浅谈电磁感应式轮速传感器在汽车防抱死制动系统(ABS)中的应用与仿真方法

1、 本科毕业设计（论文）题目 浅谈电磁感应式轮速传感器在汽车防抱 死制动系统(ABS)中的应用与仿真方法 学 院 机械工程学院 学生姓名072512202陈新文072512221 徐 炜 072512211 钱之豪072512214 沈佳慧 专 业 汽车服务工程（汽车试验与检测技术） 年 级 大三 班 级 汽检122 导师 叶飞 职 称 讲师 论文提交日期 2015-06-17 浅谈电磁感应式轮速传感器在汽车防抱死制动系统（ABS）中的应用与仿真方法摘要电磁感应式轮速传感器可以对汽车轮速信号进行测量，用于制动、发动机及变速箱等众多系统控制，是汽车最关键的部件之一。为了对汽车制动防抱死系统（ABS

2、）及早有效的开发验证，需要对电磁感应式轮速传感器进行仿真模拟。文章针对最常用的电磁感应式电磁感应式轮速传感器进行测试与分析，通过设计信号调理电路，成功搭建了 ABS 硬件在环仿真平台，既简化了汽车开发阶段的验证与测试，又节省了开发成本。关键词：电磁感应式电磁感应式轮速传感器 ABS 在环仿真On the Electromagnetic Induction Type Wheel Speed Sensors in Automotive Anti-lock Braking System (ABS) Application and SimulationAbstractElectromagnetic i

3、nduction type wheel speed sensors for automotive wheel speed signals are measured for a number of system control brake, engine and transmission, it is one of the most critical components of the car. To automobile anti-lock braking system (ABS) early and effective development of verification, the nee

4、d for wheel speed sensor simulation. Articles for the most common wheel speed sensor electromagnetic induction test and analysis through design signal conditioning circuit, successfully built ABS HIL simulation platform, not only simplifies the validation and testing phase of vehicle development, bu

5、t also saves the cost of development.Key Words: Electromagnetic induction type wheel speed sensor; ABS; In the simulation目 录1. 前言12. 电磁感应式轮速传感器概述12.1电磁感应式轮速传感器的作用12.2 电磁感应式轮速传感器的安装位置1 2.3 电磁感应式轮速传感器的组成2 2.4 电磁感应式轮速传感器的原理2 2.5 ABS对轮速信号的识别原理33. 速传感器在ABS 硬件在环仿真平台的仿真方法4 3.1 概述4 3.2 电磁感应式轮速传感器仿真信号处理5 3.3

6、 轮速信号采集方法与精度分析63.3.1 频率法63.3.2 图像法8 3.4 ABS 硬件在环仿真平台9结语10参考文献111. 前言：随着人们对汽车安全技术要求的提高，防抱死制动系统 ( ABS) 的存在尤为重要。对 ABS系统来说，车轮转速传感器提供的信号是最基本的输入参数。通过感知汽车轮速信号，ABS采用一定的算法求得相关的轮加减速度和滑移率这两个控制参考变量，从而进行ABS 控制以实现高效、稳定的制动。因此，精密的电磁感应式轮速传感器是ABS系统正常工作的先决条件。2. 电磁感应式轮速传感器概述2.1电磁感应式轮速传感器的作用 电磁感应式转速传感器是电子控制防抱死制动系统中的重要部件

7、，用来监测车轮运动状态。2.2电磁感应式轮速传感器的安装位置1）前轮的齿圈(43齿)安装在传动轴上，转速传感器安装在转向节上。2）后轮的齿圈(43齿)安装在后轮毂上，转速传感器则安装在固定支架上。前车轮转速传感器（G45/G47）安装位置 后车轮转速传感器(G44/G46)安装位置1-齿圈 2-前轮转速传感器 1-齿圈 2-后轮转速传感器22.3电磁感应式轮速传感器的组成如下图所示，传感器由电磁感应式传感头和磁性齿圈组成。传感头由永磁体、磁极和感应线圈组成，齿圈由铁磁性材料制成。2.4电磁感应式轮速传感器的原理当齿圈旋转时，齿顶与齿隙轮流交替对向磁芯，当齿圈转到齿顶与传感头磁芯相对时，传感头磁

