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：主動式ABS輪速傳感器是提高汽車制動性能的關(guān)鍵元件。文章結(jié)合主動式傳感器的特點(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，并對設(shè)計進(jìn)行了仿真試驗研究。

關(guān)鍵詞：ABS；主動式；嵌入式；輪速傳感器；汽車制動性能 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP212 文章編號：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，汽車的制動安全性能越來越受到人們的關(guān)注，汽車防抱死制動系統(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系統(tǒng)（Anti-lock Braking System，簡稱ABS）。其功用是在汽車的制動過程中，能夠自動地調(diào)節(jié)作用于車輪上的制動力矩，將車輪滑移率控制在10%～20%之間，縱向附著系數(shù)接近峰值，從而縮短制動距離；與此同時，得到較大的側(cè)向附著系數(shù)以避免車輪因制動抱死而出現(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是通過傳感器測得車輪轉(zhuǎn)速和車身移動速度，并計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。

主動式傳感器靈敏度高、信號穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、測量速度頻率范圍寬，是未來發(fā)展的趨勢，必將成為被動式傳感器的換代產(chǎn)品。主動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 主動式輪速傳感器的原理

主動式傳感器是基于霍爾效應(yīng)原理而將被測量，如電流、磁場、位移、壓力、壓差、轉(zhuǎn)速等轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器，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毫伏（mV）級的準(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），圓盤邊緣處放置霍爾傳感器，當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)時，霍爾傳感器就輸出一組脈沖的方波，根據(jù)方波的頻率便可測出轉(zhuǎn)速。

磁圈設(shè)計（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 嵌入式主動輪速傳感器的設(shè)計

輪速傳感器被封裝在輪轂軸承里側(cè)動圈和外圈的幾毫米間隙中，在動圈與定圈上分別安裝兩個固定架：一個安裝于外圈（動圈）的內(nèi)側(cè)用來固定可旋轉(zhuǎn)環(huán)型磁鐵；一個安裝于內(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可靠無誤。

2.1 磁極對數(shù)和定子上繞組個數(shù)的確定

若要求傳感器轉(zhuǎn)速測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個脈沖信號，然而輪速傳感器中的每對相異磁極只能使線圈輸出1個脈沖信號，因此環(huán)形磁鐵應(yīng)具有10對磁極。故根據(jù)所要求的分辨率，磁極對數(shù)不應(yīng)少于10。因為定子繞組的最大個數(shù)取決于環(huán)形磁鐵的磁極，所以在設(shè)計繞組個數(shù)時還需要考慮環(huán)形磁鐵的磁極數(shù)。例如環(huán)型磁鐵有24個磁極，那么定子繞組的最大個數(shù)為24，所以繞組個數(shù)便可在1～24中選擇。但是為了得到一個能夠反映輪速的脈沖信號，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幅值增大，原信號的頻率不發(fā)生變化。所以依據(jù)電壓信號的產(chǎn)生原理，定子繞組應(yīng)為偶數(shù)個，且對應(yīng)著磁極而分布。為確保輪速傳感器在車輪低速運(yùn)行時盡可能地輸出較高電壓值，將繞組選為24個，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傳感器的厚度、定子上繞組的個數(shù)。因為傳感器厚度越小，其對整個軸承的結(jié)構(gòu)影響就越小，所以盡可能將其設(shè)計小一點(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

3 嵌入主動輪速傳感器的試驗和仿真研究

新型輪速傳感器的試驗主要是進(jìn)行電壓幅值與轉(zhuǎn)速特性、幅頻特性和頻率-轉(zhuǎn)速特性測試，如圖2所示。交流電壓表與數(shù)字轉(zhuǎn)速表分別對傳感器進(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的線性度高。從而可以看出，此輪速傳感器的輸出信號特性能夠準(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ABS輪速傳感器抗干擾性好。

4 結(jié)語

該項目是遼寧機(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目，是根據(jù)用戶的具體需要確立的項目，有很高的使用價值。該項目研究的意義在于提高汽車的制動性能，使汽車的使用更加安全，能有效地降低因制動和側(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)外市場的競爭能力。

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)品性價比高，售價約為進(jìn)口產(chǎn)品的1/3。該項目實(shí)現(xiàn)規(guī)模投產(chǎn)后，預(yù)計年生產(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)效益和社會效益。

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基金項目：遼寧省教育廳重點(diǎn)資助科研項目（L2013512）。

作者簡介：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）