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ABS (Anti2lock Brake System)即“防抱死制動系 統”,是采用電子控制技術控制工程網版權所有,在汽車應急制動時,防止車 輪抱死,使車輪獲得最佳制動效率和制動操控穩定性, 防止汽車發生交通事故的機電一體化系統。ABS主要 由輪速傳感器、電子控制器、執行器3 大部分構成。 ABS的工作原理就是在汽車制動過程中,不斷檢測車輪 速度的變化,按一定的控制方法,通過電磁閥調節輪缸 制動壓力,以獲得最高的縱向附著系數和較高的側向附 著系數,使車輪始終處于較好的制動狀態,因此輪速傳 感器性能的高低直接影響汽車ABS性能的高低。傳統 的磁電式輪速傳感器,輸出信號的幅值受車輪軸的輪速 和氣隙影響,當氣隙一定時CONTROL ENGINEERING China版權所有,輪速越高,幅值越大;轉速 一定時,氣隙越小,幅值越大,不易實現低速測量,在信 號處理方面較為復雜。設計的磁阻式輪速傳感器輸出 信號大小不受汽車輪速的影響,且成本低、重量輕,可廣 泛應用于汽車ABS,替代傳統的磁電式輪速傳感器。 1 磁阻式輪速傳感器工作原理 磁阻式輪速傳感器的核心是InSb磁敏電阻,其工 作原理是基于InSb磁敏電阻具有的磁阻效應。所謂 磁阻效應就是指當通有電流的半導體材料置于磁場 中,且磁場方向與電流方向垂直時,由于洛侖茲力的作 用,使載流子的運動方向發生偏轉控制工程網版權所有,從而加長了運動路 徑。從電學量來看,這反映為電阻率的增大控制工程網版權所有,即電阻增 大。當材料相同的兩種載流子(電子和空穴)遷移率 相差懸殊,以至于空穴的遷移率可以忽略不計時,其電 阻率的變化可以用下式表示： 式中: B 為外加磁場的磁感應強度,ρB 、ρ0 是磁感應強 度分別為B 和0時半導體材料的電阻率;μ為半導體 材料中該載流子的遷移率。由于InSb半導體材料的 電子遷移率較高,可以獲得較高的電阻變化率,從而獲 得較高的靈敏度,適合制作磁敏電阻。 InSb磁敏電阻由引腳、磁阻元件MR1和MR2、永 磁體(提供偏置磁場,提高靈敏度) 、絕緣基片、金屬外 殼(屏蔽外部干擾和保護磁阻元件)組成,結構及等效 電路如圖1所示。 當汽車齒輪轉速為零時,兩磁阻元件阻值大致相 等。若加在磁阻元件兩端的電壓為+ 5VDC,則磁阻元 件中點輸出電壓為+ 2. 5VDC。由于偏置磁場的存在, 齒輪轉動時,引起MR1和MR2所處空間的磁場發生 周期性變化,根據物理磁阻效應,磁阻元件的阻值也會 發生周期性變化,這樣在磁阻元件中點就會輸出以 + 2. 5VDC為基準電壓做微小變化的周期性電壓。設 輸出信號頻率、轉速和齒輪數分別為f (Hz) 、n ( r/min) 和Z,則三者關系為: f = nZ /60 (2) 由此,當齒輪齒數一定時,輸出信號的頻率只與車輪 的輪速有關。經過信號處理電路將周期性變化的信號轉 化為方波信號,送入汽車ABS系統的電控單元( ECU) , 就可以根據輸出波形的頻率計算出車輪的輪速。 2 磁阻式輪速傳感器信號處理電路設計 2. 1 信號處理電路的設計要求 (1) 放大電路部分的放大倍數足夠,輸出信號大 小滿足后續電路處理的需要,并能濾掉電磁干擾成分。 (2) 波形轉換電路能正確的將周期性類正弦波 信號轉換為同頻率的方波信號,且車輛振動時產生的 干擾信號對輸出的方波信號頻率無影響。 2. 2 信號處理電路總體分析 磁阻式輪速傳感器信號處理電路如圖2所示,其 中虛線部分表示磁阻元件,信號處理電路由電壓跟隨 器、兩級放大電路、遲滯比較器組成,最終輸出方波信 號。因磁阻式傳感器采集的信號較弱,故整個放大電 路部分采用兩級放大,A1為電壓跟隨器,起到阻抗變 換的作用,可以減小后續電路對磁阻元件的影響; A2、 A3可以實現放大和濾波功能,濾掉電路以及環境中存 在的低頻和高頻干擾,A4為遲滯比較器,可以有效避 免電路干擾引起的輸出跳變,輸出理想的脈沖信號。 整個信號處理電路采用穩壓管7805提供+ 5V直 流電壓,磁敏電阻采集到汽車輪速信號后,通過跟隨器 進入兩級放大電路進行放大控制工程網版權所有,電路采用阻容耦合方式 進行連接,可以消除低頻信號對傳感器的影響,抑制溫 漂,提高電路穩定性。電壓放大倍數可通過設置電阻 R4與R2 , R6與R5的比值實現,比較器的門限電平通過 調節R9設置。利用遲滯比較器,引入了正反饋網絡, 大大提高系統的抗干擾能力,可有效避免汽車行駛過 程中由于路況惡劣產生的電磁干擾和錯誤輸出。 3 實驗性能分析 由于磁阻元件對稱性較好,且電路采用阻容耦合, 比較級采用遲滯比較器,故溫度對電路的影響比較小, 惡劣的環境溫度變化引起的溫漂不會造成電路的誤輸 出。隨機抽取多個InSb磁阻式輪速傳感器樣品與某 廠生產的ABS用磁電式輪速傳感器比較,在同等條件 下, InSb磁阻式輪速傳感器檢測距離可達2. 9mm,環 境溫度在- 30℃～ + 85℃內變化時,能夠輸出比較工 整的脈沖波形,可知其性能良好。研究結果表明,該輪 速傳感器可以實現低頻和高頻信號的測量,在2 ～ 5kHz范圍內工作可靠,能夠滿足汽車ABS輪速傳感 器的需要。 |