8、芯与齿圈之间的间隙最小，由永久磁芯产生的磁力线就容易通过齿圈，感应线圈周围的磁场就强，如图 (a)所示。而当齿圈转动到齿隙与传感磁芯相对时，传感头磁芯与齿圈之间的间隙最大，由永久磁芯产生的磁力线就不容易通过齿圈，感应线圈周围的磁场就弱，如图 (b)所示。此时，磁通迅速交替变化，如(c)图所示，在感应线圈中就会产生交变电压，交变电压的频率将随车轮转速成正比例变化。电子控制单元可以通过转速传感器输入的电压脉冲频率进行处理来确定车轮的转速、汽车的参考速度等。电磁感应式轮转速传感器工作原理(a)齿圈齿顶与磁芯相对时 (b)齿圈齿隙与磁芯相对时1-齿圈 2-磁芯端部齿 3-感应线圈端子 4-感应线圈 5

9、-永磁性磁极 6-磁力线 7-磁场 8-磁芯 9-齿圈齿顶2.5 ABS 对轮速信号的辨识原理汽车电磁感应式轮速传感器部件与 ABS ECU 连接，如图3 所示，ABS ECU 给电磁感应式轮速传感器供电（Up），电磁感应式轮速传感器将轮速信号输入给 ABS ECU，ABS 系统正常工作。如图 4 所示，对电磁感应式轮速传感器进行单独外部供电 UP，将同样的轮速方波信号输入给 ABS ECU，ABS ECU不能识别电磁感应式轮速传感器信号，ABS 不能正常工作。根据电磁感应式轮速传感器输出信号特性，用信号发生器或上位机软件模拟同样的轮速信号给 ABS ECU， 如图 5 所示，ABSECU 不

10、能识别该模拟信号，ABS 不能正常工作。从以上测试分析可知，ABS ECU 将对轮速信号进行识别判断，只有当 ABS ECU 供电输出端和信号输入端构成完整的闭环回路，ABS 才认为该轮速信号有效。3. 电磁感应式轮速传感器在ABS 硬件在环仿真平台的仿真方法3.1 概述电磁感应式轮速传感器仿真信号能够充分替代真实电磁感应式轮速传感器，能够仿真再现汽车行驶中的各种驾驶工况。 汽车电磁感应式轮速传感器信号仿真方法的研究和实现有利于 ABS 硬件在环仿真平台的搭建和 ABS 开发验证， 不但缩短了整车开发周期，还能节省开发成本，对新车型的开发具有重要意义。3.2 电磁感应式轮速传感器仿真信号处理根

11、据电磁感应式轮速传感器输出信号特性和 ABS 轮速信号辨识原理的分析，需要在电磁感应式轮速传感器仿真模拟信号和 ABS ECU 中间设计信号处理系统， 使得 ABS ECU 供电输出端和信号输出端构成完整的闭环回路，如图 6 所示。按照系统功能要求， 处理系统电路主要由核心部件光电耦合器和不同规格的电阻元件搭建而成。光电耦合器是实现光电耦合的基本器件， 它将发光元件（发光二极管）与光敏元件（光电三极管）相互绝缘地组合在一起。 发光元件为输入回路，将电能转换成光能，光敏元件为输出回路，将光能再转换成电能，实现了 2 部分电路的电气隔离，既可以有效地抑制电磁干扰，又可以有效传输信号。 处理系统设计

12、电路，如图 7 所示。利用该处理系统， 输入端连接 ABS ECU 供电端，输出端连接 ABS ECU 轮速信号输入，信号特性根据 R1和 R2阻值大小而定， 根据实际电磁感应式轮速传感器信号，R1和R2阻值计算公式为式中：UPABS 系统 ECU 内部供电电压，V；UH轮速方波信号高电平， V；UL轮速方波信号低电平，V；RLow下拉电阻，。3.3轮速信号采集方法与精度分析常用的轮速信号采集方法有频率法和周期法。下面对 2 种方法进行分析。3.3.1频率法所谓频率法就是测量单位时间内轮速脉冲的个数，以求得轮速 v1，即v1=（2r/z）（M/T） （1）式中，r 为车轮半径；z 为齿圈齿数；

