摘要：介紹一種磁阻式輪速傳感器,并設(shè)計(jì)了該輪速傳感器的信號(hào)處理電路,其中包含兩級(jí)帶通濾波放大電路和遲滯比較器;該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低廉。研究結(jié)果表明,磁阻式輪速傳感器工作性能穩(wěn)定可靠,靈敏度高,抗干擾能力強(qiáng),適應(yīng)較高和較低的車(chē)速變化,可廣泛應(yīng)用于汽車(chē)ABS中。
ABS (Anti2lock Brake System)即“防抱死制動(dòng)系 統(tǒng)”,是采用電子控制技術(shù)控制工程網(wǎng)版權(quán)所有,在汽車(chē)應(yīng)急制動(dòng)時(shí),防止車(chē) 輪抱死,使車(chē)輪獲得最佳制動(dòng)效率和制動(dòng)操控穩(wěn)定性, 防止汽車(chē)發(fā)生交通事故的機(jī)電一體化系統(tǒng)。ABS主要 由輪速傳感器、電子控制器、執(zhí)行器3 大部分構(gòu)成。 ABS的工作原理就是在汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中,不斷檢測(cè)車(chē)輪 速度的變化,按一定的控制方法,通過(guò)電磁閥調(diào)節(jié)輪缸 制動(dòng)壓力,以獲得最高的縱向附著系數(shù)和較高的側(cè)向附 著系數(shù),使車(chē)輪始終處于較好的制動(dòng)狀態(tài),因此輪速傳感器性能的高低直接影響汽車(chē)ABS性能的高低。傳統(tǒng) 的磁電式輪速傳感器,輸出信號(hào)的幅值受車(chē)輪軸的輪速 和氣隙影響,當(dāng)氣隙一定時(shí)CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有,輪速越高,幅值越大;轉(zhuǎn)速 一定時(shí),氣隙越小,幅值越大,不易實(shí)現(xiàn)低速測(cè)量,在信 號(hào)處理方面較為復(fù)雜。設(shè)計(jì)的磁阻式輪速傳感器輸出 信號(hào)大小不受汽車(chē)輪速的影響,且成本低、重量輕,可廣 泛應(yīng)用于汽車(chē)ABS,替代傳統(tǒng)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(yīng)。所謂 磁阻效應(yīng)就是指當(dāng)通有電流的半導(dǎo)體材料置于磁場(chǎng) 中,且磁場(chǎng)方向與電流方向垂直時(shí),由于洛侖茲力的作 用,使載流子的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)控制工程網(wǎng)版權(quán)所有,從而加長(zhǎng)了運(yùn)動(dòng)路 徑。從電學(xué)量來(lái)看,這反映為電阻率的增大控制工程網(wǎng)版權(quán)所有,即電阻增 大。當(dāng)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(jì)時(shí),其電 阻率的變化可以用下式表示：
式中: B 為外加磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度,ρB 、ρ0 是磁感應(yīng)強(qiáng) 度分別為B 和0時(shí)半導(dǎo)體材料的電阻率;μ為半導(dǎo)體 材料中該載流子的遷移率。由于InSb半導(dǎo)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(chǎng),提高靈敏度) 、絕緣基片、金屬外 殼(屏蔽外部干擾和保護(hù)磁阻元件)組成,結(jié)構(gòu)及等效 電路如圖1所示。
當(dāng)汽車(chē)齒輪轉(zhuǎn)速為零時(shí),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(diǎn)輸出電壓為+ 2. 5VDC。由于偏置磁場(chǎng)的存在, 齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),引起MR1和MR2所處空間的磁場(chǎng)發(fā)生 周期性變化,根據(jù)物理磁阻效應(yīng),磁阻元件的阻值也會(huì) 發(fā)生周期性變化,這樣在磁阻元件中點(diǎn)就會(huì)輸出以 + 2. 5VDC為基準(zhǔn)電壓做微小變化的周期性電壓。設(shè) 輸出信號(hào)頻率、轉(zhuǎn)速和齒輪數(shù)分別為f (Hz) 、n ( r/min) 和Z,則三者關(guān)系為:
f = nZ /60 (2)
由此,當(dāng)齒輪齒數(shù)一定時(shí),輸出信號(hào)的頻率只與車(chē)輪 的輪速有關(guān)。經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路將周期性變化的信號(hào)轉(zhuǎn) 化為方波信號(hào),送入汽車(chē)ABS系統(tǒng)的電控單元( ECU) , 就可以根據(jù)輸出波形的頻率計(jì)算出車(chē)輪的輪速。
2 磁阻式輪速傳感器信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)
2. 1 信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)要求
(1) 放大電路部分的放大倍數(shù)足夠,輸出信號(hào)大 小滿足后續(xù)電路處理的需要,并能濾掉電磁干擾成分。
(2) 波形轉(zhuǎn)換電路能正確的將周期性類正弦波 信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻率的方波信號(hào),且車(chē)輛振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的 干擾信號(hào)對(duì)輸出的方波信號(hào)頻率無(wú)影響。
2. 2 信號(hào)處理電路總體分析
磁阻式輪速傳感器信號(hào)處理電路如圖2所示,其 中虛線部分表示磁阻元件,信號(hào)處理電路由電壓跟隨 器、兩級(jí)放大電路、遲滯比較器組成,最終輸出方波信 號(hào)。因磁阻式傳感器采集的信號(hào)較弱,故整個(gè)放大電 路部分采用兩級(jí)放大,A1為電壓跟隨器,起到阻抗變 換的作用,可以減小后續(xù)電路對(duì)磁阻元件的影響; A2、 A3可以實(shí)現(xiàn)放大和濾波功能,濾掉電路以及環(huán)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(hào)。
整個(gè)信號(hào)處理電路采用穩(wěn)壓管7805提供+ 5V直 流電壓,磁敏電阻采集到汽車(chē)輪速信號(hào)后,通過(guò)跟隨器 進(jìn)入兩級(jí)放大電路進(jìn)行放大控制工程網(wǎng)版權(quán)所有,電路采用阻容耦合方式 進(jìn)行連接,可以消除低頻信號(hào)對(duì)傳感器的影響,抑制溫 漂,提高電路穩(wěn)定性。電壓放大倍數(shù)可通過(guò)設(shè)置電阻 R4與R2 , R6與R5的比值實(shí)現(xiàn),比較器的門(mén)限電平通過(guò) 調(diào)節(jié)R9設(shè)置。利用遲滯比較器,引入了正反饋網(wǎng)絡(luò), 大大提高系統(tǒng)的抗干擾能力,可有效避免汽車(chē)行駛過(guò) 程中由于路況惡劣產(chǎn)生的電磁干擾和錯(cuò)誤輸出。
3 實(shí)驗(yàn)性能分析
由于磁阻元件對(duì)稱性較好,且電路采用阻容耦合,比較級(jí)采用遲滯比較器,故溫度對(duì)電路的影響比較小, 惡劣的環(huán)境溫度變化引起的溫漂不會(huì)造成電路的誤輸 出。隨機(jī)抽取多個(gè)InSb磁阻式輪速傳感器樣品與某 廠生產(chǎn)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(cè)距離可達(dá)2. 9mm,環(huán) 境溫度在- 30℃～ + 85℃內(nèi)變化時(shí),能夠輸出比較工 整的脈沖波形,可知其性能良好。研究結(jié)果表明,該輪 速傳感器可以實(shí)現(xiàn)低頻和高頻信號(hào)的測(cè)量,在2 ～ 5kHz范圍內(nèi)工作可靠,能夠滿足汽車(chē)ABS輪速傳感 器的需要。
