基于ABS輪速傳感器的信號(hào)模擬系統(tǒng)研究與應(yīng)用

鄭玲玲， 段春光， 尹 海

(吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130061)

0 引 言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，汽車行業(yè)取得了蓬勃發(fā)展，在發(fā)展的過(guò)程中，汽車制動(dòng)的安全性受到本行業(yè)廣泛關(guān)注，在各種安全技術(shù)手段中，防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(Anit-lock braking system, ABS)是繼使用安全帶之后在汽車安全性方面的重要技術(shù)成就之一[1]。ABS的控制方式是將輪速傳感器做為前端輸入，測(cè)量各個(gè)輪子在運(yùn)動(dòng)中的狀態(tài)，根據(jù)測(cè)量結(jié)果判斷生成對(duì)應(yīng)的控制命令，車輪輪速對(duì)于ABS控制系統(tǒng)是重要的輸入指標(biāo)[2]。因此在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)車輛的ABS控制進(jìn)行測(cè)試，就需要有準(zhǔn)確的輪速傳感器信號(hào)作為輸入源，常規(guī)做法常采用4個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的目標(biāo)齒輪及輪速傳感器搭建的平臺(tái)產(chǎn)生的車輪速度信號(hào)作為輸入，此方法危險(xiǎn)性較大，對(duì)于教學(xué)實(shí)驗(yàn)不適宜[3-4]。本文自主研發(fā)一套ABS輪速傳感器信號(hào)模擬系統(tǒng)，利用本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)一種安全性強(qiáng)、效果較好的車輪速度信號(hào)模擬，并利用此信號(hào)開(kāi)展ABS仿真驗(yàn)證。ABS仿真控制技術(shù)作為汽車電控系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)課程的重要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之一，對(duì)于培養(yǎng)車輛工程專業(yè)學(xué)生在汽車安全方面具有重要的意義[5-8]。

1 ABS輪速傳感器原理分析

根據(jù)原理分析，輪速傳感器可以分為兩種方式：被動(dòng)式和主動(dòng)式。被動(dòng)式也可稱之為磁電式傳感器，其示意圖如圖1所示。將傳感器按照一定的空氣間隙安裝在目標(biāo)輪的凹凸齒面上，在目標(biāo)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，凹凸齒面與傳感器之間的距離隨之不斷變化，線圈中的感應(yīng)電勢(shì)會(huì)隨著目標(biāo)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)變化，從而產(chǎn)生交流電信號(hào)[9]。

圖1 被動(dòng)式傳感器的工作原理圖

如圖1所示，如果線圈在某均恒的磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，穿過(guò)線圈的磁通量為φ，則該線圈內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε與線圈上的磁通量的關(guān)系為：

(1)

式中：ε為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì);φ為穿過(guò)線圈的磁通量;N為線圈匝數(shù)。

對(duì)于被動(dòng)式傳感器，目標(biāo)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度越高，傳感器輸出信號(hào)的頻率和電勢(shì)值就越高，對(duì)輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可以將得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析，根據(jù)其頻率變化得到目標(biāo)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度值，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪速的測(cè)量。

主動(dòng)式傳感器根據(jù)感應(yīng)原理的不同，可以分為磁阻式傳感器和霍爾傳感器，它們的輸出的信號(hào)是一樣的，下面以霍爾傳感器為例對(duì)主動(dòng)式傳感器的結(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行介紹?；魻柺絺鞲衅魇抢没魻栃?yīng)的原理對(duì)車輪速度進(jìn)行測(cè)量，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。傳感器工作的時(shí)候需要的主要部件是霍爾傳感器和齒圈，霍爾傳感器主要包括以下幾部分：霍爾元件、永磁體及電子電路等；在測(cè)試過(guò)程中，永磁體產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定的磁場(chǎng)，其對(duì)應(yīng)的磁力線經(jīng)過(guò)霍爾器件最終抵達(dá)齒圈部件，作用于霍爾器件的磁場(chǎng)大小決定著霍爾傳感器感應(yīng)產(chǎn)生的電壓值。因此，當(dāng)車輪帶動(dòng)齒圈在不斷轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，霍爾元件輸出的電壓信號(hào)接近于正弦波形態(tài)，對(duì)輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行電路調(diào)理，可以得到標(biāo)準(zhǔn)的脈沖電壓或者電流信號(hào)[10-12]，對(duì)這個(gè)脈沖信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量，就可以計(jì)算得到車輪的轉(zhuǎn)速。

圖2 主動(dòng)式傳感器的工作原理圖

主動(dòng)式傳感器具有較多的優(yōu)點(diǎn)：輸出值信號(hào)具有較高的靈敏度、信號(hào)具有較強(qiáng)的抗干擾能力、實(shí)際測(cè)試中車輪速度范圍寬，基于以上優(yōu)點(diǎn)，主動(dòng)式傳感器目前被汽車行業(yè)普遍應(yīng)用于實(shí)際車輛中[13-15]。

