陸博汽車電子（曲阜）有限公司，山東曲阜 273100

一、前言

隨著汽車市場(chǎng)的保有量連續(xù)多年的高速增長(zhǎng)，人們對(duì)于汽車駕駛安全技術(shù)的要求也越來(lái)越高，尤其是主動(dòng)安全技術(shù)。無(wú)論是如今應(yīng)用廣泛的防抱死系統(tǒng)（Antilock Brake System，ABS）、車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)（Electronic Stability Program，ESP），還是逐漸興起的高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driver Assistance System，ADAS），汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)（Forward Collision Warning System，F(xiàn)CWS），都需要準(zhǔn)確地獲取當(dāng)前輪速，或者通過(guò)汽車ECU對(duì)輪速信號(hào)進(jìn)行邏輯計(jì)算估算出汽車速度[1]。

本文主要是對(duì)市場(chǎng)主流的輪速傳感器工作原理和信號(hào)特征進(jìn)行分析說(shuō)明，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)性地對(duì)輪速傳感器應(yīng)用進(jìn)行實(shí)例介紹，同時(shí)對(duì)輪速傳感器的發(fā)展做出展望。

二、輪速信號(hào)的采集

輪速信號(hào)的采集過(guò)程實(shí)際上可以看作是對(duì)旋轉(zhuǎn)件的測(cè)速過(guò)程。轉(zhuǎn)速測(cè)量常用的光電式、電渦流式和電磁式等也曾應(yīng)用于汽車輪速信號(hào)的測(cè)量[2]。相比較而言，電磁式輪速傳感器工作可靠，價(jià)格合適，受環(huán)境因素（如溫度、灰塵等）的影響較小，基于以上優(yōu)點(diǎn)，電磁式輪速傳感器在輪速信號(hào)的采集中應(yīng)用廣泛。

電磁式輪速傳感器大致分為電感式、霍爾式和磁阻式三種類型。其中，電感式輪速傳感器是被動(dòng)式輪速傳感器，又稱無(wú)源輪速傳感器；相對(duì)應(yīng)的，霍爾式和磁阻式輪速傳感器是主動(dòng)式輪速傳感器，也稱有源輪速傳感器[3]，有一個(gè)電源電路為傳感器提供外部電壓供電，在外部供電無(wú)法提供時(shí)，主動(dòng)式輪速傳感器將無(wú)輪速信號(hào)產(chǎn)生。

1、電感式輪速傳感器

電感式輪速傳感器基于電磁感應(yīng)原理，利用電磁感應(yīng)把被測(cè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。

由電磁感應(yīng)定律可知，通過(guò)回路面積的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如公式（1）所示：

式中，E—感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；

K—比例系數(shù)，一般取1；

Φ—磁通量；

t—時(shí)間；

dΦ/dt—線圈的磁通量變化率；

v—齒圈轉(zhuǎn)速；

δ—傳感器與齒圈氣隙。

相應(yīng)的，N匝線圈對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)表示為：

由式（1）、（2）可見，磁通量的變化決定了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的輸出，磁通量的變化頻率決定了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的輸出頻率。電感式輪速傳感器工作原理結(jié)構(gòu)如圖1 所示[4]。

當(dāng)車輪運(yùn)動(dòng)時(shí)，齒圈隨半軸轉(zhuǎn)動(dòng)，齒圈的齒形變化引起齒圈與永久磁鐵間隙的變化，繼而對(duì)磁通量造成影響，感應(yīng)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨之變化。通過(guò)對(duì)輸出電勢(shì)的頻率統(tǒng)計(jì)，可知車輪轉(zhuǎn)速為：

式中，n—車輪轉(zhuǎn)速；

P—系數(shù)，一般根據(jù)單位調(diào)整；

f—感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)頻率；

z—齒數(shù)。

2、霍爾式輪速傳感器

霍爾式輪速傳感器基于霍爾效應(yīng)，由霍爾組件結(jié)合電子元件組成，霍爾元件外加與電流方向垂直的磁場(chǎng)，在霍爾元件的兩端會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，即霍爾電勢(shì)差。

霍爾效應(yīng)是在霍爾電場(chǎng)作用下，形成霍爾電勢(shì)差UH：

式中，I—輸入電流；

B—磁感應(yīng)強(qiáng)度；

n—自由電子濃度；

e—電子電荷量；

d—霍爾元件厚度；

KH—霍爾系數(shù)，定義霍爾元件的靈敏度，僅與元件材料有關(guān)，為一常量。

由式（4）可見，UH、I和B三者確定其中兩個(gè)，另一個(gè)參數(shù)也就確定。

值得注意的是，自由電子濃度n受溫度影響較大，要注意消除溫度變化造成的影響。

霍爾式輪速傳感器工作原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。具有磁化軌道的轉(zhuǎn)軸或磁性軸用于產(chǎn)生磁場(chǎng)，永久背磁用于產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。A和B可統(tǒng)稱為編碼器。

