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

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）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OntheElectromagneticInductionTypeWheelSpeedSensorsinAutomotiveAnti-lockBrakingSystem(ABS)ApplicationandSimulationAbstractElectromagneticinductiontypewheelspeedsensorsforautomotivewheelspeedsignalsaremeasuredforanumberofsystemcontrolbrake,engineandtransmission,itisoneofthemostcriticalcomponentsofthecar.Toautomobileanti-lockbrakingsystem(ABS)earlyandeffectivedevelopmentofverification,theneedforwheelspeedsensorsimulation.Articlesforthemostcommonwheelspeedsensorelectromagneticinductiontestandanalysisthroughdesignsignalconditioningcircuit,successfullybuiltABSHILsimulationplatform,notonlysimplifiesthevalidationandtestingphaseofvehicledevelopment,butalsosavesthecostofdevelopment.KeyWords:Electromagneticinductiontypewheelspeedsensor;ABS;Inthesimulation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…………………………………………12.3电磁感应式轮速传感器的组成………………………………………………22.4电磁感应式轮速传感器的原理………………………………………………22.5ABS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……………………43.1概述…………………………………………………………………………43.2电磁感应式轮速传感器仿真信号处理………………………………………53.3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……………………………………………………………………83.4ABS硬件在环仿真平台………………………………………………………9结语………………………………………………………………………………10参考文献…………………………………………………………………………1111.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，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。3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-永磁性磁极6-磁力线7-磁场8-磁芯9-齿圈齿顶2.5ABS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ABSECU连接，如图3所示，ABSECU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ABSECU，ABS系统正常工作。4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ABSECU，ABSECU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ABSECU，如图5所示，ABSECU不能识别该模拟信号，ABS不能正常工作。从以上测试分析可知，ABSECU将对轮速信号进行识别判断，只有当ABSECU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。53.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ABSECU中间设计信号处理系统，使得ABSECU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。6处理系统设计电路，如图7所示。利用该处理系统，输入端连接ABSECU供电端，输出端连接ABSECU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：UP———ABS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，Ω。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=（2πr/z）（M/ΔT）（1）式中，r为车轮半径；z为齿圈齿数；M为频率信号输出脉冲个数；ΔT为测量时间间隔。由于确定系统的2πr/z为常数，所以轮速误差主要受f频率=M/ΔT的影响，频率法测量原理如图8所示。7由f频率=M/ΔT推导得：df/f=dM/M-dΔT/ΔT（2）由式（2）可知，频率测量误差来自于时基误差dΔT/ΔT（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。83.3.2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=（2πr/z）（1/T）（3）同理，因2πr/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/M1τ（4）式中，τ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+dτ/τ（5）与频率法一样，时标精度误差dτ/τ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周期法。93.4ABS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：ABSECU，Dspace/Autobox，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(controldevelopment10package,CDP)，主要包括RTI和Controldesk等，构成了一个快速控制原型（RapidControlPrototyping,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