輪速傳感器類型及信號處理

陸博汽車電子（曲阜）有限公司，山東曲阜 273100

一、前言

隨著汽車市場的保有量連續(xù)多年的高速增長，人們對于汽車駕駛安全技術(shù)的要求也越來越高，尤其是主動安全技術(shù)。無論是如今應(yīng)用廣泛的防抱死系統(tǒng)（Antilock Brake System，ABS）、車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)（Electronic Stability Program，ESP），還是逐漸興起的高級駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driver Assistance System，ADAS），汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)（Forward Collision Warning System，F(xiàn)CWS），都需要準(zhǔn)確地獲取當(dāng)前輪速，或者通過汽車ECU對輪速信號進(jìn)行邏輯計算估算出汽車速度[1]。

本文主要是對市場主流的輪速傳感器工作原理和信號特征進(jìn)行分析說明，在此基礎(chǔ)上，針對性地對輪速傳感器應(yīng)用進(jìn)行實例介紹，同時對輪速傳感器的發(fā)展做出展望。

二、輪速信號的采集

輪速信號的采集過程實際上可以看作是對旋轉(zhuǎn)件的測速過程。轉(zhuǎn)速測量常用的光電式、電渦流式和電磁式等也曾應(yīng)用于汽車輪速信號的測量[2]。相比較而言，電磁式輪速傳感器工作可靠，價格合適，受環(huán)境因素（如溫度、灰塵等）的影響較小，基于以上優(yōu)點，電磁式輪速傳感器在輪速信號的采集中應(yīng)用廣泛。

電磁式輪速傳感器大致分為電感式、霍爾式和磁阻式三種類型。其中，電感式輪速傳感器是被動式輪速傳感器，又稱無源輪速傳感器；相對應(yīng)的，霍爾式和磁阻式輪速傳感器是主動式輪速傳感器，也稱有源輪速傳感器[3]，有一個電源電路為傳感器提供外部電壓供電，在外部供電無法提供時，主動式輪速傳感器將無輪速信號產(chǎn)生。

1、電感式輪速傳感器

電感式輪速傳感器基于電磁感應(yīng)原理，利用電磁感應(yīng)把被測對象的運動轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。

由電磁感應(yīng)定律可知，通過回路面積的磁通量發(fā)生變化時，回路中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，如公式（1）所示：

式中，E—感應(yīng)電動勢；

K—比例系數(shù)，一般取1；

Φ—磁通量；

t—時間；

dΦ/dt—線圈的磁通量變化率；

v—齒圈轉(zhuǎn)速；

δ—傳感器與齒圈氣隙。

相應(yīng)的，N匝線圈對應(yīng)的感應(yīng)電動勢表示為：

由式（1）、（2）可見，磁通量的變化決定了感應(yīng)電動勢的輸出，磁通量的變化頻率決定了感應(yīng)電動勢的輸出頻率。電感式輪速傳感器工作原理結(jié)構(gòu)如圖1 所示[4]。

當(dāng)車輪運動時，齒圈隨半軸轉(zhuǎn)動，齒圈的齒形變化引起齒圈與永久磁鐵間隙的變化，繼而對磁通量造成影響，感應(yīng)線圈中的感應(yīng)電動勢隨之變化。通過對輸出電勢的頻率統(tǒng)計，可知車輪轉(zhuǎn)速為：

式中，n—車輪轉(zhuǎn)速；

P—系數(shù)，一般根據(jù)單位調(diào)整；

f—感應(yīng)電動勢頻率；

z—齒數(shù)。

2、霍爾式輪速傳感器

霍爾式輪速傳感器基于霍爾效應(yīng)，由霍爾組件結(jié)合電子元件組成，霍爾元件外加與電流方向垂直的磁場，在霍爾元件的兩端會產(chǎn)生電勢差，即霍爾電勢差。

霍爾效應(yīng)是在霍爾電場作用下，形成霍爾電勢差UH：

式中，I—輸入電流；

B—磁感應(yīng)強(qiáng)度；

n—自由電子濃度；

e—電子電荷量；

d—霍爾元件厚度；

KH—霍爾系數(shù)，定義霍爾元件的靈敏度，僅與元件材料有關(guān)，為一常量。

由式（4）可見，UH、I和B三者確定其中兩個，另一個參數(shù)也就確定。

值得注意的是，自由電子濃度n受溫度影響較大，要注意消除溫度變化造成的影響。

霍爾式輪速傳感器工作原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。具有磁化軌道的轉(zhuǎn)軸或磁性軸用于產(chǎn)生磁場，永久背磁用于產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)磁場。A和B可統(tǒng)稱為編碼器。