2 信號(hào)模擬系統(tǒng)構(gòu)建

根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用的要求，本文設(shè)計(jì)了一種輪速傳感器的信號(hào)模擬系統(tǒng)，此系統(tǒng)的控制部分采用單片機(jī)，利用CAN總線和dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)之間通信，單片機(jī)得到總線的指令之后，其產(chǎn)生指令所對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)，將產(chǎn)生的PWM信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，得到輪速傳感器在3種不同條件下的模擬結(jié)果，并將此模擬信號(hào)送入到制動(dòng)平臺(tái)的車輛ABS模塊中開(kāi)展驗(yàn)證測(cè)試。圖3為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖，該模擬系統(tǒng)完成了被動(dòng)式、主動(dòng)式兩種信號(hào)的模擬生成。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)圖

在模擬輪速信號(hào)的過(guò)程中，其軟件流程如圖4所示。首先啟動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)讀取CAN總線中的指令，得到需要模擬的ABS輪速信號(hào)模式，包括：勻速、起車加速、剎車減速及自定義等模式。根據(jù)信號(hào)模式進(jìn)入不同的模式方式程序中，載入預(yù)先設(shè)定好的各模式的模擬參數(shù)，然后啟動(dòng)運(yùn)行各模式的ABS信號(hào)模擬，輸出相應(yīng)的ABS模擬信號(hào)到汽車模擬器中，根據(jù)模擬器中讀取得到的距離傳感器信號(hào)結(jié)果，將結(jié)果顯示在LCD顯示屏中，系統(tǒng)延時(shí)后進(jìn)行CAN總線讀取，等待下一個(gè)指令進(jìn)行信號(hào)模擬。

圖4 軟件流程圖

3 傳感器信號(hào)模擬系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)

本文中設(shè)計(jì)的傳感器信號(hào)模擬系統(tǒng)如圖5所示，此系統(tǒng)尺寸小，質(zhì)量輕，使用方便，無(wú)安全隱患，并且能夠模擬目前市場(chǎng)上大多數(shù)輪速傳感器信號(hào)，滿足實(shí)際教學(xué)工作中對(duì)于多種輪速傳感器的模擬，能夠快速有效的對(duì)接市場(chǎng)上多種汽車模擬平臺(tái)，并滿足平臺(tái)實(shí)際的測(cè)試要求。

圖5 模擬輪速信號(hào)系統(tǒng)實(shí)物照片

本文設(shè)計(jì)的此輪速模擬系統(tǒng)在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中是搭載于駕駛模擬器驅(qū)動(dòng)的嵌入式臺(tái)架系統(tǒng)中，如圖6所示，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立的ABS模型以及真實(shí)的ABS控制器進(jìn)行標(biāo)定與驗(yàn)證[16]。

實(shí)際測(cè)試方式如圖7所示。dSPACE首先通過(guò)CAN總線將預(yù)期產(chǎn)生的速度值送入輪速模擬器中，輪速模擬器根據(jù)速度值設(shè)計(jì)參數(shù)，產(chǎn)生相應(yīng)的輪速模擬信號(hào)，此信號(hào)被送到車輛ABS的控制器，根據(jù)信號(hào)結(jié)果，車輛ABS控制器會(huì)將4個(gè)車輪的速度結(jié)果利用CAN總線送入dSPACE系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一次速度值的產(chǎn)生和循環(huán)。

圖6 嵌入式臺(tái)架系統(tǒng)的實(shí)物照片

圖7 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)構(gòu)圖

利用實(shí)際模擬平臺(tái)，對(duì)研發(fā)的信號(hào)模擬系統(tǒng)開(kāi)展了效果測(cè)試分析。對(duì)于ABS傳感器模擬系統(tǒng)，需要在不同車速下驗(yàn)證ABS模擬系統(tǒng)效果，采用dSPACE產(chǎn)生一種不斷變化的速度信號(hào)送入到傳感器信號(hào)模擬系統(tǒng)中，傳感器信號(hào)模擬系統(tǒng)可以產(chǎn)生相應(yīng)的傳感器信號(hào)，傳感器信號(hào)模擬系統(tǒng)產(chǎn)生的主動(dòng)式輪速傳感器信號(hào)結(jié)果如圖8所示。

將傳感器信號(hào)模擬系統(tǒng)產(chǎn)生的信號(hào)輸入到車輛ABS中，通過(guò)dSPACE將ABS中計(jì)算出的車輪速度進(jìn)行采集，將dSPACE設(shè)定的預(yù)期信號(hào)與模擬系統(tǒng)產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析，兩組信號(hào)的對(duì)比結(jié)果如圖9所示。根據(jù)圖9所示的結(jié)果，可以看出，信號(hào)模擬系統(tǒng)產(chǎn)生的信號(hào)和dSPACE預(yù)期設(shè)定的一個(gè)周期性變化速度信號(hào)(26～130 km/h)的一致性較好，最終求解速度誤差值為0.466 km/h，模擬器產(chǎn)生信號(hào)的延遲時(shí)間為8 ms，本文設(shè)計(jì)的模擬指標(biāo)達(dá)到了實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研項(xiàng)目的需求。

