究

姜曉輝 胡勇 王利雙 王磊

（1.北京特種機(jī)械研究所；2.燕山大學(xué)；3.武漢元豐汽車電控系統(tǒng)有限公司）

ABS輪速信號處理電路研究

姜曉輝1胡勇1王利雙2王磊3

（1.北京特種機(jī)械研究所；2.燕山大學(xué)；3.武漢元豐汽車電控系統(tǒng)有限公司）

在低速時，傳統(tǒng)磁電式輪速傳感器由于信號弱，使得ABS輪速信號精度差，ABS能夠獲得的最低輪速值也較大。在分析磁電式輪速傳感器工作原理的基礎(chǔ)上提出一種新的輪速信號處理電路，其結(jié)合動態(tài)遲滯電壓的軟件處理算法，提高了低速時輪速信號的準(zhǔn)確性，并且使ABS獲得的最低輪速值更小。

1 前言

ABS的電子控制單元（ECU）通過采集輪速傳感器信號來獲取輪速，磁電式輪速傳感器信號基本上為正弦波信號[1]，需通過信號處理電路轉(zhuǎn)化為方波信號才能發(fā)送給單片機(jī)，再通過頻率法或周期法計算輪速[2，3]。因此ABS輪速信號處理電路對輪速的處理效果直接影響ABS獲取的輪速信號精度。由于磁電式輪速傳感器在低速時信號較弱，使得ABS在低速時輪速信號精度較差，能夠獲得的最低輪速值也較大。本文設(shè)計了一種新型的ABS輪速信號處理電路，能精確測量低速時的輪速信號，并且使ABS能夠獲得更小的最低輪速。

2 輪速信號的特點(diǎn)

傳統(tǒng)的ABS輪速傳感器均為磁電式輪速傳感器，輪速信號基本上為正弦信號，正弦波波形主要由信號的頻率和幅值兩方面決定。輪速越高，信號頻率越高[4]。輪速信號的幅值與輪速高低和傳感器磁頭與齒圈之間氣隙的大小有關(guān)，當(dāng)氣隙一定時，輪速越高，幅值越大；當(dāng)輪速一定時，氣隙越小，幅值越大。因此安裝輪速傳感器時，要保證輪速傳感器磁頭與齒圈之間的氣隙在要求范圍內(nèi)。輪速較低時，傳感器信噪比很低，影響低速時輪速信號的測量精度。除了環(huán)境噪聲，輪速傳感器信號還會受到其他信號的干擾。在ABS的通信接口處，除了與輪速傳感器通信外，還有CAN通信、K線通信。CAN通信采用差分傳輸方式，可以有效減小與其他信號線之間的耦合干擾，而K線是一種半雙工串行數(shù)據(jù)傳輸總線，K線通信在信號傳輸過程中容易與其他信號耦合，K線信號電壓在0～12 V之間變化。由于輪速傳感器信號幅值在0.1 V以上時才能被單片機(jī)識別，因此，環(huán)境噪聲及K線信號幅值大于0.1 V就會對輪速信號造成干擾。輪速信號處理電路性能的好壞將直接影響后期輪速、參考車速及滑移率等相關(guān)參數(shù)的計算。

3 輪速信號處理電路設(shè)計

輪速信號處理電路將傳感器輸出的正弦波信號轉(zhuǎn)化為同頻率占空比適中的方波信號，在輪速較低時仍能輸出與傳感器信號頻率相同的方波信號，當(dāng)氣隙因振動在一定范圍內(nèi)變化時仍能進(jìn)行波形變換，并能有效抑制噪聲干擾。將正弦波信號轉(zhuǎn)化為方波信號通常要經(jīng)過濾波、限幅和整形幾個過程。濾波通常采用RC低通濾波電路，初步濾除信號中的高頻噪聲。由于高速時的輪速信號幅值較大，為了使信號電壓幅值符合單片機(jī)接口電平的要求，需要對輪速信號進(jìn)行限幅處理[4]。整形通常采用遲滯比較器將信號轉(zhuǎn)化為方波。文獻(xiàn)[5]介紹了ABS輪速信號處理電路的總體設(shè)計。文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]詳細(xì)介紹了常用濾波電路、限幅電路和整形電路。文獻(xiàn)[8]介紹了一種采用兩級遲滯比較器的輪速信號處理電路。本文主要分析整形電路。傳統(tǒng)整形電路如圖1所示，其中，Vi是輸入電壓，是經(jīng)過RC低通濾波電路和限幅電路后的傳感器信號，Vref為參考電壓。

