基于模擬編碼輪的輪速傳感器測試系統(tǒng)

田 恬，李振宇，于維洋

(1.西南交通大學茅以升學院，四川成都 611756；2.西南交通大學電氣工程學院，四川成都 611756;3.西南交通大學機械工程學院，四川成都 611756)

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基于模擬編碼輪的輪速傳感器測試系統(tǒng)

田 恬1，2，李振宇2，于維洋3

(1.西南交通大學茅以升學院，四川成都 611756；2.西南交通大學電氣工程學院，四川成都 611756;3.西南交通大學機械工程學院，四川成都 611756)

針對當前輪速傳感器測試中存在的轉(zhuǎn)速范圍低、高低溫測試困難等問題，采用模擬編碼輪代替?zhèn)鹘y(tǒng)系統(tǒng)中的電動機，系統(tǒng)由模擬編碼輪、功率放大器、信號發(fā)生器、計算機、數(shù)據(jù)采集卡、傳感器和傳感器信號處理電路構(gòu)成。實現(xiàn)對輪速傳感器在極低速度至極高速度(0～10 kHz)下、以及高低溫(-40～+150 ℃)環(huán)境下的高穩(wěn)定性、高精度的自動化在線連續(xù)測試，避免采用電動機機械方法的電動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性低 、精度低的缺點，提高了精度和生產(chǎn)效率，適應現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展的要求。

輪速傳感器；模擬編碼輪；測試系統(tǒng)；LabVIEW；高低溫；極低速度；極高速度

0 引言

車輪傳感器是汽車控制系統(tǒng)的重要部件，傳感器質(zhì)量直接影響對汽車其他部位的有效監(jiān)測和控制，關(guān)系到汽車駕駛的安全，所以需要在傳感器裝車之前對其綜合性能進行驗證。目前，國內(nèi)普遍采用電動機帶動齒輪轉(zhuǎn)動的機械結(jié)構(gòu)構(gòu)成的車輪傳感器檢定測試系統(tǒng)，傳統(tǒng)系統(tǒng)主要工作原理是：在電動機軸上安裝有齒輪，運動控制模塊控制電動機的運動，使其帶動目標齒輪按設(shè)定的參數(shù)運轉(zhuǎn)，被測傳感器安裝在運轉(zhuǎn)齒輪的周圍，在齒輪的周圍形成1個交變的磁場，此交變磁場感應被測傳感器，使傳感器輸出交變信號，信號的頻率與電動機的轉(zhuǎn)速及齒輪齒數(shù)相對應，可以由轉(zhuǎn)速換算成頻率。傳感器輸出的信號由示波器或計算機采集測量，從而判斷傳感器的質(zhì)量是否符合要求[1-2]。

汽車傳感器測試系統(tǒng)中，通常采用的電動機功率都在幾百W至幾kW之間，大的甚至十幾kW。采用模擬編碼輪代替原系統(tǒng)中的電動機，模擬編碼輪中的線圈功率只需要幾W就能滿足要求，使得測試系統(tǒng)成本降低。同時由于電動機轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性、精度較低，因此測量結(jié)果的穩(wěn)定性、精度也較低。電動機轉(zhuǎn)速一般為100 Hz～3 kHz，不能完成在0～10 kHz的極低速度和極高速度下進行測試，或測試結(jié)果可信度較低；由于受電機等機械部件在高低溫環(huán)境下熱脹冷縮的影響，傳統(tǒng)系統(tǒng)只能在20 ℃左右的室溫情況下進行測試，而不能完成傳感器在高低溫環(huán)境下的(-40～+150 ℃)溫度在線連續(xù)測試。另外，本系統(tǒng)具有較好的可移植性和通用性。

1 設(shè)計方案和工作原理

設(shè)計的系統(tǒng)由模擬編碼輪、功率放大器、信號發(fā)生器、計算機、數(shù)據(jù)采集卡或示波器、傳感器和傳感器信號處理電路構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)框圖

詳細工作原理如下：

計算機測試軟件包括測試項目參數(shù)設(shè)置模塊、儀器控制模塊、信息處理模塊、數(shù)據(jù)顯示存儲回放模塊。計算機通過串口或并口連接信號發(fā)生器，向信號發(fā)生器傳送設(shè)定的頻率、電壓參數(shù)命令[3-4]。