車輪運動時，編碼器轉(zhuǎn)動，霍爾式輪速傳感器檢測到編碼器的磁通量的大小變化。通常傳感器內(nèi)部包含兩個霍爾元件，運動過程中產(chǎn)生具有一定相位差的波形，兩波形經(jīng)差分放大，實現(xiàn)精度和靈敏度的提高。

車輪轉(zhuǎn)速也可用式（3）表示，其中f表示為霍爾電壓的信號頻率。

3、磁阻式輪速傳感器

可變磁阻式輪速傳感器基于磁阻效應(yīng)，與霍爾效應(yīng)類似的是，在磁阻效應(yīng)元件上接通電流和通過磁場，這里的磁場與電流成角度α設(shè)置，如圖3，這樣磁場耦合到磁阻效應(yīng)元件（一般為鐵磁材料制作的薄板，稱之為韋斯磁疇[5]）方向的磁通量的變化率發(fā)生變化，從而改變元件的電阻（系數(shù)）。

當(dāng)外部磁場與磁阻元件中的電流之間的夾角α發(fā)生變化時，磁阻元件電阻R變化，有：

式中，R0—磁場方向垂直于薄板方向時電阻大小；

圖4中可以看到，當(dāng)α=90°時，磁阻元件電阻R最??；當(dāng)α=180°（0°）時，磁阻元件電阻R最大。

磁阻元件一般后接電橋進(jìn)行信號處理，惠斯通電橋如圖4。磁阻元件做為Rx，根據(jù)電橋原理，Rx的變化引起R1和R3兩端電壓差ΔV的變化，通過對ΔV實現(xiàn)對Rx變化率的放大。

與霍爾元件的信號處理類似，當(dāng)需要消除零點漂移時可以做差分處理，磁阻元件可以通過添加磁阻元件以及調(diào)整電橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行差分放大，一般常用的是采用六橋結(jié)構(gòu)。

車輪轉(zhuǎn)速也可用式（3）表示，其中，f表示為霍爾電壓的信號頻率。

三、輪速信號的處理

輪速信號采集后，還需要進(jìn)行限幅、濾波等信號處理，從而使汽車ECU能夠使用更穩(wěn)定有效的輪速信息。

1、輪速信號類型

輪速信號采集后，首先要區(qū)分輪速信號類型。輸出信號類型主要有以下四種，如圖5所示。

圖5（a）中表示被動式輪速傳感器的輸出波形，這是一種類似于正弦波的波形，其頻率、幅值的變化與氣隙（傳感器測試端外表面與靶目標(biāo)間的距離）和編碼器的旋轉(zhuǎn)頻率有關(guān)。如某轎車實驗過程中，當(dāng)氣隙固定為0.8mm，在車速為15km/h時，輪速傳感器輸出信號頻率95Hz左右，電壓幅值0.5V左右；在車速為1205km/h時，輪速傳感器輸出信號頻率761Hz左右，電壓幅值5.3V左右。

圖5（b）、（c）、（d）中表示主動式輪速傳感器的輸出波形，一般采用霍爾元件或磁阻元件。

圖5（b）表示高低電流交替進(jìn)行的方波信號。一般來說，在傳感器允許的氣隙范圍內(nèi)，方波信號的參數(shù)是基本一致的，或者說是有效的。這里的參數(shù)主要包括高電流IH、低電流IL和占空比t/T（一般為50%），參數(shù)有效體現(xiàn)在數(shù)值處于一定區(qū)間內(nèi)，這主要是由芯片性能確定，一般要求IH處于11.5mA～16.8mA，IL處 于 5.7mA～9.6mA， 占 空 比30%～70%。輸出參數(shù)穩(wěn)定有效，與輪速傳感器相連接的處理單元才能夠有效識別出輪速。

