輪速傳感器的研究及應(yīng)用

楊英杰

摘? 要：主要論述一種輪速傳感器，它分為無源磁電被動式傳感器和有源霍爾主動式傳感器，是以導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運動而產(chǎn)生電動勢為基礎(chǔ)的。它安裝于車輪上，主要為ABS（防抱死制動系統(tǒng)）開發(fā)的。為了防止車輪抱死，控制程序必須知道單個車輪的速度，足以可見，輪速傳感器在汽車上的重要性。

關(guān)鍵詞：輪速;傳感器;ABS;磁電

中圖分類號：U463.34? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ?文章編號：1005-2550（2019）03-0028-05

Abstract： This paper mainly discusses a kind of wheel speed sensor， which is divided into passive magnetoelectronic passive sensor and active Hall sensor. It is based on the electromotive force generated by the relative motion of conductor and magnetic field. It is installed on wheels， mainly developed for ABS （Anti-lock Braking System）. In order to prevent the wheel from locking， the control program must know the speed of a single wheel， enough to see the importance of the wheel speed sensor in the car.

Key Words： wheel speed; sensor; ABS; magnetoelectric

1? ? 項目背景

隨著國家對汽車交通安全的重視程度，已陸續(xù)出臺了很多強制法規(guī)和措施，要求商用車和乘用車必須具有防抱死制動系統(tǒng)ABS（Antilock Braking System），用于輔助駕駛。它是在制動過程中防止車輪被制動抱死，提高汽車的方向穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向操縱能力，縮短制動距離的安全裝置[1]。其基本的原理是ABS控制單元ECU根據(jù)相關(guān)輪速傳感器的信號，對制動車輪的滑移情況進(jìn)行計算和判斷，然后輸出控制信號，通過控制制動力，以使車輪不被抱死。其中，輪速傳感器的輸出信號是ABS控制器進(jìn)行控制的主要依據(jù)，為此需重新開發(fā)一種輪速傳感器用以適應(yīng)汽車需求。

2? ? 輪速傳感器的種類

防抱死系統(tǒng)ABS一般由輪速傳感器（WSS）、電子控制單元（ECU）和液壓執(zhí)行機構(gòu)（HU）三部分組成。輪速傳感器分為無源磁電被動式傳感器和有源霍爾主動式傳感器。

因該篇論文主要是基于中重卡的工況而開發(fā)的輪速傳感器，根據(jù)其工作特點，本文重點講述適應(yīng)該環(huán)境下的磁電式輪速傳感器的開發(fā)過程。

3? ? 磁電式輪速傳感器

磁電式輪速傳感器，一般稱為無源被動式輪速傳感器，是因為它不需要電力供應(yīng)。

3.1? ?基本原理

磁電傳感器是以導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運動而產(chǎn)生電動勢為基礎(chǔ)的。根據(jù)磁電感應(yīng)定律，具有N匝的線圈內(nèi)的感應(yīng)電動勢e的大小取決于貫穿該線圈的磁通Φ的變化速率[2]，即：e=-N×dΦ/dt

如果以運動的速度來表示，感應(yīng)電動勢e的大小也可寫成：

式中，B為氣隙磁感應(yīng)強度，單位為T（Wb/m2）;l為線圈導(dǎo)線的總長度，單位為m; dx/dt為線圈和磁鐵間相對直線運動的線速度，單位為m/s。

3.2? ?技術(shù)要求

根據(jù)整車使用環(huán)境，為保證傳感器的性能可靠性和穩(wěn)定性，輪速傳感器需滿足如下技術(shù)條件：

1、ABS傳感器與彈簧襯套配套使用，整車安裝后拉拔力120+80-20N;

2、傳感器工作溫度范圍：-40℃～200℃;

線纜的溫度范圍：-40℃～180℃;

插接件的溫度范圍：-40℃～80℃;

3、傳感器的輸出：阻值為（ 1550±150 ）Ω（25℃）;

電感為（0.8 ～ 1.2）H（f=1000Hz）;

