摘要：介绍一种磁阻式轮速传感器,并设计了该轮速传感器的信号处理电路,其中包含两级带通滤波放大电路和迟滞比较器;该传感器结构简单,成本低廉。研究结果表明,磁阻式轮速传感器工作性能稳定可靠,灵敏度高,抗干扰能力强,适应较高和较低的车速变化,可广泛应用于汽车ABS中。
ABS (Anti2lock Brake System)即“防抱死制动系 统”,是采用电子控制技术控制工程网版权所有,在汽车应急制动时,防止车 轮抱死,使车轮获得最佳制动效率和制动操控稳定性, 防止汽车发生交通事故的机电一体化系统。ABS主要 由轮速传感器、电子控制器、执行器3 大部分构成。 ABS的工作原理就是在汽车制动过程中,不断检测车轮 速度的变化,按一定的控制方法,通过电磁阀调节轮缸 制动压力,以获得最高的纵向附着系数和较高的侧向附 着系数,使车轮始终处于较好的制动状态,因此轮速传 感器性能的高低直接影响汽车ABS性能的高低。传统 的磁电式轮速传感器,输出信号的幅值受车轮轴的轮速 和气隙影响,当气隙一定时CONTROL ENGINEERING China版权所有,轮速越高,幅值越大;转速 一定时,气隙越小,幅值越大,不易实现低速测量,在信 号处理方面较为复杂。设计的磁阻式轮速传感器输出 信号大小不受汽车轮速的影响,且成本低、重量轻,可广 泛应用于汽车ABS,替代传统的磁电式轮速传感器。
1 磁阻式轮速传感器工作原理
磁阻式轮速传感器的核心是InSb磁敏电阻,其工 作原理是基于InSb磁敏电阻具有的磁阻效应。所谓 磁阻效应就是指当通有电流的半导体材料置于磁场 中,且磁场方向与电流方向垂直时,由于洛仑兹力的作 用,使载流子的运动方向发生偏转控制工程网版权所有,从而加长了运动路 径。从电学量来看,这反映为电阻率的增大控制工程网版权所有,即电阻增 大。当材料相同的两种载流子(电子和空穴)迁移率 相差悬殊,以至于空穴的迁移率可以忽略不计时,其电 阻率的变化可以用下式表示：
式中: B 为外加磁场的磁感应强度,ρB 、ρ0 是磁感应强 度分别为B 和0时半导体材料的电阻率;μ为半导体 材料中该载流子的迁移率。由于InSb半导体材料的 电子迁移率较高,可以获得较高的电阻变化率,从而获 得较高的灵敏度,适合制作磁敏电阻。
InSb磁敏电阻由引脚、磁阻元件MR1和MR2、永 磁体(提供偏置磁场,提高灵敏度) 、绝缘基片、金属外 壳(屏蔽外部干扰和保护磁阻元件)组成,结构及等效 电路如图1所示。
当汽车齿轮转速为零时,两磁阻元件阻值大致相 等。若加在磁阻元件两端的电压为+ 5VDC,则磁阻元 件中点输出电压为+ 2. 5VDC。由于偏置磁场的存在, 齿轮转动时,引起MR1和MR2所处空间的磁场发生 周期性变化,根据物理磁阻效应,磁阻元件的阻值也会 发生周期性变化,这样在磁阻元件中点就会输出以 + 2. 5VDC为基准电压做微小变化的周期性电压。设 输出信号频率、转速和齿轮数分别为f (Hz) 、n ( r/min) 和Z,则三者关系为:
f = nZ /60 (2)
由此,当齿轮齿数一定时,输出信号的频率只与车轮 的轮速有关。经过信号处理电路将周期性变化的信号转 化为方波信号,送入汽车ABS系统的电控单元( ECU) , 就可以根据输出波形的频率计算出车轮的轮速。
2 磁阻式轮速传感器信号处理电路设计
2. 1 信号处理电路的设计要求
(1) 放大电路部分的放大倍数足够,输出信号大 小满足后续电路处理的需要,并能滤掉电磁干扰成分。
(2) 波形转换电路能正确的将周期性类正弦波 信号转换为同频率的方波信号,且车辆振动时产生的 干扰信号对输出的方波信号频率无影响。
2. 2 信号处理电路总体分析
磁阻式轮速传感器信号处理电路如图2所示,其 中虚线部分表示磁阻元件,信号处理电路由电压跟随 器、两级放大电路、迟滞比较器组成,最终输出方波信 号。因磁阻式传感器采集的信号较弱,故整个放大电 路部分采用两级放大,A1为电压跟随器,起到阻抗变 换的作用,可以减小后续电路对磁阻元件的影响; A2、 A3可以实现放大和滤波功能,滤掉电路以及环境中存 在的低频和高频干扰,A4为迟滞比较器,可以有效避 免电路干扰引起的输出跳变,输出理想的脉冲信号。
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整个信号处理电路采用稳压管7805提供+ 5V直 流电压,磁敏电阻采集到汽车轮速信号后,通过跟随器 进入两级放大电路进行放大控制工程网版权所有,电路采用阻容耦合方式 进行连接,可以消除低频信号对传感器的影响,抑制温 漂,提高电路稳定性。电压放大倍数可通过设置电阻 R4与R2 , R6与R5的比值实现,比较器的门限电平通过 调节R9设置。利用迟滞比较器,引入了正反馈网络, 大大提高系统的抗干扰能力,可有效避免汽车行驶过 程中由于路况恶劣产生的电磁干扰和错误输出。
3 实验性能分析
由于磁阻元件对称性较好,且电路采用阻容耦合, 比较级采用迟滞比较器,故温度对电路的影响比较小, 恶劣的环境温度变化引起的温漂不会造成电路的误输 出。随机抽取多个InSb磁阻式轮速传感器样品与某 厂生产的ABS用磁电式轮速传感器比较,在同等条件 下, InSb磁阻式轮速传感器检测距离可达2. 9mm,环 境温度在- 30℃～ + 85℃内变化时,能够输出比较工 整的脉冲波形,可知其性能良好。研究结果表明,该轮 速传感器可以实现低频和高频信号的测量,在2 ～ 5kHz范围内工作可靠,能够满足汽车ABS轮速传感 器的需要。
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