磁阻式輪速傳感器在A(yíng)BS中的應用

ABS (Anti2lock Brake System)即“防抱死制動(dòng)系 統”,是采用電子控制技術(shù)控制工程網(wǎng)版權所有,在汽車(chē)應急制動(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)操控穩定性, 防止汽車(chē)發(fā)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(chē)制動(dòng)過(guò)程中,不斷檢測車(chē)輪 速度的變化,按一定的控制方法,通過(guò)電磁閥調節輪缸 制動(dòng)壓力,以獲得最高的縱向附著(zhù)系數和較高的側向附 著(zhù)系數,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 的磁電式輪速傳感器,輸出信號的幅值受車(chē)輪軸的輪速 和氣隙影響,當氣隙一定時(shí)CONTROL ENGINEERING China版權所有,輪速越高,幅值越大;轉速 一定時(shí),氣隙越小,幅值越大,不易實(shí)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(chē)輪速的影響,且成本低、重量輕,可廣 泛應用于汽車(chē)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(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,使載流子的運動(dòng)方向發(fā)生偏轉控制工程網(wǎng)版權所有,從而加長(cháng)了運動(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(shí),其電 阻率的變化可以用下式表示：



式中: B 為外加磁場(chǎng)的磁感應強度,ρB 、ρ0 是磁感應強 度分別為B 和0時(shí)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(chǎng),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(chē)齒輪轉速為零時(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,根據物理磁阻效應,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(guān)系為:

f = nZ /60 (2)

由此,當齒輪齒數一定時(shí),輸出信號的頻率只與車(chē)輪 的輪速有關(guān)。經(jīng)過(guò)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(chē)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(chē)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(mǎn)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(lèi)正弦波 信號轉換為同頻率的方波信號,且車(chē)輛振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的 干擾信號對輸出的方波信號頻率無(wú)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(xiàn)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(gè)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(shí)現放大和濾波功能,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。



整個(gè)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(chē)輪速信號后,通過(guò)跟隨器 進(jìn)入兩級放大電路進(jìn)行放大控制工程網(wǎng)版權所有,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(guò)設置電阻 R4與R2 , R6與R5的比值實(shí)現,比較器的門(mén)限電平通過(guò) 調節R9設置。利用遲滯比較器,引入了正反饋網(wǎng)絡(luò ), 大大提高系統的抗干擾能力,可有效避免汽車(chē)行駛過(guò) 程中由于路況惡劣產(chǎn)生的電磁干擾和錯誤輸出。

3 實(shí)驗性能分析

由于磁阻元件對稱(chēng)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(huán)境溫度變化引起的溫漂不會(huì )造成電路的誤輸 出。隨機抽取多個(gè)InSb磁阻式輪速傳感器樣品與某 廠(chǎng)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距離可達2. 9mm,環(huán) 境溫度在- 30℃～ + 85℃內變化時(shí),能夠輸出比較工 整的脈沖波形,可知其性能良好。研究結果表明,該輪 速傳感器可以實(shí)現低頻和高頻信號的測量,在2 ～ 5kHz范圍內工作可靠,能夠滿(mǎn)足汽車(chē)ABS輪速傳感 器的需要。