傳感器在汽車底盤控制系統(tǒng)中的應(yīng)用綜述*

李孟蓉,馬 博,閆騰菲,劉忠富

(大連民族大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，遼寧 大連116600)

0 引言

隨著科技的不斷進步，傳感器在汽車領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，它能夠?qū)⒔邮盏降钠囄锢砹窟M行處理轉(zhuǎn)化后成為我們需要的輸出信號，供汽車系統(tǒng)分析處理，及時發(fā)現(xiàn)汽車存在的安全隱患。汽車底盤綜合控制系統(tǒng)是提高汽車性能的一個重要組成部分，它們是決定汽車能否安全行駛的重要因素之一，因此對汽車底盤綜合控制系統(tǒng)中傳感器的研究有著重要的現(xiàn)實意義，本文就傳感器在汽車底盤控制系統(tǒng)中的應(yīng)用做了簡要綜述。

1 底盤控制系統(tǒng)中傳感器的功能及基本原理

圖1 原理框圖

在汽車底盤控制系統(tǒng)中運用到了很多傳感器，其中主要包括電控懸架系統(tǒng)、防抱死制動系統(tǒng)、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等[1]。這些傳感器的基本原理和功能都是將汽車所需要的非電信號轉(zhuǎn)換成汽車能識別的信號，傳感器就這樣通過檢測，然后進行信號的反饋，底盤控制系統(tǒng)通過接收到的反饋信息對系統(tǒng)進行操控，并完成相應(yīng)的指令。傳感器是汽車控制系統(tǒng)中十分重要的組成部分，它是確保汽車能夠正常安全行駛的重要裝置。

2 電控懸架系統(tǒng)中傳感器的應(yīng)用

傳統(tǒng)的汽車懸架技術(shù)不能根據(jù)地面對車身的各種作用力做出分析并及時進行調(diào)節(jié)。而汽車電控懸架能靈活地感受路面，也能根據(jù)檢測到的汽車高度、車速、轉(zhuǎn)向角等對汽車做出不同的修正操作，這樣既增加了乘客乘坐時的舒適性，也能使操縱穩(wěn)定性達到最佳的狀態(tài)，確保汽車平穩(wěn)安全的行駛[2]。在汽車電控懸架系統(tǒng)中車高傳感器和轉(zhuǎn)向角傳感器是兩個重要的部件。

2.1 車高傳感器

主要負責對車底高度予以監(jiān)測，并將高度信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，由懸架ECU對車高進行精確計算，再根據(jù)道路的變化情況進行修正，避免車的底盤與地面發(fā)生碰撞和摩擦。車高傳感器通常采用光電式車高傳感器，其工作原理是將光電式車高傳感器安裝在車身一端，將懸架的上下運動轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞲衅鲀?nèi)部窄槽圓盤的旋轉(zhuǎn)運動，圓盤的轉(zhuǎn)動可以使由發(fā)光二極管和光敏二極管組成的遮光器輸出進行ON/OFF轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換信息傳輸給懸架ECU[3]。當車身高度發(fā)生變化也就是懸架形變量發(fā)生變化時，圓盤在傳感器的帶動下會發(fā)生轉(zhuǎn)動，此時懸架ECU檢測出車身高度發(fā)生變化，并做出相應(yīng)的修正。光電式車高傳感器采用光學(xué)原理制造，可實現(xiàn)非接觸式測量，不會對被測量物形成額外的負載，因此它有測量誤差小、精度高、響應(yīng)時間短等優(yōu)點。

2.2 轉(zhuǎn)向角傳感器

方向盤大致可以旋轉(zhuǎn)2.9圈，大約是1044°，通過轉(zhuǎn)向機構(gòu)以固定的傳動比帶動前輪在40°左右變化。此傳感器能夠?qū)D(zhuǎn)向角度進行測定，如果轉(zhuǎn)向的角度超過了系統(tǒng)設(shè)定的值，懸架ECU會做出相應(yīng)的調(diào)整，促使減震力和彈簧的剛度增加，減震力此時會調(diào)整到最佳狀態(tài)，以防止車身發(fā)生側(cè)傾。比較常見的轉(zhuǎn)向角傳感器有齒輪式傳感器和光碼盤式傳感器兩種，但在汽車應(yīng)用中由于可靠性問題，光碼盤式傳感器使用的比較少[4]。齒輪式傳感器采用的是三個齒輪的機械結(jié)構(gòu)，該種傳感器測量的主要是轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，大齒輪依靠轉(zhuǎn)向角管柱的運動而運動，但兩個小齒輪不會隨著大齒輪的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，它們和傳感器的外殼一起固定在車身上，并且兩個小齒輪之間相差一個齒輪數(shù)，通過分別采集隨方向盤轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)角大小，再加上相差的一個齒輪數(shù)，不同的圈數(shù)就會相差特定的角度，從而計算得到方向盤的絕對轉(zhuǎn)角，這樣就實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)向角度的自動檢測，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患并進行調(diào)整[5]。

