楊英杰

摘? 要：主要論述一種輪速傳感器，它分為無(wú)源磁電被動(dòng)式傳感器和有源霍爾主動(dòng)式傳感器，是以導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)為基礎(chǔ)的。它安裝于車(chē)輪上，主要為ABS（防抱死制動(dòng)系統(tǒng)）開(kāi)發(fā)的。為了防止車(chē)輪抱死，控制程序必須知道單個(gè)車(chē)輪的速度，足以可見(jiàn)，輪速傳感器在汽車(chē)上的重要性。

關(guān)鍵詞：輪速;傳感器;ABS;磁電

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.34? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2019）03-0028-05

Abstract： This paper mainly discusses a kind of wheel speed sensor， which is divided into passive magnetoelectronic passive sensor and active Hall sensor. It is based on the electromotive force generated by the relative motion of conductor and magnetic field. It is installed on wheels， mainly developed for ABS （Anti-lock Braking System）. In order to prevent the wheel from locking， the control program must know the speed of a single wheel， enough to see the importance of the wheel speed sensor in the car.

Key Words： wheel speed; sensor; ABS; magnetoelectric

1? ? 項(xiàng)目背景

隨著國(guó)家對(duì)汽車(chē)交通安全的重視程度，已陸續(xù)出臺(tái)了很多強(qiáng)制法規(guī)和措施，要求商用車(chē)和乘用車(chē)必須具有防抱死制動(dòng)系統(tǒng)ABS（Antilock Braking System），用于輔助駕駛。它是在制動(dòng)過(guò)程中防止車(chē)輪被制動(dòng)抱死，提高汽車(chē)的方向穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向操縱能力，縮短制動(dòng)距離的安全裝置[1]。其基本的原理是ABS控制單元ECU根據(jù)相關(guān)輪速傳感器的信號(hào)，對(duì)制動(dòng)車(chē)輪的滑移情況進(jìn)行計(jì)算和判斷，然后輸出控制信號(hào)，通過(guò)控制制動(dòng)力，以使車(chē)輪不被抱死。其中，輪速傳感器的輸出信號(hào)是ABS控制器進(jìn)行控制的主要依據(jù)，為此需重新開(kāi)發(fā)一種輪速傳感器用以適應(yīng)汽車(chē)需求。

2? ? 輪速傳感器的種類(lèi)

防抱死系統(tǒng)ABS一般由輪速傳感器（WSS）、電子控制單元（ECU）和液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)（HU）三部分組成。輪速傳感器分為無(wú)源磁電被動(dòng)式傳感器和有源霍爾主動(dòng)式傳感器。

因該篇論文主要是基于中重卡的工況而開(kāi)發(fā)的輪速傳感器，根據(jù)其工作特點(diǎn)，本文重點(diǎn)講述適應(yīng)該環(huán)境下的磁電式輪速傳感器的開(kāi)發(fā)過(guò)程。

3? ? 磁電式輪速傳感器

磁電式輪速傳感器，一般稱(chēng)為無(wú)源被動(dòng)式輪速傳感器，是因?yàn)樗恍枰娏?yīng)。

3.1? ?基本原理

磁電傳感器是以導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)為基礎(chǔ)的。根據(jù)磁電感應(yīng)定律，具有N匝的線(xiàn)圈內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的大小取決于貫穿該線(xiàn)圈的磁通Φ的變化速率[2]，即：e=-N×dΦ/dt

如果以運(yùn)動(dòng)的速度來(lái)表示，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的大小也可寫(xiě)成：

式中，B為氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為T(mén)（Wb/m2）;l為線(xiàn)圈導(dǎo)線(xiàn)的總長(zhǎng)度，單位為m; dx/dt為線(xiàn)圈和磁鐵間相對(duì)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的線(xiàn)速度，單位為m/s。