最后將研制的車速傳感器信號(hào)模擬系統(tǒng)應(yīng)用于嵌入式臺(tái)架系統(tǒng)中對(duì)ABS控制器開(kāi)展驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了多種車輛行駛環(huán)境條件下的制動(dòng)方式測(cè)試，下面介紹其中的由高附著到低附著直線制動(dòng)。車輛直線行駛于高附著系數(shù)的道路條件上，然后垂直進(jìn)入到低附著系數(shù)的道路條件上，同時(shí)在兩種條件的分界線位置進(jìn)行制動(dòng)。

圖10是車輛制動(dòng)過(guò)程中輪缸壓力的調(diào)節(jié)過(guò)程，圖11所示為相應(yīng)調(diào)節(jié)過(guò)程中的車速及4個(gè)車輪的輪速。根據(jù)圖中的曲線變換分析，車輛在5 s附近進(jìn)行制動(dòng)，在制動(dòng)開(kāi)始后，輪缸的壓力一直在變化調(diào)節(jié)，同時(shí)輪速也與之相應(yīng)的變化，保持增加或減少的狀態(tài)。根據(jù)圖中結(jié)果，確認(rèn)在此過(guò)程中車輪未出現(xiàn)抱死狀態(tài)，控制效果較好。

圖10 ABS啟動(dòng)時(shí)輪缸壓力

對(duì)于車輛有、無(wú)ABS的條件下，還開(kāi)展了對(duì)車輛的輪速、滑移率、橫擺角和橫擺角速度的分析，得到的結(jié)果如圖12～15所示。在圖12的測(cè)試分析中，當(dāng)車輛在開(kāi)始制動(dòng)后，沒(méi)有ABS的情況下，輪速會(huì)在制動(dòng)開(kāi)始就出現(xiàn)抱死的情況，導(dǎo)致輪速在非常短的時(shí)間就變?yōu)榱恪Ｔ趫D13中的測(cè)試分析中，在有ABS的條件下，車輛的滑移率波動(dòng)保持在0～1之間，在沒(méi)有ABS的條件下會(huì)產(chǎn)生輪子抱死的結(jié)果，會(huì)出現(xiàn)非常高危的駕駛后果。

根據(jù)圖14的測(cè)試結(jié)果，分析可得，沒(méi)有ABS的條件下，車輛的橫擺角最高可以達(dá)到0.2 rad，而在加入了ABS后，車輛的橫擺角最大為0.075 rad，加入了本ABS模擬信號(hào)系統(tǒng)后，車輛的橫擺角可以降低為原來(lái)值的37.5%。根據(jù)圖15測(cè)試結(jié)果，最大的橫擺角速度值針對(duì)有、無(wú)ABS的情況下結(jié)果相同，結(jié)果均為0.02 rad/s，但是從整體趨勢(shì)分析，有ABS時(shí)整體效果更佳。

圖12 無(wú)ABS時(shí)車速輪速測(cè)試結(jié)果

圖14 有、無(wú)ABS情況下車輛橫擺角

4 結(jié) 語(yǔ)

為解決在課程應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)測(cè)試中對(duì)于ABS策略的驗(yàn)證問(wèn)題，本文研制了一種輪速傳感器的信號(hào)模擬系統(tǒng)，并將此信號(hào)模擬系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際的測(cè)試應(yīng)用中，進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)分析。

測(cè)試結(jié)果表明，本文研制的模擬系統(tǒng)能夠生成多種車輪速度信號(hào)，該系統(tǒng)可以用于驗(yàn)證目前市場(chǎng)上絕大多數(shù)的ABS控制器。將本系統(tǒng)搭載于嵌入式臺(tái)架系統(tǒng)中，并且針對(duì)典型測(cè)試工況，在駕駛模擬器上進(jìn)行了虛擬的場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)，對(duì)比在有、無(wú)ABS控制器兩種情況對(duì)車輛姿態(tài)的影響，利用本模擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)嵌入式臺(tái)架系統(tǒng)功能的優(yōu)化。通過(guò)對(duì)ABS控制器參數(shù)的測(cè)試標(biāo)定，其結(jié)果證明在實(shí)際應(yīng)用中可以使用此平臺(tái)標(biāo)定實(shí)際車輛的ABS控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)ABS控制策略的驗(yàn)證。

利用此輪速傳感器模擬系統(tǒng)，可以在原有的試驗(yàn)場(chǎng)景基礎(chǔ)上建立多種附著系數(shù)路面，對(duì)ABS控制器在對(duì)開(kāi)和對(duì)接路面上進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試驗(yàn)證，由于此模擬測(cè)試平臺(tái)完全基于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)備搭建，不需要進(jìn)行車輛的場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)完全不受氣候影響，節(jié)約成本，縮短ABS控制策略的開(kāi)發(fā)驗(yàn)證時(shí)間，同時(shí)可以在實(shí)驗(yàn)課程中讓學(xué)生對(duì)于設(shè)計(jì)的ABS控制策略有更加直觀的認(rèn)識(shí)和分析，對(duì)于教學(xué)實(shí)驗(yàn)具有極好的實(shí)用意義。