3 防抱死制動系統(tǒng)中傳感器的應(yīng)用

在現(xiàn)在發(fā)生的交通事故中，大多數(shù)仍然是剎車造成的側(cè)翻等事故，所以關(guān)注和了解汽車制動防抱死系統(tǒng)是十分重要的事情，在汽車防抱死系統(tǒng)中起到重大作用的必然有傳感器。而在汽車防抱死制動系統(tǒng)中應(yīng)用到的傳感器就是輪速傳感器。

輪速傳感器大致可以分為三類：電磁式輪速傳感器、霍爾效應(yīng)式輪速傳感器、光電式傳感器[6]。但是我們在汽車防抱死制動系統(tǒng)中主要應(yīng)用的是電磁式輪速傳感器和霍爾效應(yīng)式輪速傳感器?，F(xiàn)代汽車的防抱死制動系統(tǒng)中基本都裝有電磁式輪速傳感器，它一般都應(yīng)用在主減速器或者是變速器中。電磁式輪速傳感器由傳感頭和齒圈構(gòu)成，傳感頭的主要組成部分是感應(yīng)線圈和永磁性磁芯，齒圈就是磁阻較小的鐵性材料。電磁式輪速傳感器是通過電磁感應(yīng)線圈利用電磁效應(yīng)的原理將車輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電信號。具體的工作原理是：當齒圈隨著車輪轉(zhuǎn)動時，與傳感器磁頭相對齊的部分發(fā)生了變化，使通過感應(yīng)線圈的磁通量也就是磁場強度發(fā)生了變化，從而感應(yīng)線圈上可以產(chǎn)生不同的感應(yīng)電動勢[7]。當齒圈的頂部與感應(yīng)線圈對齊的時候，此時二者之間的間隙是最小的，磁阻也是最小的，傳感器永磁性磁芯所產(chǎn)生的磁感線容易通過齒圈，感應(yīng)線圈的磁通量比較大；當齒圈的底部與感應(yīng)線圈對齊的時候，此時二者的間隙是最大的，磁阻也是最大的，傳感器永磁性磁芯所產(chǎn)生的磁感線不容易通過齒圈，感應(yīng)線圈的磁通量比較小。這樣感應(yīng)線圈的磁通量不斷交替呈周期性變化，就會產(chǎn)生一個周期性正弦交流電壓信號，該信號的頻率和齒圈的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速也就是和車輪的轉(zhuǎn)速是成正比的，這樣就可以對車速進行監(jiān)控和檢測[8]。

電磁式輪速傳感器結(jié)構(gòu)簡單，成本比較低，也可以應(yīng)用在一些有污垢的地方，但是它的頻率響應(yīng)不高，當車速很高的時候，它的頻率響應(yīng)容易跟不上，從而產(chǎn)生錯誤的信號，并且它的抗電磁波干擾能力也很差。所以在我們?nèi)諠u發(fā)展的汽車行業(yè)中，有時候輪速傳感器是不能滿足我們的需求的，而霍爾效應(yīng)式輪速傳感器卻可以克服這些問題，所以現(xiàn)在霍爾效應(yīng)式輪速傳感器逐漸取代了電磁式輪速傳感器。

霍爾效應(yīng)式輪速傳感器的主要組成部分有霍爾元件、永磁體、齒圈等?；魻栐墓ぷ髟硎牵簩⒒魻栐∑糜诖艌龇较虼怪庇诒∑拇艌鲋校斢须娏髁鬟^該薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢。霍爾效應(yīng)式輪速傳感器的工作原理是：當齒圈的頂部對準霍爾元件的時候，磁力線聚集穿過霍爾元件，這時霍爾元件可以產(chǎn)生較大的電動勢，經(jīng)過放大整形后可以輸出低電平；當齒圈的底部對準霍爾元件的時候，磁力線分散穿過霍爾元件，此時霍爾元件產(chǎn)生的電動勢比較小，可以輸出高電平。當齒圈和車輪一起轉(zhuǎn)動時，此時霍爾元件輸出的電平數(shù)是和齒圈的齒數(shù)還有齒圈的轉(zhuǎn)速成正比的，所以和車輪的轉(zhuǎn)速也是成正比的，由此可以測出汽車的輪速。