3.2? ?技術(shù)要求

根據(jù)整車(chē)使用環(huán)境，為保證傳感器的性能可靠性和穩(wěn)定性，輪速傳感器需滿(mǎn)足如下技術(shù)條件：

1、ABS傳感器與彈簧襯套配套使用，整車(chē)安裝后拉拔力120+80-20N;

2、傳感器工作溫度范圍：-40℃～200℃;

線(xiàn)纜的溫度范圍：-40℃～180℃;

插接件的溫度范圍：-40℃～80℃;

3、傳感器的輸出：阻值為（ 1550±150 ）Ω（25℃）;

電感為（0.8 ～ 1.2）H（f=1000Hz）;

4、在齒數(shù)Z=100，直徑D=138mm的齒輪配套測(cè)試：

傳感器與齒圈的間隙為（1±0.05）mm ，信號(hào)頻率為f=22Hz時(shí)，感應(yīng)電壓峰-峰值不小于0.2V。

3.3? ?傳感器結(jié)構(gòu)及介紹

3.3.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

磁電式輪速傳感器由傳感器頭和齒圈兩部分組成，傳感器頭由永磁鐵、極軸、感應(yīng)線(xiàn)圈等組成。圖1為磁電式輪速傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

傳感器頭被線(xiàn)圈包圍直接安裝于齒圈上方。傳感器感應(yīng)端正對(duì)齒圈齒頂，并保持徑向間隙δ。傳感器內(nèi)裝有電感線(xiàn)圈，極軸的圓柱部分貫穿線(xiàn)圈中心，磁鋼（永磁鐵）的磁力線(xiàn)通過(guò)線(xiàn)圈中心及極軸、傳感器殼體、飛輪等形成閉合回路。當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)齒根和齒頂部分周期性地接近傳感器的感應(yīng)端，使磁路的氣隙長(zhǎng)度、磁阻隨之變化，從而引起線(xiàn)圈電感和電流的改變，對(duì)于Z齒的齒輪就產(chǎn)生Z次周期變化。在傳感器的輸出端形成周期性正弦波，通過(guò)儀表的整形、濾波以及數(shù)據(jù)處理，在儀表指示器上指示出相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

傳感器的信號(hào)隨轉(zhuǎn)速變化，信號(hào)幅值在1～15V的范圍內(nèi)變化。當(dāng)車(chē)速很低時(shí)，傳感器輸出的信號(hào)小，信號(hào)無(wú)法傳到電腦。圖2為傳感器的輸出信號(hào)。

3.3.2 工作原理

磁電感應(yīng)式輪速傳感器就是利用電磁感應(yīng)原理做成的，其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

當(dāng)齒圈的齒隙與傳感器的磁極端部相對(duì)時(shí)，磁極端部與齒圈間的空氣間隙最大，傳感器永磁性磁極產(chǎn)生的磁力線(xiàn)不容易通過(guò)齒圈，感應(yīng)線(xiàn)圈周?chē)拇艌?chǎng)最弱;當(dāng)齒圈的齒頂與傳感器的磁極端部相對(duì)時(shí)，磁極端部與齒頂間的空氣間隙最小，傳感器永磁性磁極產(chǎn)生的磁力線(xiàn)容易通過(guò)齒圈，感應(yīng)線(xiàn)圈周?chē)拇艌?chǎng)較強(qiáng)。汽車(chē)在行駛過(guò)程中，齒圈上的齒頂和齒隙交替通過(guò)永久磁鐵的磁場(chǎng)，整個(gè)回路中的磁通量隨之發(fā)生變化，在線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。通過(guò)檢測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的波形信號(hào)可以計(jì)算出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

3.3.3 安裝位置和線(xiàn)路設(shè)計(jì)

圖4為傳感器的安裝位置示意圖。傳感器布置在每個(gè)車(chē)輪處。轉(zhuǎn)子與輪轂一體化或布置在一起，定子在制動(dòng)底板上，并保持較小的間隙。其信號(hào)可以反映車(chē)輪的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、角加速度，以及產(chǎn)生抱死信號(hào)、轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)。