圖5（c）、（d）中的傳感器相當(dāng)于圖5（b）中傳感器的升級版，表現(xiàn)在通過一定的方式體現(xiàn)出轉(zhuǎn)速外更多的信息。

圖5（c）中方波Xn的脈寬相對于半周期t1較窄（這里要注意的是：相對于圖5（b），PWM協(xié)議傳感器占空比也是50%的上下區(qū)間，但不是tx/t1，而是t1/T），這是該類傳感器通過脈寬調(diào)制的方式輸出額外信息，包括安裝氣隙的變化、車輪的正反轉(zhuǎn)以及其他的警告信息。

圖5（d）中的電流輸出多出了一系列電流方波，這一類傳感器通過電流方波組成的序列提供了附加信息，包括氣隙儲備、車輪正反轉(zhuǎn)等。相對于PWM協(xié)議的輪速傳感器，AK協(xié)議的輪速傳感器面對接近靜止的低速情況下，以及靜止情況（輪速為0）下具有更好的信息，體現(xiàn)在靜止情況下，AK協(xié)議中的輪速方波消失，但是后面9位的信息方波依然能夠輸出。

圖5（c）、（d）中的方波類型我們統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)協(xié)議，具有數(shù)據(jù)協(xié)議的輪速傳感器最大的優(yōu)點是能夠判定車輪的正反轉(zhuǎn)，這大大提高了輪速傳感器在智能方面的應(yīng)用，如車輛駕駛狀態(tài)的判斷和應(yīng)用相關(guān)的主動安全技術(shù)，包括電子駐車（Electrical Parking Brake，EPB）、坡道輔助技術(shù)（Hill-start AssistControL，HA C）。隨著汽車智能化程度的不斷提高，自動泊車技術(shù)甚至無人駕駛技術(shù)的愈加成熟，智能式輪速傳感器也將發(fā)揮更大的作用。

2、輪速信號處理

當(dāng)輪速傳感器在車身安裝固定好后，輪速信號的影響因素主要包括因震蕩導(dǎo)致的氣隙變化和齒圈的表面整潔度。另外，輪速信號隨車輪轉(zhuǎn)速的輸出信號，應(yīng)是便于汽車ECU接收和處理的方波信號，也就是輪速傳感器需要對輸入信號（根據(jù)前面所述輪速信號采集方式的不同，輸入信號應(yīng)包括模擬信號和數(shù)字信號）進(jìn)行波形調(diào)制、穩(wěn)壓、濾波以及智能式的補(bǔ)償調(diào)節(jié)等，要提高輪速測量的精度和準(zhǔn)確性，輪速信號處理電路應(yīng)具有的功能包括[6]：

（1）正弦波信號轉(zhuǎn)換為同頻率的方波信號（相對于被動式輪速傳感器）；

（2）抑制噪聲干擾；

（3）降低氣隙變化對輪速信號的影響。

基于以上功能，輪速信號處理電路的設(shè)計如圖6所示。其中，限幅處理主要相對于輸出波形微類正弦的信號，一般采用穩(wěn)壓管，將輸出信號的輸出幅值限制在目標(biāo)值。其限幅特性表現(xiàn)為：當(dāng)穩(wěn)壓管選取限制電壓為V時，輸入信號Vi>V時，輸出信號VO=V，Vi

濾波電路要將信號中的噪聲干擾信號濾除和衰減，一般來說，衰減高頻雜波是主要目的，這樣采用有源低通濾波電路，同時采用放大器芯片組合放大，從而得到有效的輪速信號。

四、輪速傳感器應(yīng)用舉例

輪速傳感器的典型應(yīng)用體現(xiàn)在防抱死系統(tǒng)（Antilock Brake System，ABS）中，ABS是針對車輛行駛過程中車輪抱死產(chǎn)生的問題。當(dāng)車輪抱死滑移，車輪與路面間的側(cè)向附著力將完全消失，汽車運動將難以控制：前輪抱死情況下汽車失去轉(zhuǎn)向能力；后輪抱死情況下汽車發(fā)生側(cè)滑甩尾；當(dāng)車輪全部抱死情況下，汽車發(fā)生水滑現(xiàn)象。

當(dāng)車輪處于滾動狀態(tài)下，駕駛員就能夠把握汽車的運動，同時可以縮短制動距離，這也就是ABS的意義所在。通過輪速傳感器獲取的速度信號，汽車ECU判斷是否有車輪即將抱死，從而對輪缸壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，使剎車效率達(dá)到90%以上。