13、M 为频率信号输出脉冲个数；T 为测量时间间隔。由于确定系统的 2r/z 为常数， 所以轮速误差主要受 f频率=M/T 的影响， 频率法测量原理如图 8所示。由 f频率=M/T 推导得：df/f=dM/M-dT/T （2）由式（2）可知，频率测量误差来自于时基误差dT/T（测量时间间隔的相对误差）及计数误差 dM/M。 因时基误差通常用微机石英晶体振荡器定时，可保证在 10-6以下，所以此项误差可忽略。 计数误差即所谓1 个误差，图 9 为计数误差示意图。采用频率法测量时的误差主要来自脉冲个数的1 个误差，因此当轮速较低时该方法计算误差较大，所以 ABS 轮速计算中很少单独采用频率法。 3.3

14、.2周期法所谓周期法就是用时标充填的方法测量轮速脉冲周期（图 10），然后计算出轮速 v2：v2=（2r/z）（1/T） （3）同理，因 2r/z 为常数，所以轮速计算的误差分析换算成对频率 f周期的误差分析：f周期=1/T=1/M1 （4）式中， 为时标信号周期；M1为时标信号脉冲个数；T 为被测周期。由式（4）推导得：-df/f=dT/T=dM1/M1+d/ （5）与频率法一样，时标精度误差 d/ 也可忽略，即此计算方法的误差主要是时标信号脉冲计数产生的1 个误差。 当轮速较低时，利用周期法进行轮速计算误差较小，即周期法只能保证低速时的轮速计算精度， 所以 ABS 轮速计算中也很少单独采用

15、周期法。3.4 ABS 硬件在环仿真平台ABS 硬件在环仿真是指整车用高速运行的实时仿真模型替代， 而硬件用实际开发的 ABS 连接而成的硬件在环仿真系统。 在没有实际车辆的情况下借助硬件在环仿真平台对 ABS 进行闭环测试， 可以及早发现问题、节省成本并缩短系统的开发周期。根据开发车型 ABS 所用电磁感应式轮速传感器输出信号特性，按照式（1）选择合适的光电耦合器和电阻元件，设计 电磁感应式轮速传感器模拟信号处理系统，基 于Matlab/Simulink/RTW 及 Dspace 软硬件系统建立 ABS硬件在环测试平台，如图 8 所示。硬件主要包括：ABS ECU，Dspace/Autobo

16、x，接口线及上位机。 其中 Autobox 是德国 Dspace 公司生产的用于快速控制原型（RCP）开发的实时硬件系统，其组件由处理器板与外围 I/O 板通过 PHS 总线构成的大系统，具有处理器板与外围 I/O 板任意可扩展性，可以方便的和实际系统连接测试。软件主要以 MathWorks 公司的 Matlab/Simulink/RTW 为平台，结合了 Dspace 公司开发的一套计算机辅助控制系统工具包 (control development package, CDP)，主要包括 RTI 和 Controldesk 等， 构成了一个快速控制原型（Rapid Control Prototy

17、ping, RCP）的开发环境。 RTW可以实现从 Matlab/Simulink 模型到 Dspace 实时硬件代码的无缝自动下载； 实时接口 RTI 作为 Dspace/Autobox实时系统与 Matlab/Simulink 之间的连接纽带。结论轮速传感器仿真信号能够充分替代真实轮速传感器，能够仿真再现汽车行驶中的各种驾驶工况。 汽车轮速传感器信号仿真方法的研究和实现有利于 ABS 硬件在环仿真平台的搭建和 ABS 开发验证， 不但缩短了整车开发周期，还能节省开发成本，对新车型的开发具有重要意义。参考文献：1 童诗白， 华成英. 模拟电子技术 M. 北京： 高等教育出版社，2004：141-143.2 张为，王伟达，丁能根，等. 基于 dSPACE 的 ASR 硬件在环仿真平台开发及 ECU 性能试验J. 汽车技术，2009（10）：5-8.3 刘自凯，陈慧，袁兼宗，等. 商用车电子制动系统的建模与仿真C. 中国汽车工程学会论文集，2008：1339-