傳感器的安裝必須保證能產(chǎn)生可靠正確的信號(hào)，傳感器底部與齒頂?shù)拈g隙一般控制在1-2mm范圍以?xún)?nèi)。

傳感器的軸向應(yīng)垂直于齒圈的徑向，最大偏差角度為2.5。

齒輪材料采用導(dǎo)磁率大的金屬材料，如45鋼。齒形為漸開(kāi)線(xiàn)齒形，齒與齒間的間距及齒的寬度對(duì)測(cè)速影響較大，當(dāng)齒與齒的間距過(guò)小時(shí)，可能導(dǎo)致傳感器無(wú)輸出，嚴(yán)重影響測(cè)量，因此齒形要按要求加工。

在整車(chē)的線(xiàn)路設(shè)計(jì)中，通常采用二芯電纜線(xiàn)將傳感器與ECU連接起來(lái)，但要求連接線(xiàn)路部分具有低接觸電阻、在動(dòng)態(tài)沖擊影響下通過(guò)連接的接插件和端子具有抗腐蝕能力。

3.3.4 應(yīng)用電路

磁電式輪速傳感器工作時(shí)如同傳導(dǎo)ac電流的發(fā)電機(jī)一樣工作。因此簡(jiǎn)單的解決方案就是使用微分放大器。然而在汽車(chē)應(yīng)用上，沒(méi)有可用的負(fù)供應(yīng)源，即需要一個(gè)特殊的電路。

3.3.5 磁鋼的選型

目前，常用的永磁材料有鋁鎳鈷（Alnico）、鋇鐵氧體（Ba—Ferrite）和鍶鐵氧體（Sr-Ferrite）、釤鈷（SmCo 2：17型和SmCo 1：5型）和釹鐵硼（NdFeB），這是按發(fā)明的先后順序排列的;若按年產(chǎn)噸位排列則為：鐵氧體、釹鐵硼、鋁鎳鈷、釤鈷;若按銷(xiāo)售額排列則為：鐵氧體和釹鐵硼并列第一，然后是釤鈷、鋁鎳鈷。

在選擇使用磁鋼類(lèi)型時(shí)，需從磁通量、磁通密度、剩磁、磁場(chǎng)強(qiáng)度、矯頑力特性參數(shù)及使用溫度范圍來(lái)選擇磁鋼。所以，選擇釤鈷磁鋼用于輪速傳感器為較優(yōu)方案。

釤鈷磁鋼是由釤、鈷和其它金屬稀土材料經(jīng)配比，溶煉成合金，經(jīng)粉碎、壓型、燒結(jié)后制成的一種磁性材料，具有高磁能積、極低的溫度系數(shù)，最高工作溫度可達(dá)350℃，負(fù)溫不限，在工作溫度180℃以上時(shí)，其及溫度穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性均超過(guò)釹鐵硼永磁材料。具有很強(qiáng)的抗腐蝕和抗氧化性;所以被廣泛應(yīng)用在航空航天、國(guó)防軍工、微波器件、通訊、醫(yī)療設(shè)備、儀器、儀表，各種磁性傳動(dòng)裝置，傳感器，磁處理器，電機(jī)，磁力起重機(jī)等。它具有如下特點(diǎn)：

1、非常好的矯頑性。

2、良好的溫度穩(wěn)定性。

3、價(jià)格昂貴，易受價(jià)格波動(dòng)（鈷市場(chǎng)價(jià)格敏感）。

3.3.6 線(xiàn)圈的選型

用于產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的線(xiàn)圈采用可焊性漆包線(xiàn)。由于輪速傳感器在特定條件下，極高的溫度要求，在漆包線(xiàn)的選型中最好使用聚酰亞胺漆包線(xiàn)。聚酰亞胺是目前有機(jī)類(lèi)漆包線(xiàn)中耐熱等級(jí)最高的漆包線(xiàn)漆，其長(zhǎng)期使用溫度可達(dá)220以上。