車輪運(yùn)動(dòng)時(shí)，編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，霍爾式輪速傳感器檢測(cè)到編碼器的磁通量的大小變化。通常傳感器內(nèi)部包含兩個(gè)霍爾元件，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生具有一定相位差的波形，兩波形經(jīng)差分放大，實(shí)現(xiàn)精度和靈敏度的提高。

車輪轉(zhuǎn)速也可用式（3）表示，其中f表示為霍爾電壓的信號(hào)頻率。

3、磁阻式輪速傳感器

可變磁阻式輪速傳感器基于磁阻效應(yīng)，與霍爾效應(yīng)類似的是，在磁阻效應(yīng)元件上接通電流和通過(guò)磁場(chǎng)，這里的磁場(chǎng)與電流成角度α設(shè)置，如圖3，這樣磁場(chǎng)耦合到磁阻效應(yīng)元件（一般為鐵磁材料制作的薄板，稱之為韋斯磁疇[5]）方向的磁通量的變化率發(fā)生變化，從而改變?cè)碾娮瑁ㄏ禂?shù)）。

當(dāng)外部磁場(chǎng)與磁阻元件中的電流之間的夾角α發(fā)生變化時(shí)，磁阻元件電阻R變化，有：

式中，R0—磁場(chǎng)方向垂直于薄板方向時(shí)電阻大??；

圖4中可以看到，當(dāng)α=90°時(shí)，磁阻元件電阻R最?。划?dāng)α=180°（0°）時(shí)，磁阻元件電阻R最大。

磁阻元件一般后接電橋進(jìn)行信號(hào)處理，惠斯通電橋如圖4。磁阻元件做為Rx，根據(jù)電橋原理，Rx的變化引起R1和R3兩端電壓差ΔV的變化，通過(guò)對(duì)ΔV實(shí)現(xiàn)對(duì)Rx變化率的放大。

與霍爾元件的信號(hào)處理類似，當(dāng)需要消除零點(diǎn)漂移時(shí)可以做差分處理，磁阻元件可以通過(guò)添加磁阻元件以及調(diào)整電橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行差分放大，一般常用的是采用六橋結(jié)構(gòu)。

車輪轉(zhuǎn)速也可用式（3）表示，其中，f表示為霍爾電壓的信號(hào)頻率。

三、輪速信號(hào)的處理

輪速信號(hào)采集后，還需要進(jìn)行限幅、濾波等信號(hào)處理，從而使汽車ECU能夠使用更穩(wěn)定有效的輪速信息。

1、輪速信號(hào)類型

輪速信號(hào)采集后，首先要區(qū)分輪速信號(hào)類型。輸出信號(hào)類型主要有以下四種，如圖5所示。

圖5（a）中表示被動(dòng)式輪速傳感器的輸出波形，這是一種類似于正弦波的波形，其頻率、幅值的變化與氣隙（傳感器測(cè)試端外表面與靶目標(biāo)間的距離）和編碼器的旋轉(zhuǎn)頻率有關(guān)。如某轎車實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)氣隙固定為0.8mm，在車速為15km/h時(shí)，輪速傳感器輸出信號(hào)頻率95Hz左右，電壓幅值0.5V左右；在車速為1205km/h時(shí)，輪速傳感器輸出信號(hào)頻率761Hz左右，電壓幅值5.3V左右。

圖5（b）、（c）、（d）中表示主動(dòng)式輪速傳感器的輸出波形，一般采用霍爾元件或磁阻元件。

圖5（b）表示高低電流交替進(jìn)行的方波信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，在傳感器允許的氣隙范圍內(nèi)，方波信號(hào)的參數(shù)是基本一致的，或者說(shuō)是有效的。這里的參數(shù)主要包括高電流IH、低電流IL和占空比t/T（一般為50%），參數(shù)有效體現(xiàn)在數(shù)值處于一定區(qū)間內(nèi)，這主要是由芯片性能確定，一般要求IH處于11.5mA～16.8mA，IL處 于 5.7mA～9.6mA， 占 空 比30%～70%。輸出參數(shù)穩(wěn)定有效，與輪速傳感器相連接的處理單元才能夠有效識(shí)別出輪速。

圖5（c）、（d）中的傳感器相當(dāng)于圖5（b）中傳感器的升級(jí)版，表現(xiàn)在通過(guò)一定的方式體現(xiàn)出轉(zhuǎn)速外更多的信息。

