ABS轮速信号处理电路研究

姜晓辉 胡勇 王利双 王磊

（1.北京特种机械研究所；2.燕山大学；3.武汉元丰汽车电控系统有限公司）

ABS轮速信号处理电路研究

姜晓辉1胡勇1王利双2王磊3

（1.北京特种机械研究所；2.燕山大学；3.武汉元丰汽车电控系统有限公司）

在低速时，传统磁电式轮速传感器由于信号弱，使得ABS轮速信号精度差，ABS能够获得的最低轮速值也较大。在分析磁电式轮速传感器工作原理的基础上提出一种新的轮速信号处理电路，其结合动态迟滞电压的软件处理算法，提高了低速时轮速信号的准确性，并且使ABS获得的最低轮速值更小。

1 前言

ABS的电子控制单元（ECU）通过采集轮速传感器信号来获取轮速，磁电式轮速传感器信号基本上为正弦波信号[1]，需通过信号处理电路转化为方波信号才能发送给单片机，再通过频率法或周期法计算轮速[2，3]。因此ABS轮速信号处理电路对轮速的处理效果直接影响ABS获取的轮速信号精度。由于磁电式轮速传感器在低速时信号较弱，使得ABS在低速时轮速信号精度较差，能够获得的最低轮速值也较大。本文设计了一种新型的ABS轮速信号处理电路，能精确测量低速时的轮速信号，并且使ABS能够获得更小的最低轮速。

2 轮速信号的特点

传统的ABS轮速传感器均为磁电式轮速传感器，轮速信号基本上为正弦信号，正弦波波形主要由信号的频率和幅值两方面决定。轮速越高，信号频率越高[4]。轮速信号的幅值与轮速高低和传感器磁头与齿圈之间气隙的大小有关，当气隙一定时，轮速越高，幅值越大；当轮速一定时，气隙越小，幅值越大。因此安装轮速传感器时，要保证轮速传感器磁头与齿圈之间的气隙在要求范围内。轮速较低时，传感器信噪比很低，影响低速时轮速信号的测量精度。除了环境噪声，轮速传感器信号还会受到其他信号的干扰。在ABS的通信接口处，除了与轮速传感器通信外，还有CAN通信、K线通信。CAN通信采用差分传输方式，可以有效减小与其他信号线之间的耦合干扰，而K线是一种半双工串行数据传输总线，K线通信在信号传输过程中容易与其他信号耦合，K线信号电压在0～12 V之间变化。由于轮速传感器信号幅值在0.1 V以上时才能被单片机识别，因此，环境噪声及K线信号幅值大于0.1 V就会对轮速信号造成干扰。轮速信号处理电路性能的好坏将直接影响后期轮速、参考车速及滑移率等相关参数的计算。

3 轮速信号处理电路设计

轮速信号处理电路将传感器输出的正弦波信号转化为同频率占空比适中的方波信号，在轮速较低时仍能输出与传感器信号频率相同的方波信号，当气隙因振动在一定范围内变化时仍能进行波形变换，并能有效抑制噪声干扰。将正弦波信号转化为方波信号通常要经过滤波、限幅和整形几个过程。滤波通常采用RC低通滤波电路，初步滤除信号中的高频噪声。由于高速时的轮速信号幅值较大，为了使信号电压幅值符合单片机接口电平的要求，需要对轮速信号进行限幅处理[4]。整形通常采用迟滞比较器将信号转化为方波。文献[5]介绍了ABS轮速信号处理电路的总体设计。文献[6]和文献[7]详细介绍了常用滤波电路、限幅电路和整形电路。文献[8]介绍了一种采用两级迟滞比较器的轮速信号处理电路。本文主要分析整形电路。传统整形电路如图1所示，其中，Vi是输入电压，是经过RC低通滤波电路和限幅电路后的传感器信号，Vref为参考电压。

反馈电压接至迟滞比较器的同相输入端，反馈系数为：

迟滞比较器的同相输入端电压为：

因此输入电压为：

当V+=V-时，Vi是临界电压，在输入信号的正半周期V+=Vref，正向临界电压为：

在输入信号的负半周期，参考电压翻转，因此V-=-Vref，此时，负向临界电压为：

由式（4）和式（5）可知，VTH和VTL都由Vref和输出电压的正反馈电压两部分组成，在Vi和β一定时，VTH和VTL主要由Vref决定。若Vref设置较小，则VTH和VTL与基准电压0之间的范围较小，不能有效滤除环境噪声及K线信号的耦合干扰。在低速时，由于轮速信号幅值很小，若Vref设置较大，则VTH和VTL与基准电压0之间的范围较大，低速时的轮速信号容易衰减，影响低速时传感器信号的测量精度。而且Vref是通过VCC经电阻分压获得，是定值，硬件电路一经确定，不容易更改。现有的轮速处理电路中，限幅电路通常是用稳压二极管将传感器信号中负半周期信号钳位到一定值（一般为-0.6 V），ABS的单片机系统一般为5 V系统，因此将正半周期信号的幅值限制在5 V以下。图2为传统电路的临界电压范围示意图。本文设计的轮速处理电路框图如图3所示。