輪速傳感器在車輛的安裝如圖7所示。安裝時，傳感器頭與齒圈之間應(yīng)留有一段約3mm以內(nèi)的間隙（即氣隙）。同時注意在安裝前應(yīng)向傳感器加注潤滑脂，以防止水、泥或灰塵等對傳感器工作產(chǎn)生影響，氣隙不在要求范圍內(nèi)或齒圈表面不清潔等，可能造成輸出信號的丟齒、電流值不合格或者高低電流不轉(zhuǎn)換等錯誤模式，如圖8所示。

針對這種情況，齒圈與傳感器置于封閉環(huán)境是必然情況，包括油封、墊片等防油、防水的措施，以及齒圈材料上也應(yīng)具有更好的防腐蝕性，傳感器注塑料的選擇等。提高傳感器和齒圈的使用穩(wěn)定性決定了輪速信號的輸出穩(wěn)定性，進(jìn)而對ABS的有效使用發(fā)揮重要作用。

五、輪速傳感器發(fā)展展望

輪速傳感器的設(shè)計過程一般是主機(jī)廠提供需求，配件廠進(jìn)行匹配和推薦，也有主機(jī)廠會對傳感器的部件進(jìn)行指定（如支架類型、芯片類型等）。就現(xiàn)在多數(shù)的訂單使用情況來說，我們更多地推薦智能型主動輪速傳感器，也有不少主機(jī)廠會要求如此。從使用情況來看，汽車的智能化駕駛水平越來越高，智能型輪速傳感器所提供的補(bǔ)充信息能夠為汽車ECU提供使用參數(shù)，因此使用量必然逐步增大。

基于提到的汽車智能駕駛，這里對輪速傳感器的發(fā)展趨勢簡單分析：

1、雙芯片輪速傳感器

雙芯片的設(shè)計最開始在單片機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用，主要用于冗余系統(tǒng)的構(gòu)建，冗余傳感器的設(shè)計直觀來說是一個齒圈有兩個輪速傳感器進(jìn)行探測和信號輸出。我司雙芯片輪速傳感器的作用主要有以下兩點：

（1）提高信號準(zhǔn)確性和有效性

傳感器輸出的兩路信號在后面的芯片中進(jìn)行一系列包括濾波、差分計算等更加有效地減小測試值與真實值之間的誤差，并能夠極大減小數(shù)據(jù)傳輸線路損失造成的數(shù)據(jù)質(zhì)量降級等對計算結(jié)果的影響。

（2）提高系統(tǒng)可靠性

若發(fā)生傳感器故障導(dǎo)致傳感器無法正常工作的情況，備用芯片能夠進(jìn)行替代工作，繼續(xù)進(jìn)行輪速信號輸出，由此減少系統(tǒng)的故障時間，增加系統(tǒng)的可靠性。

2、無線輪速傳感器

為了應(yīng)用更復(fù)雜的底盤結(jié)構(gòu)，開發(fā)出無線輪速傳感器，通過設(shè)置無線信號傳輸協(xié)議將傳輸信號輸入汽車ECU或總線，其最大優(yōu)勢在于對車輛車型的完美適應(yīng)，大量節(jié)省工作人員的設(shè)計時間，但是缺點比較明顯，需要進(jìn)行后續(xù)的更多驗證（包括EMC測試、信號穩(wěn)定性測試等）。

當(dāng)然，隨著電動汽車的發(fā)展，智能化水平的不斷提高，對輪速信號的可靠性和穩(wěn)定性的要求也更高，短時期的發(fā)展趨勢如上所述。

六、結(jié)束語

輪速信號的有效獲取在汽車安全系統(tǒng)中十分重要，本文對輪速傳感器的類型和信號處理的一般方法進(jìn)行了簡要闡述，分析了其主要特點，描述了輪速傳感器的使用原理、類型以及安裝環(huán)境等。穩(wěn)定有效的輪速信號是相關(guān)安全系統(tǒng)正常觸發(fā)的基礎(chǔ)，汽車智能化水平的提高對輪速傳感器提出了可靠性和精度等更高的要求，輪速傳感器的設(shè)計也必將不斷改善，為安全駕駛和智能駕駛提供準(zhǔn)確度和適用性更高的信號。