圖5（c）中方波Xn的脈寬相對(duì)于半周期t1較窄（這里要注意的是：相對(duì)于圖5（b），PWM協(xié)議傳感器占空比也是50%的上下區(qū)間，但不是tx/t1，而是t1/T），這是該類傳感器通過(guò)脈寬調(diào)制的方式輸出額外信息，包括安裝氣隙的變化、車輪的正反轉(zhuǎn)以及其他的警告信息。

圖5（d）中的電流輸出多出了一系列電流方波，這一類傳感器通過(guò)電流方波組成的序列提供了附加信息，包括氣隙儲(chǔ)備、車輪正反轉(zhuǎn)等。相對(duì)于PWM協(xié)議的輪速傳感器，AK協(xié)議的輪速傳感器面對(duì)接近靜止的低速情況下，以及靜止情況（輪速為0）下具有更好的信息，體現(xiàn)在靜止情況下，AK協(xié)議中的輪速方波消失，但是后面9位的信息方波依然能夠輸出。

圖5（c）、（d）中的方波類型我們統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)協(xié)議，具有數(shù)據(jù)協(xié)議的輪速傳感器最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠判定車輪的正反轉(zhuǎn)，這大大提高了輪速傳感器在智能方面的應(yīng)用，如車輛駕駛狀態(tài)的判斷和應(yīng)用相關(guān)的主動(dòng)安全技術(shù)，包括電子駐車（Electrical Parking Brake，EPB）、坡道輔助技術(shù)（Hill-start AssistControL，HA C）。隨著汽車智能化程度的不斷提高，自動(dòng)泊車技術(shù)甚至無(wú)人駕駛技術(shù)的愈加成熟，智能式輪速傳感器也將發(fā)揮更大的作用。

2、輪速信號(hào)處理

當(dāng)輪速傳感器在車身安裝固定好后，輪速信號(hào)的影響因素主要包括因震蕩導(dǎo)致的氣隙變化和齒圈的表面整潔度。另外，輪速信號(hào)隨車輪轉(zhuǎn)速的輸出信號(hào)，應(yīng)是便于汽車ECU接收和處理的方波信號(hào)，也就是輪速傳感器需要對(duì)輸入信號(hào)（根據(jù)前面所述輪速信號(hào)采集方式的不同，輸入信號(hào)應(yīng)包括模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)）進(jìn)行波形調(diào)制、穩(wěn)壓、濾波以及智能式的補(bǔ)償調(diào)節(jié)等，要提高輪速測(cè)量的精度和準(zhǔn)確性，輪速信號(hào)處理電路應(yīng)具有的功能包括[6]：

（1）正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻率的方波信號(hào)（相對(duì)于被動(dòng)式輪速傳感器）；

（2）抑制噪聲干擾；

（3）降低氣隙變化對(duì)輪速信號(hào)的影響。

基于以上功能，輪速信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)如圖6所示。其中，限幅處理主要相對(duì)于輸出波形微類正弦的信號(hào)，一般采用穩(wěn)壓管，將輸出信號(hào)的輸出幅值限制在目標(biāo)值。其限幅特性表現(xiàn)為：當(dāng)穩(wěn)壓管選取限制電壓為V時(shí)，輸入信號(hào)Vi>V時(shí)，輸出信號(hào)VO=V，Vi

濾波電路要將信號(hào)中的噪聲干擾信號(hào)濾除和衰減，一般來(lái)說(shuō)，衰減高頻雜波是主要目的，這樣采用有源低通濾波電路，同時(shí)采用放大器芯片組合放大，從而得到有效的輪速信號(hào)。

四、輪速傳感器應(yīng)用舉例

輪速傳感器的典型應(yīng)用體現(xiàn)在防抱死系統(tǒng)（Antilock Brake System，ABS）中，ABS是針對(duì)車輛行駛過(guò)程中車輪抱死產(chǎn)生的問(wèn)題。當(dāng)車輪抱死滑移，車輪與路面間的側(cè)向附著力將完全消失，汽車運(yùn)動(dòng)將難以控制：前輪抱死情況下汽車失去轉(zhuǎn)向能力；后輪抱死情況下汽車發(fā)生側(cè)滑甩尾；當(dāng)車輪全部抱死情況下，汽車發(fā)生水滑現(xiàn)象。

當(dāng)車輪處于滾動(dòng)狀態(tài)下，駕駛員就能夠把握汽車的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)可以縮短制動(dòng)距離，這也就是ABS的意義所在。通過(guò)輪速傳感器獲取的速度信號(hào)，汽車ECU判斷是否有車輪即將抱死，從而對(duì)輪缸壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，使剎車效率達(dá)到90%以上。