霍爾效應(yīng)式輪速傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積較小、使用壽命很長、可靠性很高、并且頻率特性好、抗干擾能力強，所以在汽車行業(yè)有著很廣泛的應(yīng)用。

4 動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中傳感器的應(yīng)用

常見的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要包括主動前輪助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、主動前輪疊加轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和主動后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是利用發(fā)動機的動力來幫助操作人員進行轉(zhuǎn)向操縱的裝置，在控制過程中采用的傳感器類型主要有發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速、轉(zhuǎn)矩傳感器等。其原理是把發(fā)動機輸出部分的機械能轉(zhuǎn)化為壓力能，在操作人員的控制下，對轉(zhuǎn)向器或轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝置里一些轉(zhuǎn)動器件加以各個方向的氣壓或液壓作用力，用來緩解操作人員的轉(zhuǎn)向操縱力[9]。由于操縱輕便、靈活，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車制造中被廣泛運用。

4.1 磁電式車速傳感器

磁電式車速傳感器又叫電動式傳感器，它是由接線柱的磁芯和線圈組成的一個模擬交流信號發(fā)生器，是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理,將汽車行駛速度轉(zhuǎn)換為線圈的感應(yīng)電動勢從而輸出的傳感器。使用其反轉(zhuǎn)效應(yīng)可以構(gòu)成力矩發(fā)生器和電磁激振器等。發(fā)動機或點火模塊是靠磁輪組運轉(zhuǎn)經(jīng)過傳感器時，交流電壓信號在線圈里產(chǎn)生，如在磁輪組上去除一些齒輪，使之能產(chǎn)生同步脈沖信號以確定燃油噴射時刻的。汽車車速越大，感應(yīng)電壓脈沖頻率就越大，輸出軸轉(zhuǎn)向速就越大，電子控制器件按照感應(yīng)電壓脈沖的值來推算汽車行駛的速度。比較適合用來檢測動態(tài)。因為它有比較高的輸出功率，所以配用電路比較容易，零位和性能比較穩(wěn)定。

4.2 發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器

其主要靠飛輪上的信號齒工作，負責查看發(fā)動機轉(zhuǎn)動速度來確定曲軸的位置，檢查活塞上停點和曲軸轉(zhuǎn)角信號，通過半導(dǎo)體元件把磁信號轉(zhuǎn)化為電信號，并將信號傳送至ECU，用來操控噴油及點火時刻。按產(chǎn)生信號的原理，發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器可以分為2線制(電源線和交流信號線)或3線制(交流信號屏蔽線)的電磁感應(yīng)式、3線制的霍爾式以及光電式。發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器有較高的靈敏度、壽命長、可靠性高的特點。可以完成長間隔傳輸，有較好的抗沖擊性和抗震性。

4.3 轉(zhuǎn)矩傳感器

通過測量駕駛員作用于方向盤上的力矩，在被測彈性軸上放上側(cè)轉(zhuǎn)應(yīng)變片而構(gòu)成應(yīng)變橋，如給應(yīng)變橋提電就可測得其彈性軸受轉(zhuǎn)的電信號，此電信號及車速信號被動力轉(zhuǎn)向ECU接收后，就可以確定輔助動力的大小和方向。旋轉(zhuǎn)體上的應(yīng)變橋壓輸入以及檢查到的應(yīng)變信號的輸出就是依靠導(dǎo)電滑輪在旋轉(zhuǎn)與靜止的部分之間傳遞。從而在不同速度行駛時控制轉(zhuǎn)向力矩的大小和方向。轉(zhuǎn)矩傳感器具有精度高、可靠性好、壽命長、頻響快等優(yōu)點。缺點是轉(zhuǎn)矩傳感器的體積較大，不宜安裝，在慢轉(zhuǎn)速時因為脈沖波的前沿和后沿有些慢不太好比較，所以低速的性能不太理想。

5 總結(jié)

汽車底盤綜合控制系統(tǒng)行業(yè)現(xiàn)在正是蓬勃發(fā)展的一項事業(yè)，在未來還有著很大的發(fā)展空間，而在這個行業(yè)中，傳感器起到了不可或缺的作用，傳感器為我們的汽車事業(yè)以及其他的行業(yè)都做出了很大的貢獻，傳感器仍然有著很大的研究意義，相信在未來，傳感器領(lǐng)域和汽車行業(yè)都會有更多新的研究和創(chuàng)新，在未來也會發(fā)展得越來越好。