信號發(fā)生器連接功率放大器，信號發(fā)生器輸出的正弦波信號或方波信號送入功率放大器，功率放大器把輸入信號進行放大輸出交變電信號。功率放大器連接模擬編碼輪，功率放大器把放大的交變電信號送入模擬編碼輪的線圈，線圈把交變電信號轉(zhuǎn)換為交變的磁場信號，磁場信號通過磁芯或鐵芯得到加強，在磁芯或鐵芯的周圍形成交變的磁場。安裝在鐵芯或磁芯周圍的車輪傳感器受交變磁場的作用，感應出信號。信號處理電路把傳感器輸出的信號轉(zhuǎn)換成標準的信號，再送入數(shù)據(jù)采集卡或示波器。信號處理電路連接數(shù)據(jù)采集卡或示波器，數(shù)據(jù)采集卡安裝在計算機中，或示波器通過串口或并口連接計算機，由計算機控制采集卡或示波器，完成對信號處理電路的輸出信號的采集。

測試過程如下：把待測傳感器安裝在模擬編碼輪的支架上，在計算機中設(shè)置待測傳感器的型號、測試項目、信號發(fā)生器的頻率、采集卡或示波器的采樣參數(shù)等，啟動設(shè)備開始測試。此時，計算機發(fā)出指令給信號發(fā)生器，輸出給定的一定頻率和幅值的正弦波或方波交變信號，此信號經(jīng)功率放大器放大后給模擬編碼輪的線圈，產(chǎn)生交變磁場，傳感器受交變磁場的作用產(chǎn)生信號輸出，再經(jīng)信號處理電路處理，由計算機控制采集卡或示波器完成信號的采集，經(jīng)計算機數(shù)據(jù)處理，測得傳感器數(shù)據(jù)保存并顯示在計算機上。

2 關(guān)鍵模塊設(shè)計

2.1 模擬編碼輪設(shè)計

模擬編碼輪包括支架、線圈、鐵芯(或磁芯)、固定聯(lián)接軸和傳感器夾具，如圖2所示。線圈套在鐵芯(或磁芯)上，鐵芯(或磁芯)通過固定聯(lián)接軸固定在支架上，線圈的高度小于鐵芯(或磁芯)的高度。在支架的上、下兩面周圍設(shè)有多個傳感器夾具，傳感器夾具為L形，傳感器夾具的水平段開有條形槽，通過傳感器夾具上的條形槽來調(diào)節(jié)傳感器的位置，并且用來固定傳感器夾具在支架上。支架、傳感器夾具、固定聯(lián)接軸皆為非導磁性材料。

圖2 模擬編碼輪的結(jié)構(gòu)圖

傳感器套裝在傳感器夾具的垂直段上，用螺絲固定在傳感器夾具上，傳感器的感應頭與鐵芯(或磁芯)靠近，鐵芯(或磁芯)周圍的交變磁場感應傳感器，傳感器產(chǎn)生信號輸出，送信號處理電路。

設(shè)計時考慮的主要問題：

(1)磁場大小、線圈的圈數(shù)及線圈的線徑的選擇，此問題在后面需要專門的計算；

(2)線圈的高度小于鐵芯(或磁芯)的高度，目的是使高出的部分產(chǎn)生交變磁場去感應待測傳感器；

(3)支架、傳感器夾具、固定聯(lián)接軸皆為非導磁性材料的目的是防止磁場沿支架構(gòu)成一個閉合回路，而在待測傳感器周圍沒有感應磁場或磁場太弱，待測傳感器感應不出信號；

(4)支架的尺寸。根據(jù)傳感器的尺寸，確定支架的尺寸為：長12.5 cm，寬12.5 cm，高16.5 cm。

2.2 傳感器信號處理電路

傳感器信號轉(zhuǎn)換輸出電路如圖3所示。

圖3 傳感器信號轉(zhuǎn)換電路

根據(jù)車輪傳感器標準，在接點1和接點2間給傳感器施加直流電源電壓12 V。在測試過程中，模擬編碼輪的線圈產(chǎn)生交變磁場，在磁芯周圍的待測傳感器得到交變磁場的感應，輸出信號。為了能夠把傳感器的輸出信號傳到其他電路，在傳感器電路中串聯(lián)了1個電阻，根據(jù)傳感器測試標準，此電阻R為50 Ω和115 Ω兩種規(guī)格，采用高精度電阻R取得電壓US。同時，根據(jù)標準，有信號時，傳感器中的電流值對于兩電平信號為7 mA和14 mA，對于三電平信號為7 mA、14 mA和28 mA。這樣當傳感器中的信號發(fā)生變化時，就在串聯(lián)電阻R兩端得到變化的信號。根據(jù)所測得的電壓值計算出方波的電流峰值IH的最大值IMAX、最小值IMIN和平均值Iav、電流谷值IL的最大值、最小值和平均值以及信號的占空比D、頻率f、是否倍頻等。電阻R兩端的電壓值應該為：0.007×50=0.35(V)；0.014×50=0.7(V)；0.007×115=0.805(V)；0.014×115=1.61(V)；0.028×115=3.22(V)。

