嵌入式ABS轮速传感器的研究与开发

王德发　黄旭　何晶

摘要：主动式ABS轮速传感器是提高汽车制动性能的关键元件。文章结合主动式传感器的特点，介绍了轮速传感器的原理，重点阐述了嵌入式轮速传感器设计，并对设计进行了仿真试验研究。

关键词：ABS；主动式；嵌入式；轮速传感器；汽车制动性能 文献标识码：A

中图分类号：TP212 文章编号：1009-2374（2015）18-0014-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.18.008

随着中国汽车行业的快速发展，汽车的制动安全性能越来越受到人们的关注，汽车防抱死制动系统（ABS）的诞生大大地提高了汽车行驶的安全性能。近年来电子技术迅猛发展，ABS技术也随之趋于成熟，已由机械式发展为电子式，并在汽车行业中得到了广泛应用。

现代的轿车、客车以及重型汽车中不可或缺的配置之一就是防抱死制动系统（Anti-lock Braking System，简称ABS）。其功用是在汽车的制动过程中，能够自动地调节作用于车轮上的制动力矩，将车轮滑移率控制在10%～20%之间，纵向附着系数接近峰值，从而缩短制动距离；与此同时，得到较大的侧向附着系数以避免车轮因制动抱死而出现的横向侧滑、甩尾现象，进一步提升了汽车的转向控制能力与行驶稳定性。ABS是通过传感器测得车轮转速和车身移动速度，并计算出参考控制变量车轮加速度（或减速度）与滑移率，以实现更加高效、更加稳定的控制。ABS能够进行有效控制的关键在于精确可靠的轮速信号。

主动式传感器灵敏度高、信号稳定、抗干扰能力强、测量速度频率范围宽，是未来发展的趋势，必将成为被动式传感器的换代产品。主动式传感器在国外高档汽车中已经广泛应用，在国内汽车行业内才刚刚起步，特别是嵌入式轮速传感器的应用基本是空白。

1 主动式轮速传感器的原理

主动式传感器是基于霍尔效应原理而将被测量，如电流、磁场、位移、压力、压差、转速等转换成电动势输出的一种传感器，由传感头与齿圈两部分组成。传感头主要由永磁体、霍尔元件、电子电路组成。齿圈类似于一个集磁器，永磁体的磁力线穿过霍尔元件到达齿圈。在齿轮工作期间，霍尔电压随穿过霍尔元件的磁力线密度的变化而变化，从而霍尔元件输出一个毫伏（mV）级的准正弦波电压，经电子电路作用，将其转换为标准的脉冲电压。

如图1所示，在非磁性材料的圆盘上圆周方向布置一组磁钢（每周48对），圆盘边缘处放置霍尔传感器，当圆盘旋转时，霍尔传感器就输出一组脉冲的方波，根据方波的频率便可测出转速。

磁圈设计（在飞磁性材料上圆周分布一组永磁体）体积小，更易集成于轮毂或轴承之中。

2 嵌入式主动轮速传感器的设计

轮速传感器被封装在轮毂轴承里侧动圈和外圈的几毫米间隙中，在动圈与定圈上分别安装两个固定架：一个安装于外圈（动圈）的内侧用来固定可旋转环型磁铁；一个安装于内圈（定圈）的外侧用来固定传感器座。由于轮速传感器嵌入（内置）轴承内，保证清洁及传感信号可靠无误。

2.1 磁极对数和定子上绕组个数的确定

若要求传感器转速测量的分辨率不能小于10%，那么车轮每转一周，转速传感器最低应产生10个脉冲信号，然而轮速传感器中的每对相异磁极只能使线圈输出1个脉冲信号，因此环形磁铁应具有10对磁极。故根据所要求的分辨率，磁极对数不应少于10。因为定子绕组的最大个数取决于环形磁铁的磁极，所以在设计绕组个数时还需要考虑环形磁铁的磁极数。例如环型磁铁有24个磁极，那么定子绕组的最大个数为24，所以绕组个数便可在1～24中选择。但是为了得到一个能够反映轮速的脉冲信号，各相绕组的输出电压必须是同相的，从而叠加后的电压信号幅值增大，原信号的频率不发生变化。所以依据电压信号的产生原理，定子绕组应为偶数个，且对应着磁极而分布。为确保轮速传感器在车轮低速运行时尽可能地输出较高电压值，将绕组选为24个，且均匀地排布于定子外圈上。

2.2 轮速传感器的结构尺寸

绕组的长与宽分别取决于整个传感器的厚度、定子上绕组的个数。因为传感器厚度越小，其对整个轴承的结构影响就越小，所以尽可能将其设计小一点。轮速传感器的主要结构尺寸为：总厚度为7.5mm，定子厚度为5mm，绝缘层的单侧厚度为0.5mm，可绕线厚度为1mm，高磁导材料厚度为4mm，绕组上绕线柱的长×宽×高为5mm×3mm×2mm，环型磁铁的高为5mm。

2.3 轮速传感器感应线圈的设计

3 嵌入主动轮速传感器的试验和仿真研究

新型轮速传感器的试验主要是进行电压幅值与转速特性、幅频特性和频率-转速特性测试，如图2所示。交流电压表与数字转速表分别对传感器进行输出电压与转速的标定。

结果表明，嵌入式主动轮速传感器的实际转速-电压幅值特性曲线、实际转速-频率特性曲线与理论计算得到的理想转速-频率特性曲线相近，且输出的电压幅值大、频率下限很低以及输出信号的线性度高。从而可以看出，此轮速传感器的输出信号特性能够准确反映轴的转速情况。在图3中所示的试验记录片段可以看出波形光滑，突变或杂波现象少，故嵌入式的主动ABS轮速传感器抗干扰性好。

4 结语

该项目是辽宁机电职业技术学院与辽宁曙光汽车集团股份有限公司的校企合作项目，是根据用户的具体需要确立的项目，有很高的使用价值。该项目研究的意义在于提高汽车的制动性能，使汽车的使用更加安全，能有效地降低因制动和侧滑所造成的交通事故，提高国产ABS轮速传感器在国内外市场的竞争能力。

本产品研制成功后，其技术指标将达到国内领先水平，完全可替代国外同类产品，与同类进口产品比，本产品性价比高，售价约为进口产品的1/3。该项目实现规模投产后，预计年生产能力为20万只，并使汽车轮速传感器向高精度方向发展，满足汽车车速越来越快的需求，产生显著的经济效益和社会效益。

参考文献

[1] 陆文昌.基于CAN总线的汽车轮速传感器设计[J].传感器技术，2004，（2）.

[2] 张集乐.ABS传感器及其信号处理[J].机械与电子，2007，（12）.

[3] 孙俊，陈彦夫.汽车ABS轮速传感器性能测试系统的实现[J].电子测量与仪器学报，2009，（3）.

[4] 陈彦夫.ABS轮速传感器的性能试验研究[D].合肥工业大学，2008.

基金项目：辽宁省教育厅重点资助科研项目（L2013512）。

作者简介：王德发（1963-），男，辽宁凤城人，辽宁机电职业技术学院教授，硕士。

（责任编辑：周 琼）