反饋電壓接至遲滯比較器的同相輸入端，反饋系數(shù)為：

遲滯比較器的同相輸入端電壓為：

因此輸入電壓為：

當(dāng)V+=V-時，Vi是臨界電壓，在輸入信號的正半周期V+=Vref，正向臨界電壓為：

在輸入信號的負(fù)半周期，參考電壓翻轉(zhuǎn)，因此V-=-Vref，此時，負(fù)向臨界電壓為：

由式（4）和式（5）可知，VTH和VTL都由Vref和輸出電壓的正反饋電壓兩部分組成，在Vi和β一定時，VTH和VTL主要由Vref決定。若Vref設(shè)置較小，則VTH和VTL與基準(zhǔn)電壓0之間的范圍較小，不能有效濾除環(huán)境噪聲及K線信號的耦合干擾。在低速時，由于輪速信號幅值很小，若Vref設(shè)置較大，則VTH和VTL與基準(zhǔn)電壓0之間的范圍較大，低速時的輪速信號容易衰減，影響低速時傳感器信號的測量精度。而且Vref是通過VCC經(jīng)電阻分壓獲得，是定值，硬件電路一經(jīng)確定，不容易更改。現(xiàn)有的輪速處理電路中，限幅電路通常是用穩(wěn)壓二極管將傳感器信號中負(fù)半周期信號鉗位到一定值（一般為-0.6 V），ABS的單片機(jī)系統(tǒng)一般為5 V系統(tǒng)，因此將正半周期信號的幅值限制在5 V以下。圖2為傳統(tǒng)電路的臨界電壓范圍示意圖。本文設(shè)計的輪速處理電路框圖如圖3所示。

由圖3可知，將輪速傳感器參考端通過電阻偏置到3.3 V，使車輪沒有轉(zhuǎn)動時的輪速信號為3 V（基準(zhǔn)電壓），則正向臨界電壓為：

負(fù)向臨界電壓為：

優(yōu)化后電路的臨界電壓范圍示意圖如圖4所示，當(dāng)整形電路Vi由小變大到VTHN時，輸出端電壓由低電平跳轉(zhuǎn)到高電平，Vi在VTHN和VTLN之間時，輸出電壓保持不變，直到Vi減小到VTLN時，輸出電壓才從高電平跳轉(zhuǎn)到低電平，這樣就能將幅值在VTLN～VTHN之間的噪聲濾除。而傳統(tǒng)的輪速信號處理電路只能將幅值在0～VTH之間的噪聲濾除，所以本文設(shè)計的輪速處理電路抗干擾能力更強(qiáng)，得到的輪速精度更高。Vref由原來的固定值變?yōu)閯討B(tài)值了。Vref由兩部分組成，第一部分是傳感器信號經(jīng)過限壓電路后所取平均值，第二部分是遲滯電壓Vhyst，遲滯電壓通過軟件程序設(shè)定，單片機(jī)通過前一個計算周期（一般每個計算周期為10 ms）得到的輪速來判斷輪速的增減趨勢。當(dāng)單片機(jī)判斷采集到的輪速較大時，就自動將Vhyst調(diào)大，從而使Vref增大，這樣可以濾除更多的噪聲，提高輪速精度。而當(dāng)單片機(jī)判斷采集到的輪速較小時，便將Vhyst調(diào)小，以減小對輪速信號的衰減，在保證低速時輪速信號精度的同時，盡可能得到更小的最低輪速。而傳統(tǒng)輪速處理電路Vref是定值，若低速時的輪速信號幅值小于VTH，則將被濾除。因此本文設(shè)計的輪速處理電路靈活性很強(qiáng)，即使在低速時輪速幅值很小的情況下也能有效濾除噪聲，而不衰減輪速信號，從而得到更小的最低輪速。

輪速的軟件算法參考了清華大學(xué)孔磊提出的基于上升沿、下降沿同時采樣的自適應(yīng)輪速計算方法[9]。對于輪速較低時在一個計算周期無法采集到脈沖的現(xiàn)象，采用下述算法：若一個計算周期內(nèi)沒有采集到任何上升沿和下降沿，則這個周期的輪速由上周期輪速和輪加速度外插計算得到；若連續(xù)兩個周期或以上沒有采集到脈沖上升沿或下降沿，則認(rèn)為輪速為0。此方法提高了低速計算的準(zhǔn)確性。