4、在齒數(shù)Z=100，直徑D=138mm的齒輪配套測試：

傳感器與齒圈的間隙為（1±0.05）mm ，信號頻率為f=22Hz時，感應(yīng)電壓峰-峰值不小于0.2V。

3.3? ?傳感器結(jié)構(gòu)及介紹

3.3.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

磁電式輪速傳感器由傳感器頭和齒圈兩部分組成，傳感器頭由永磁鐵、極軸、感應(yīng)線圈等組成。圖1為磁電式輪速傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

傳感器頭被線圈包圍直接安裝于齒圈上方。傳感器感應(yīng)端正對齒圈齒頂，并保持徑向間隙δ。傳感器內(nèi)裝有電感線圈，極軸的圓柱部分貫穿線圈中心，磁鋼（永磁鐵）的磁力線通過線圈中心及極軸、傳感器殼體、飛輪等形成閉合回路。當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動時齒根和齒頂部分周期性地接近傳感器的感應(yīng)端，使磁路的氣隙長度、磁阻隨之變化，從而引起線圈電感和電流的改變，對于Z齒的齒輪就產(chǎn)生Z次周期變化。在傳感器的輸出端形成周期性正弦波，通過儀表的整形、濾波以及數(shù)據(jù)處理，在儀表指示器上指示出相應(yīng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

傳感器的信號隨轉(zhuǎn)速變化，信號幅值在1～15V的范圍內(nèi)變化。當(dāng)車速很低時，傳感器輸出的信號小，信號無法傳到電腦。圖2為傳感器的輸出信號。

3.3.2 工作原理

磁電感應(yīng)式輪速傳感器就是利用電磁感應(yīng)原理做成的，其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

當(dāng)齒圈的齒隙與傳感器的磁極端部相對時，磁極端部與齒圈間的空氣間隙最大，傳感器永磁性磁極產(chǎn)生的磁力線不容易通過齒圈，感應(yīng)線圈周圍的磁場最弱;當(dāng)齒圈的齒頂與傳感器的磁極端部相對時，磁極端部與齒頂間的空氣間隙最小，傳感器永磁性磁極產(chǎn)生的磁力線容易通過齒圈，感應(yīng)線圈周圍的磁場較強。汽車在行駛過程中，齒圈上的齒頂和齒隙交替通過永久磁鐵的磁場，整個回路中的磁通量隨之發(fā)生變化，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算出感應(yīng)電動勢。

3.3.3 安裝位置和線路設(shè)計

圖4為傳感器的安裝位置示意圖。傳感器布置在每個車輪處。轉(zhuǎn)子與輪轂一體化或布置在一起，定子在制動底板上，并保持較小的間隙。其信號可以反映車輪的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、角加速度，以及產(chǎn)生抱死信號、轉(zhuǎn)動信號。

傳感器的安裝必須保證能產(chǎn)生可靠正確的信號，傳感器底部與齒頂?shù)拈g隙一般控制在1-2mm范圍以內(nèi)。

傳感器的軸向應(yīng)垂直于齒圈的徑向，最大偏差角度為2.5。

齒輪材料采用導(dǎo)磁率大的金屬材料，如45鋼。齒形為漸開線齒形，齒與齒間的間距及齒的寬度對測速影響較大，當(dāng)齒與齒的間距過小時，可能導(dǎo)致傳感器無輸出，嚴(yán)重影響測量，因此齒形要按要求加工。

在整車的線路設(shè)計中，通常采用二芯電纜線將傳感器與ECU連接起來，但要求連接線路部分具有低接觸電阻、在動態(tài)沖擊影響下通過連接的接插件和端子具有抗腐蝕能力。

3.3.4 應(yīng)用電路

磁電式輪速傳感器工作時如同傳導(dǎo)ac電流的發(fā)電機一樣工作。因此簡單的解決方案就是使用微分放大器。然而在汽車應(yīng)用上，沒有可用的負(fù)供應(yīng)源，即需要一個特殊的電路。