2.3 功率放大器

功率放大器采用電壓轉(zhuǎn)電流電路結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 電流源結(jié)構(gòu)的功率放大器原理圖

A1采用TDA2030音頻功率放大器，A2采用LM324運算放大器。圖4中Vin為電壓輸入端，節(jié)點b為電流輸出端，RL是模擬負載。根據(jù)“虛斷”的概念，由下一條反饋支路得到：

Vb=Vc=2V3-Vin

(1)

由上一條反饋支路得到：Va= 2V2

根據(jù)“虛短”可知V2=V3，所以

Va=2V3

(2)

b點的節(jié)點電流方程:

IL=IX=Vb/RX=(Va-Vb)/RL+I1

(3)

將式(1)、式(2)代入式(3)，得到負載電流:

IL=Vin/RL+0=Vin/RL

(4)

由上述分析可見，輸出電流Io的大小在偏置電壓和反饋電阻RL為定值時，與輸入電壓Vin成正比，而與負載電阻RX的大小無關(guān)，說明了電路良好的恒流性能。在Vin一定時，改變RL大小，可改變輸出電流的大??；在RL一定時，改變Vin的大小，可以改變Vin與Io的比例關(guān)系。由Io≈Vin/RL關(guān)系式也可以看出，當確定了Vin和IL之間的比例關(guān)系后，即可方便地確定反饋電阻RL。

設(shè)計計算時考慮的主要問題：

功率放大器的輸出信號送模擬編碼輪，由于需要的信號發(fā)生器的輸出信號頻率范圍為0～10 kHz左右，而模擬編碼輪的線圈作為負載，是一種感性負載，其負載阻抗的大小隨頻率的變化發(fā)生變化，這樣電流就會發(fā)生變化，因此，此放大器采用交流恒流源放大器結(jié)構(gòu)。

由于負載阻抗變化范圍較大，為了使負載能夠得到較好的恒流特性，就要求反饋電阻RL上的電壓不能太大，即在要求的電流一定時，電阻RL小一些更好。根據(jù)前面對線圈的計算和試驗，線圈中的電流取IL=300 mA，就能達到理想的電磁效果。

IL=300 mA時，則有：

(1)若RL=2 Ω，則VL=IL×RL=300 mA×2 Ω=0.6 V，這樣線圈得到的最大電壓為電源電壓VCC減RL上的電壓，即VCC-VL=12-0.6=11.4 V。線圈得到的最大電壓范圍：0～11.4 V。

(2)若RL=20 Ω，則VL=IL×RL=300 mA×20 Ω=6 V，這樣線圈得到的最大電壓為電源電壓VCC減RL上的電壓，即VCC-VL=12-6=6 V。線圈得到的最大電壓范圍：0～6 V。

(3)若RL=40 Ω，則VL=IL×RL=300 mA×40 Ω=12 V，這樣線圈得到的最大電壓為電源電壓VCC減去RL上的電壓，即VCC-VL=12-12=0 V。線圈得到的最大電壓范圍是0。其實這時RX是具有一定阻值的，RX上有壓降，這樣電流IL就達不到300 mA。

為了使信號的頻率在0～10 kHz范圍，線圈中的電流基本保持不變，盡量減小RL上的電壓，即減少輸入電壓Vin，本設(shè)計中在放大器輸入前端加了1個二極管保護電路，使輸入電壓保持在0.7 V左右。這樣，RL在2.3 Ω(RL=0.7 V/300 mA)左右。

3 LabVIEW編程實現(xiàn)

在自動測試界面，只要點擊開始測試，程序就通過串口向采集系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，它能一次性測試多只輪速傳感器及其在不同狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，下位機接收到命令之后就開始進行數(shù)據(jù)采集，等待數(shù)據(jù)采集完畢，LabVlEW程序通過串口讀取測試數(shù)據(jù)，將其放入1個臨時數(shù)組里，然后再將數(shù)組里的數(shù)組分類運算之后放入指定的二維數(shù)組，1次測試過程完成之后就得到1組完整的測試數(shù)據(jù)，同時，程序通過實測數(shù)據(jù)與給定界限進行對比，可以判斷出傳感器是否合格，此時在前面板中顯示出來[5-6]。