聚酰亞胺是綜合性能最佳的有機(jī)高分子材料之一，耐高溫達(dá) 400℃以上 ，長(zhǎng)期使用溫度范圍-200～300℃，無(wú)明顯熔點(diǎn)，高絕緣性能，103赫下介電常數(shù)4.0，介電損耗僅0.004～0.007。

3.3.7 溫度影響

在磁電式傳感器中溫度影響是一個(gè)重要的問(wèn)題，必須加以計(jì)算。

永久磁鋼的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨溫度的增加而減小，所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e也隨溫度的增加而減小。傳感器的線(xiàn)圈是用銅線(xiàn)繞制而成的，所以線(xiàn)圈電阻R的溫度系數(shù)是正的，溫度每增加10℃，電阻大約增加4%。

3.3.8 磁電式輪速傳感器的缺陷

磁電式輪速傳感器的輸出電動(dòng)勢(shì)取決于線(xiàn)圈中磁場(chǎng)變化的速度，因而它是與被測(cè)速度成一定比例關(guān)系。當(dāng)車(chē)輪轉(zhuǎn)速越高時(shí)，其電動(dòng)勢(shì)越大，反之，當(dāng)車(chē)輪轉(zhuǎn)速越低時(shí)，其電動(dòng)勢(shì)越小。如果轉(zhuǎn)速太低時(shí)，輸出電動(dòng)勢(shì)很小，以致無(wú)法測(cè)量。所以，磁電式輪速傳感器一般有一個(gè)下限工作頻率，一般為50Hz。對(duì)于汽車(chē)來(lái)說(shuō)，當(dāng)汽車(chē)車(chē)速太低時(shí)，因磁電式輪速傳感器無(wú)法輸出有效信號(hào)，電子控制單元ECU無(wú)法采集到具體電壓，則防抱死系統(tǒng)ABS不會(huì)正常工作，對(duì)汽車(chē)的安全輔助駕駛帶來(lái)影響。如上所述，它具有如下缺陷：

1、頻率響應(yīng)不高。當(dāng)車(chē)速過(guò)高時(shí)，傳感器的頻率響應(yīng)跟不上，容易產(chǎn)生誤信號(hào)。

2、抗電磁波干擾能力差，尤其是輸出信號(hào)振幅值較小時(shí)。

目前，國(guó)內(nèi)外測(cè)速范圍一般為15-160km/h，今后要求控制速度范圍擴(kuò)大到8-260km/h以至更大，顯然磁電式輪速傳感器很難適應(yīng)。

4? ? 霍爾式輪速傳感器

基于磁電式輪速傳感器的缺陷，在此簡(jiǎn)要對(duì)霍爾式輪速傳感器介紹。霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)原理將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電動(dòng)勢(shì)的傳感器。因其需提供外部電能，因此將其稱(chēng)為主動(dòng)式輪速傳感器[3]。

4.1? ?霍爾效應(yīng)

圖5所示的金屬或半導(dǎo)體薄片，若在它的兩端通過(guò)控制電流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)，那么，在垂直于電流和磁場(chǎng)方向上（即霍爾輸出端之間）將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)UH（霍爾電動(dòng)勢(shì)或霍爾電壓）。這種現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。

4.2? ?霍爾器件

霍爾器件分為：霍爾元件和霍爾集成電路兩大類(lèi)，前者是一個(gè)簡(jiǎn)單的霍爾片，使用時(shí)常常需要將獲得的霍爾電壓進(jìn)行放大。后者將霍爾片和它的信號(hào)處理電路集成在同一個(gè)芯片上。