3.3.5 磁鋼的選型

目前，常用的永磁材料有鋁鎳鈷（Alnico）、鋇鐵氧體（Ba—Ferrite）和鍶鐵氧體（Sr-Ferrite）、釤鈷（SmCo 2：17型和SmCo 1：5型）和釹鐵硼（NdFeB），這是按發(fā)明的先后順序排列的;若按年產(chǎn)噸位排列則為：鐵氧體、釹鐵硼、鋁鎳鈷、釤鈷;若按銷售額排列則為：鐵氧體和釹鐵硼并列第一，然后是釤鈷、鋁鎳鈷。

在選擇使用磁鋼類型時，需從磁通量、磁通密度、剩磁、磁場強度、矯頑力特性參數(shù)及使用溫度范圍來選擇磁鋼。所以，選擇釤鈷磁鋼用于輪速傳感器為較優(yōu)方案。

釤鈷磁鋼是由釤、鈷和其它金屬稀土材料經(jīng)配比，溶煉成合金，經(jīng)粉碎、壓型、燒結(jié)后制成的一種磁性材料，具有高磁能積、極低的溫度系數(shù)，最高工作溫度可達(dá)350℃，負(fù)溫不限，在工作溫度180℃以上時，其及溫度穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性均超過釹鐵硼永磁材料。具有很強的抗腐蝕和抗氧化性;所以被廣泛應(yīng)用在航空航天、國防軍工、微波器件、通訊、醫(yī)療設(shè)備、儀器、儀表，各種磁性傳動裝置，傳感器，磁處理器，電機，磁力起重機等。它具有如下特點：

1、非常好的矯頑性。

2、良好的溫度穩(wěn)定性。

3、價格昂貴，易受價格波動（鈷市場價格敏感）。

3.3.6 線圈的選型

用于產(chǎn)生電動勢的線圈采用可焊性漆包線。由于輪速傳感器在特定條件下，極高的溫度要求，在漆包線的選型中最好使用聚酰亞胺漆包線。聚酰亞胺是目前有機類漆包線中耐熱等級最高的漆包線漆，其長期使用溫度可達(dá)220以上。

聚酰亞胺是綜合性能最佳的有機高分子材料之一，耐高溫達(dá) 400℃以上 ，長期使用溫度范圍-200～300℃，無明顯熔點，高絕緣性能，103赫下介電常數(shù)4.0，介電損耗僅0.004～0.007。

3.3.7 溫度影響

在磁電式傳感器中溫度影響是一個重要的問題，必須加以計算。

永久磁鋼的磁感應(yīng)強度隨溫度的增加而減小，所以感應(yīng)電動勢e也隨溫度的增加而減小。傳感器的線圈是用銅線繞制而成的，所以線圈電阻R的溫度系數(shù)是正的，溫度每增加10℃，電阻大約增加4%。

3.3.8 磁電式輪速傳感器的缺陷

磁電式輪速傳感器的輸出電動勢取決于線圈中磁場變化的速度，因而它是與被測速度成一定比例關(guān)系。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)速越高時，其電動勢越大，反之，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)速越低時，其電動勢越小。如果轉(zhuǎn)速太低時，輸出電動勢很小，以致無法測量。所以，磁電式輪速傳感器一般有一個下限工作頻率，一般為50Hz。對于汽車來說，當(dāng)汽車車速太低時，因磁電式輪速傳感器無法輸出有效信號，電子控制單元ECU無法采集到具體電壓，則防抱死系統(tǒng)ABS不會正常工作，對汽車的安全輔助駕駛帶來影響。如上所述，它具有如下缺陷：

1、頻率響應(yīng)不高。當(dāng)車速過高時，傳感器的頻率響應(yīng)跟不上，容易產(chǎn)生誤信號。

2、抗電磁波干擾能力差，尤其是輸出信號振幅值較小時。

目前，國內(nèi)外測速范圍一般為15-160km/h，今后要求控制速度范圍擴大到8-260km/h以至更大，顯然磁電式輪速傳感器很難適應(yīng)。

4? ? 霍爾式輪速傳感器

基于磁電式輪速傳感器的缺陷，在此簡要對霍爾式輪速傳感器介紹?；魻杺鞲衅魇抢没魻栃?yīng)原理將被測物理量轉(zhuǎn)換為電動勢的傳感器。因其需提供外部電能，因此將其稱為主動式輪速傳感器[3]。

4.1? ?霍爾效應(yīng)