4 實(shí)車試驗

為了驗證輪速信號處理電路的處理效果，采用某汽車分別對傳統(tǒng)ABS輪速處理電路和優(yōu)化后的ABS輪速處理電路進(jìn)行輪速采集試驗。該車車輪半徑為334 mm，所用的輪速傳感器齒圈齒數(shù)為47，傳感器磁頭與齒圈之間氣隙為0.75 mm，試驗車速小于10 km/h。圖5是傳統(tǒng)電路采集到的輪速曲線，圖6是優(yōu)化后電路采集到的輪速曲線，從中可以看出，傳統(tǒng)電路輪速在3km/h左右時，采集到的輪速為0，相對誤差很大；而優(yōu)化后的電路，輪速在3km/h左右時，能采集到準(zhǔn)確的輪速，輪速采集精度顯著提高。傳統(tǒng)電路ABS能夠獲得的最低輪速為2 km/h，而優(yōu)化后電路ABS能夠獲得的最低輪速為1.4km/h，明顯減小。通過對比可知，優(yōu)化后的輪速處理電路不僅提高了低速時的輪速精度，而且能使ABS獲得的最低輪速值更小。

5 結(jié)束語

傳統(tǒng)ABS輪速處理電路在低速時采集到的輪速精度低，而且可獲得的最低輪速值較高。為了解決上述問題，本文設(shè)計了一種新的輪速信號處理電路，即將輪速傳感器參考端的電壓由0提高到3 V，強(qiáng)化了低速時的輪速信號。同時，通過軟件算法來處理遲滯電壓，使原來電路中的參考電壓由固定值變?yōu)榭呻S輪速動態(tài)變化的值。試驗表明，本文所設(shè)計的輪速處理電路能夠提高ABS在低速時采集到的輪速精度，并且可以獲得更小的最低輪速值。

1汪知旺，方錫邦，陳燕.汽車ABS輪速傳感器及其信號處理，汽車科技，2006（4）：28～32.

2劉訓(xùn)忠，王一玲，夏群生.汽車防抱死制動系統(tǒng)（ABS）輪速算法研究.汽車電器，2000（1）:7～10.

3鄭太雄，李炯球，黃志宇，蔣國英.ABS輪速信號的采集方法研究，汽車技術(shù)，2010（10）：53～56.

4張集樂，魯植雄.ABS輪速傳感器及其信號處理.機(jī)械與電子，2002（12）:48～50.

5劉國福，張妃，王躍科，鄭偉峰.基于PSPICE的ABS輪速信號處理電路的設(shè)計.汽車電器，2003（3）:6～12.

6王瑛，王旭東.車輛輪速信號采集與處理.哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002（5）:78～81.

7陸文昌，毛務(wù)本.汽車防抱死制動系統(tǒng)輪速傳感器信號處理，江蘇大學(xué)學(xué)報，2002.4（23）：24～28.

8孔磊.面向產(chǎn)業(yè)化的ABS控制關(guān)鍵技術(shù)研究與開發(fā)：[學(xué)位論文].北京:清華大學(xué)，2006.

（責(zé)任編輯簾青）

修改稿收到日期為2013年11月1日。

Research on ABS Wheel Speed Signal Processing Circuit

Jiang Xiaohui1，Hu Yong1，Wang Lishuang2，Wang Lei3
（1.Beijing Institute of Specialized Machinery；2.College of Vehicles and Energy，Yanshan University; 3.Yuanfeng Automotive Electrical Control Systems Co.，Ltd Wuhan）

The signal of traditional magnetic-electric wheel speed sensor is weak at low speed，which makes not only wheel speed signal precision of ABS system poor at low speed，but also the minimum wheel speed value that ABS can obtain bigger.Based on the analysis of the operating principle of the magnetic-electric wheel speed sensor，this paper proposes a new wheel speed signal processing circuit，which is combined with the software processing algorithm of dynamic hysteresis voltage to improve the accuracy of the wheel speed signal at low speed，meanwhile to obtain the smaller minimum wheel speed value.

ABS,Minimum wheel speed,Hysteresis voltage,Signal processing circuit

ABS最低輪速遲滯電壓信號處理電路

U463.6

：A

：1000-3703(2014)01-0017-03