由图3可知，将轮速传感器参考端通过电阻偏置到3.3 V，使车轮没有转动时的轮速信号为3 V（基准电压），则正向临界电压为：

负向临界电压为：

优化后电路的临界电压范围示意图如图4所示，当整形电路Vi由小变大到VTHN时，输出端电压由低电平跳转到高电平，Vi在VTHN和VTLN之间时，输出电压保持不变，直到Vi减小到VTLN时，输出电压才从高电平跳转到低电平，这样就能将幅值在VTLN～VTHN之间的噪声滤除。而传统的轮速信号处理电路只能将幅值在0～VTH之间的噪声滤除，所以本文设计的轮速处理电路抗干扰能力更强，得到的轮速精度更高。Vref由原来的固定值变为动态值了。Vref由两部分组成，第一部分是传感器信号经过限压电路后所取平均值，第二部分是迟滞电压Vhyst，迟滞电压通过软件程序设定，单片机通过前一个计算周期（一般每个计算周期为10 ms）得到的轮速来判断轮速的增减趋势。当单片机判断采集到的轮速较大时，就自动将Vhyst调大，从而使Vref增大，这样可以滤除更多的噪声，提高轮速精度。而当单片机判断采集到的轮速较小时，便将Vhyst调小，以减小对轮速信号的衰减，在保证低速时轮速信号精度的同时，尽可能得到更小的最低轮速。而传统轮速处理电路Vref是定值，若低速时的轮速信号幅值小于VTH，则将被滤除。因此本文设计的轮速处理电路灵活性很强，即使在低速时轮速幅值很小的情况下也能有效滤除噪声，而不衰减轮速信号，从而得到更小的最低轮速。

轮速的软件算法参考了清华大学孔磊提出的基于上升沿、下降沿同时采样的自适应轮速计算方法[9]。对于轮速较低时在一个计算周期无法采集到脉冲的现象，采用下述算法：若一个计算周期内没有采集到任何上升沿和下降沿，则这个周期的轮速由上周期轮速和轮加速度外插计算得到；若连续两个周期或以上没有采集到脉冲上升沿或下降沿，则认为轮速为0。此方法提高了低速计算的准确性。

4 实车试验

为了验证轮速信号处理电路的处理效果，采用某汽车分别对传统ABS轮速处理电路和优化后的ABS轮速处理电路进行轮速采集试验。该车车轮半径为334 mm，所用的轮速传感器齿圈齿数为47，传感器磁头与齿圈之间气隙为0.75 mm，试验车速小于10 km/h。图5是传统电路采集到的轮速曲线，图6是优化后电路采集到的轮速曲线，从中可以看出，传统电路轮速在3km/h左右时，采集到的轮速为0，相对误差很大；而优化后的电路，轮速在3km/h左右时，能采集到准确的轮速，轮速采集精度显著提高。传统电路ABS能够获得的最低轮速为2 km/h，而优化后电路ABS能够获得的最低轮速为1.4km/h，明显减小。通过对比可知，优化后的轮速处理电路不仅提高了低速时的轮速精度，而且能使ABS获得的最低轮速值更小。

5 结束语

传统ABS轮速处理电路在低速时采集到的轮速精度低，而且可获得的最低轮速值较高。为了解决上述问题，本文设计了一种新的轮速信号处理电路，即将轮速传感器参考端的电压由0提高到3 V，强化了低速时的轮速信号。同时，通过软件算法来处理迟滞电压，使原来电路中的参考电压由固定值变为可随轮速动态变化的值。试验表明，本文所设计的轮速处理电路能够提高ABS在低速时采集到的轮速精度，并且可以获得更小的最低轮速值。

1汪知旺，方锡邦，陈燕.汽车ABS轮速传感器及其信号处理，汽车科技，2006（4）：28～32.

2刘训忠，王一玲，夏群生.汽车防抱死制动系统（ABS）轮速算法研究.汽车电器，2000（1）:7～10.

3郑太雄，李炯球，黄志宇，蒋国英.ABS轮速信号的采集方法研究，汽车技术，2010（10）：53～56.

4张集乐，鲁植雄.ABS轮速传感器及其信号处理.机械与电子，2002（12）:48～50.

5刘国福，张妃，王跃科，郑伟峰.基于PSPICE的ABS轮速信号处理电路的设计.汽车电器，2003（3）:6～12.

6王瑛，王旭东.车辆轮速信号采集与处理.哈尔滨商业大学学报，2002（5）:78～81.

7陆文昌，毛务本.汽车防抱死制动系统轮速传感器信号处理，江苏大学学报，2002.4（23）：24～28.

8孔磊.面向产业化的ABS控制关键技术研究与开发：[学位论文].北京:清华大学，2006.

（责任编辑帘青）

修改稿收到日期为2013年11月1日。

Research on ABS Wheel Speed Signal Processing Circuit

Jiang Xiaohui1，Hu Yong1，Wang Lishuang2，Wang Lei3
（1.Beijing Institute of Specialized Machinery；2.College of Vehicles and Energy，Yanshan University; 3.Yuanfeng Automotive Electrical Control Systems Co.，Ltd Wuhan）

The signal of traditional magnetic-electric wheel speed sensor is weak at low speed，which makes not only wheel speed signal precision of ABS system poor at low speed，but also the minimum wheel speed value that ABS can obtain bigger.Based on the analysis of the operating principle of the magnetic-electric wheel speed sensor，this paper proposes a new wheel speed signal processing circuit，which is combined with the software processing algorithm of dynamic hysteresis voltage to improve the accuracy of the wheel speed signal at low speed，meanwhile to obtain the smaller minimum wheel speed value.

ABS,Minimum wheel speed,Hysteresis voltage,Signal processing circuit

ABS最低轮速迟滞电压信号处理电路

U463.6

：A

：1000-3703(2014)01-0017-03