4.3? ?霍爾開(kāi)關(guān)電路

霍爾開(kāi)關(guān)電路又稱(chēng)霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組成。在外磁場(chǎng)的作用下，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)導(dǎo)通閾值BOP時(shí)，霍爾電路輸出管導(dǎo)通，輸出低電平。之后，B再增加，仍保持導(dǎo)通態(tài)。若外加磁場(chǎng)的B值降低到BRP時(shí)，輸出管截止，輸出高電平。我們稱(chēng)BOP為工作點(diǎn)，BRP為釋放點(diǎn)，BOP-BRP=BH稱(chēng)為回差?；夭畹拇嬖谑归_(kāi)關(guān)電路的抗干擾能力增強(qiáng)?；魻栭_(kāi)關(guān)電路的功能框見(jiàn)圖6：

4.4? ?產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及工作原理

霍爾輪速傳感器由傳感頭和齒圈組成，傳感頭由永磁體、霍爾元件、電子電路等組成。圖8為其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖。

永磁體磁力線(xiàn)通過(guò)霍爾元件通向齒圈，當(dāng)齒隙正對(duì)霍爾元件中心時(shí)，穿過(guò)霍爾元件的磁力線(xiàn)分散，磁場(chǎng)較弱;當(dāng)齒頂正對(duì)霍爾元件中心時(shí)，磁力線(xiàn)集中，磁場(chǎng)較強(qiáng)。齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)弱發(fā)生交替變化，從而引起霍爾電壓的變化。圖9為霍爾輪速傳感器的工作原理。

4.5? ?工作電路

如下圖10所示，霍爾傳感器產(chǎn)生的霍爾信號(hào)很小，必須要經(jīng)過(guò)放大?；魻栐敵龅暮练?jí)的準(zhǔn)正弦波電壓信號(hào)，送往ECU進(jìn)行處理，得到需要的電信號(hào)[4]。

4.6? ?優(yōu)點(diǎn)

霍爾式車(chē)輪傳感器上布置有芯片，需要提供電源，但具有一些優(yōu)點(diǎn)：

1、輸出的電壓信號(hào)強(qiáng)弱不隨轉(zhuǎn)速的變化而變化。在汽車(chē)電源電壓為12V的條件下，信號(hào)的幅值保持在11.5V到12V間。

2、傳感器頻率響應(yīng)高達(dá)20kHz，用于A(yíng)BS中，相當(dāng)于車(chē)速為1000km/h時(shí)所檢測(cè)的信號(hào)頻率，因此不會(huì)出現(xiàn)高速時(shí)頻率響應(yīng)跟不上的問(wèn)題。

3、霍爾式車(chē)輪傳感器輸出的電壓信號(hào)強(qiáng)弱不隨轉(zhuǎn)速變化，且幅值較高?；魻柺杰?chē)輪傳感器的抗電磁波干擾能力較強(qiáng)。

同時(shí)，霍爾輪速傳感器的穩(wěn)定性好，抗外界干擾能力強(qiáng)，如抗錯(cuò)誤的干擾信號(hào)等，因此不易因環(huán)境的因素而產(chǎn)生誤差。

5? ? 總結(jié)

綜上所述，主要介紹了被動(dòng)式磁電式輪速傳感器和主動(dòng)式霍爾式輪速傳感器，是汽車(chē)防抱死系統(tǒng)ABS主要的傳感單元，在汽車(chē)安全方面起著舉足輕重的作用。兩種傳感器各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中仍需根據(jù)整車(chē)環(huán)境和工況進(jìn)行綜合對(duì)比，選擇利好的產(chǎn)品。但隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，將會(huì)更多技術(shù)類(lèi)型用于輪速傳感器，如光電效應(yīng)。如今智能傳感器、執(zhí)行器以及電控單元等得到了大力開(kāi)發(fā)，并且在汽車(chē)上也開(kāi)始廣泛應(yīng)用雷達(dá)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，可以有效集成汽車(chē)安全裝置，促使汽車(chē)安全性能得到提升。汽車(chē)的電動(dòng)化、智能化、信息化和自動(dòng)化程度不斷提升，那么汽車(chē)安全也需要朝著智能化方向發(fā)展[5]。

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