圖5所示的金屬或半導(dǎo)體薄片，若在它的兩端通過控制電流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感應(yīng)強度為B的磁場，那么，在垂直于電流和磁場方向上（即霍爾輸出端之間）將產(chǎn)生電動勢UH（霍爾電動勢或霍爾電壓）。這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

4.2? ?霍爾器件

霍爾器件分為：霍爾元件和霍爾集成電路兩大類，前者是一個簡單的霍爾片，使用時常常需要將獲得的霍爾電壓進(jìn)行放大。后者將霍爾片和它的信號處理電路集成在同一個芯片上。

4.3? ?霍爾開關(guān)電路

霍爾開關(guān)電路又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成。在外磁場的作用下，當(dāng)磁感應(yīng)強度超過導(dǎo)通閾值BOP時，霍爾電路輸出管導(dǎo)通，輸出低電平。之后，B再增加，仍保持導(dǎo)通態(tài)。若外加磁場的B值降低到BRP時，輸出管截止，輸出高電平。我們稱BOP為工作點，BRP為釋放點，BOP-BRP=BH稱為回差?；夭畹拇嬖谑归_關(guān)電路的抗干擾能力增強?；魻栭_關(guān)電路的功能框見圖6：

4.4? ?產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及工作原理

霍爾輪速傳感器由傳感頭和齒圈組成，傳感頭由永磁體、霍爾元件、電子電路等組成。圖8為其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖。

永磁體磁力線通過霍爾元件通向齒圈，當(dāng)齒隙正對霍爾元件中心時，穿過霍爾元件的磁力線分散，磁場較弱;當(dāng)齒頂正對霍爾元件中心時，磁力線集中，磁場較強。齒圈轉(zhuǎn)動時，磁場強弱發(fā)生交替變化，從而引起霍爾電壓的變化。圖9為霍爾輪速傳感器的工作原理。

4.5? ?工作電路

如下圖10所示，霍爾傳感器產(chǎn)生的霍爾信號很小，必須要經(jīng)過放大?；魻栐敵龅暮练壍臏?zhǔn)正弦波電壓信號，送往ECU進(jìn)行處理，得到需要的電信號[4]。

4.6? ?優(yōu)點

霍爾式車輪傳感器上布置有芯片，需要提供電源，但具有一些優(yōu)點：

1、輸出的電壓信號強弱不隨轉(zhuǎn)速的變化而變化。在汽車電源電壓為12V的條件下，信號的幅值保持在11.5V到12V間。

2、傳感器頻率響應(yīng)高達(dá)20kHz，用于ABS中，相當(dāng)于車速為1000km/h時所檢測的信號頻率，因此不會出現(xiàn)高速時頻率響應(yīng)跟不上的問題。

3、霍爾式車輪傳感器輸出的電壓信號強弱不隨轉(zhuǎn)速變化，且幅值較高?；魻柺杰囕唫鞲衅鞯目闺姶挪ǜ蓴_能力較強。

同時，霍爾輪速傳感器的穩(wěn)定性好，抗外界干擾能力強，如抗錯誤的干擾信號等，因此不易因環(huán)境的因素而產(chǎn)生誤差。

5? ? 總結(jié)

綜上所述，主要介紹了被動式磁電式輪速傳感器和主動式霍爾式輪速傳感器，是汽車防抱死系統(tǒng)ABS主要的傳感單元，在汽車安全方面起著舉足輕重的作用。兩種傳感器各有優(yōu)缺點，在實際應(yīng)用中仍需根據(jù)整車環(huán)境和工況進(jìn)行綜合對比，選擇利好的產(chǎn)品。但隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，將會更多技術(shù)類型用于輪速傳感器，如光電效應(yīng)。如今智能傳感器、執(zhí)行器以及電控單元等得到了大力開發(fā)，并且在汽車上也開始廣泛應(yīng)用雷達(dá)技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，可以有效集成汽車安全裝置，促使汽車安全性能得到提升。汽車的電動化、智能化、信息化和自動化程度不斷提升，那么汽車安全也需要朝著智能化方向發(fā)展[5]。

參考文獻(xiàn)：

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