顯示畫面采用分頁顯示，可以在“采集測量參數(shù)設(shè)置輸入”、“波形顯示”、“數(shù)據(jù)顯示”幾個界面間切換。

圖5為輪速傳感器信號性能測試監(jiān)控系統(tǒng)的LabVIEW程序“波形顯示”前面板圖。也采用分頁顯示，可以顯示多路的信號波形。

圖5 波形顯示前面板圖

“數(shù)據(jù)顯示”前面板可以顯示多路信號的通道號、高中低電流最大值、最小值、平均值、占空比、頻率,并進行判斷合格與否和顯示報警。

后面板的設(shè)計主要由信號采集模塊和信號分析處理模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊主要是采集卡的驅(qū)動和控制子程序，其設(shè)計因數(shù)據(jù)采集卡而異。信號分析處理模塊中的信號高中低電流值IH、IM、IL和占空比D的測量具體包括數(shù)據(jù)預處理部分、測量算法部分、數(shù)據(jù)分析部分和判斷保存部分。

采集數(shù)據(jù)方式采用連續(xù)采集，在這種方式下只要啟動了DAQ設(shè)備的數(shù)據(jù)采集功能，它就會不停地對信號進行連續(xù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)放至其FIFO緩存中，通過這種方式可以實現(xiàn)對信號的長時間連續(xù)采集，而不會丟失信號。采集程序中包括通道設(shè)置、數(shù)據(jù)采集及信號處理，處理后的數(shù)據(jù)送前面板顯示[7-8]。采用LabVIEW自帶的測量周期T和占空比D模塊進行此參數(shù)的測量。

在數(shù)據(jù)采集完畢之后，編寫LabVIEW程序可以自動地將數(shù)據(jù)進行分析處理，在數(shù)據(jù)分析界面可以查看數(shù)據(jù)分析結(jié)果。測試過程中數(shù)據(jù)在前面板實時顯示，點擊測量按鈕，程序可以根據(jù)設(shè)定參數(shù)與測試數(shù)據(jù)的吻合程度進行判斷并顯示其結(jié)果，同時將數(shù)據(jù)分類保存在計算機中。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)主要優(yōu)點：

(1)采用模擬編碼輪代替?zhèn)鹘y(tǒng)系統(tǒng)電動機，線圈功率5 W，而電機功率1 kW，功耗下降99.5%，節(jié)能效果明顯；

(2)實現(xiàn)車輪傳感器在極低速度和極高速度(0～10 kHz)下的精確測試；

(3)實現(xiàn)高低溫環(huán)境下的車輪傳感器高低溫(-40～+150 ℃)測試；

(4)采用電-磁-電相互轉(zhuǎn)換的原理激勵傳感器產(chǎn)生信號，可以避免采用電動機機械方法的電動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性低、精度低的缺點，實現(xiàn)高精度測試；

(5)實現(xiàn)在線連續(xù)測量，實現(xiàn)過程自動化，極大地提高生產(chǎn)效率，適應現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展的要求。

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Wheel Speed Sensor Test System Based on Analog Encoder

TIAN Tian1,2,LI Zhen-yu2,YU Wei-yang3

(1．Mao Yisheng Honors College,Southwest Jiaotong University,Chengdu 611756,China; 2.School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 611756,China; 3.School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 611756,China)

Aiming at low speed range and difficulties in high and low temperature tests in the current wheel speed sensor test,the analog encoder wheel was used to replace the traditional system of motor.The system consists of the analog encoder wheel,power amplifiers,signal generators,computers,data acquisition card,sensors and sensor signal processing circuit，realizing high stable,high-precision automated online continuous testing at very low speed to extremely high speed (0 ～ 10 kHz) and under the temperature low to high (-40～+150 ℃) .The design eliminates mechanically the low stability of the motor and low precision of the motor,and improves the precision and productivity to meet the requirements of the modern automobile industry.

wheel speed sensor; analog encoder wheel; test system; LabVIEW; high and low temperature; low speed; very high speed

2014-06-04 收修改稿日期：2014-11-06

TP273

A

1002-1841(2015)04-0096-04

田恬(1995—)，本科，研究方向為電氣工程及其自動化。 E-mail：1804933515@qq．com