如何去设计磁阻式轮速传感器信号处理电路？

　　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。
　　
　　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。