輪速傳感器在車輛的安裝如圖7所示。安裝時(shí)，傳感器頭與齒圈之間應(yīng)留有一段約3mm以內(nèi)的間隙（即氣隙）。同時(shí)注意在安裝前應(yīng)向傳感器加注潤(rùn)滑脂，以防止水、泥或灰塵等對(duì)傳感器工作產(chǎn)生影響，氣隙不在要求范圍內(nèi)或齒圈表面不清潔等，可能造成輸出信號(hào)的丟齒、電流值不合格或者高低電流不轉(zhuǎn)換等錯(cuò)誤模式，如圖8所示。

針對(duì)這種情況，齒圈與傳感器置于封閉環(huán)境是必然情況，包括油封、墊片等防油、防水的措施，以及齒圈材料上也應(yīng)具有更好的防腐蝕性，傳感器注塑料的選擇等。提高傳感器和齒圈的使用穩(wěn)定性決定了輪速信號(hào)的輸出穩(wěn)定性，進(jìn)而對(duì)ABS的有效使用發(fā)揮重要作用。

五、輪速傳感器發(fā)展展望

輪速傳感器的設(shè)計(jì)過(guò)程一般是主機(jī)廠提供需求，配件廠進(jìn)行匹配和推薦，也有主機(jī)廠會(huì)對(duì)傳感器的部件進(jìn)行指定（如支架類型、芯片類型等）。就現(xiàn)在多數(shù)的訂單使用情況來(lái)說(shuō)，我們更多地推薦智能型主動(dòng)輪速傳感器，也有不少主機(jī)廠會(huì)要求如此。從使用情況來(lái)看，汽車的智能化駕駛水平越來(lái)越高，智能型輪速傳感器所提供的補(bǔ)充信息能夠?yàn)槠嘐CU提供使用參數(shù)，因此使用量必然逐步增大。

基于提到的汽車智能駕駛，這里對(duì)輪速傳感器的發(fā)展趨勢(shì)簡(jiǎn)單分析：

1、雙芯片輪速傳感器

雙芯片的設(shè)計(jì)最開始在單片機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用，主要用于冗余系統(tǒng)的構(gòu)建，冗余傳感器的設(shè)計(jì)直觀來(lái)說(shuō)是一個(gè)齒圈有兩個(gè)輪速傳感器進(jìn)行探測(cè)和信號(hào)輸出。我司雙芯片輪速傳感器的作用主要有以下兩點(diǎn)：

（1）提高信號(hào)準(zhǔn)確性和有效性

傳感器輸出的兩路信號(hào)在后面的芯片中進(jìn)行一系列包括濾波、差分計(jì)算等更加有效地減小測(cè)試值與真實(shí)值之間的誤差，并能夠極大減小數(shù)據(jù)傳輸線路損失造成的數(shù)據(jù)質(zhì)量降級(jí)等對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

（2）提高系統(tǒng)可靠性

若發(fā)生傳感器故障導(dǎo)致傳感器無(wú)法正常工作的情況，備用芯片能夠進(jìn)行替代工作，繼續(xù)進(jìn)行輪速信號(hào)輸出，由此減少系統(tǒng)的故障時(shí)間，增加系統(tǒng)的可靠性。

2、無(wú)線輪速傳感器

為了應(yīng)用更復(fù)雜的底盤結(jié)構(gòu)，開發(fā)出無(wú)線輪速傳感器，通過(guò)設(shè)置無(wú)線信號(hào)傳輸協(xié)議將傳輸信號(hào)輸入汽車ECU或總線，其最大優(yōu)勢(shì)在于對(duì)車輛車型的完美適應(yīng)，大量節(jié)省工作人員的設(shè)計(jì)時(shí)間，但是缺點(diǎn)比較明顯，需要進(jìn)行后續(xù)的更多驗(yàn)證（包括EMC測(cè)試、信號(hào)穩(wěn)定性測(cè)試等）。

當(dāng)然，隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，智能化水平的不斷提高，對(duì)輪速信號(hào)的可靠性和穩(wěn)定性的要求也更高，短時(shí)期的發(fā)展趨勢(shì)如上所述。

六、結(jié)束語(yǔ)

輪速信號(hào)的有效獲取在汽車安全系統(tǒng)中十分重要，本文對(duì)輪速傳感器的類型和信號(hào)處理的一般方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述，分析了其主要特點(diǎn)，描述了輪速傳感器的使用原理、類型以及安裝環(huán)境等。穩(wěn)定有效的輪速信號(hào)是相關(guān)安全系統(tǒng)正常觸發(fā)的基礎(chǔ)，汽車智能化水平的提高對(duì)輪速傳感器提出了可靠性和精度等更高的要求，輪速傳感器的設(shè)計(jì)也必將不斷改善，為安全駕駛和智能駕駛提供準(zhǔn)確度和適用性更高的信號(hào)。