纯电动汽车驱动防滑转轮速采集模块设计

王姝，张凯

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

纯电动汽车驱动防滑转轮速采集模块设计

王姝，张凯

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

本文介绍了基于飞思卡尔 MC9S12XS128芯片的纯电动汽车驱动防滑转系统轮速采集及处理模块，利用NCV1124芯片，简化了轮速采集部分外部硬件电路的设计，通过周期法与频率法相结合的方法，优化了传统轮速处理的方案，实现了在驱动防滑转控制中对车速和轮速的精确采集及计算，为下一阶段对纯电动汽车TCS控制策略的研究打下良好基础。

驱动防滑转系统；轮速信号；电路；算法

CLC NO.:U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)05-52-03

前言

电动汽车在道路上行驶时，其驱动力取决于电机的输出扭矩，但驱动力同时也取决于轮胎与地面的摩擦力，因此会受到路面附着条件的制约。路面附着条件由路面附着系数这一参数来衡量，但路面附着系数并不是一个常量，它是随着滑转率的变化而变化。随着滑转率增加，路面附着系数不断增大，直至滑转率增大到20%左右，即达到峰值附着系数，路面附着系数达到峰值后，路面附着系数又会随滑转率增大而减小。所以从动力性上考虑，驱动轮的滑转率应处于峰值附着系数对应的滑转率附近，又由于滑转率越低，同一侧偏角条件下侧向力系数越大，车辆的方向稳定性越好，抗侧滑的能力越大。综合考虑，应将滑转率控制在0 .08～0 .15 之间，为了达到这一目的，速度的精确采集和计算是必不可少的。

1、采集模块硬件电路设计

目前，较普遍的轮速传感器主要有三种即磁电式，电涡流式，霍尔式，本方案中的 TCS系统轮速采集模块使用GT101型电磁式轮速传感器，电磁式轮速传感器的特点是随着转速不断变化其输出的是频率幅值变化的正弦波。正弦波频率与车轮转速成正相关关系，转速越高，频率越高。而正弦波的幅值与轮速和传感器磁头与齿圈之间的间隙有关，即间隙越小，转速越高，幅值越大。

1.1 整形电路设计

由于正弦波信号是不能被单片机的脉冲累加器直接识别，并且幅值在高速是会超过 IO口的最高允许电压，因此通常需要一定的外部电路进行整型限幅滤波，将传感器输出的正弦波信号处理成占空比不断变化的幅值小于 IO口最大值的方波信号，以便单片机进行采集处理。处理这一问题通常采用施密特触发器。施密特触发器通常由逻辑门芯片构成，典型的施密特触发器如图1所示。

从上图可以看出，施密特触发器是一种特殊的逻辑门电路，其有正向和负向两个阈值电压，当输入的电压值高于或者低于阈值电压的条件下，利用施密特触发器的正反馈作用，可以把正弦波信号变换为单片机可识别的矩形脉冲信号。由上文可知轮速传感器所输入的是幅值不断变化的正弦波，为此可能需要对施密特触发器的阈值电压进行调整，而硬件电路一经确定，不易修改。综合来看，使用施密特触发器进行波形变换的方案并不实用。

本方案中采用 NCV1124，NCV1124是用于处理安装在旋转件上传感器检测到的状态信号集成电路芯片，该芯片使用双通道输入，每个通道都可接入可变磁阻传感器的信号，并且与芯片内的可编程的参考电压进行比较，其将整形与放大功能整合，极大简化了外部硬件电路设计。本实验中选择的单片机为飞思卡尔公司生产的MC9S12XS128芯片，故要将轮速传感器输出信号幅值限制在5V以下。而NCV1124内部特有的动态钳位电路，能够将0-120V的电压钳制到0-5V，满足单片机IO口的需求。

1.2 滤波电路设计

NCV1124输出的波形是具有噪声的，会对之后的速度估算造成影响，因此需要设计滤波电路，使得噪声在单片机IO口可允许范围内。本方案采用经典的RC滤波滤除高频噪声。方案中，传感器齿圈齿数为Z=54，轮胎直径D=520mm，设计最高车速为V=160 km／h，滤波器的截止频率f为：

式中vq——驱动轮速度

V——车速，通常以非驱动轮轮速代替

从上式可以看出，本方案需同时采集驱动轮轮速和非驱动轮轮速，但由于单片机提供的脉冲累加接口只有一个即PT7口，因此需要外部接入一个累加器，用以对另一路数据进行计数，采用二进制累加器 CD4520，以实现这一功能。具体实现电路如图2所示：

2、轮速采集模块算法设计

轮速采集算法通常有周期法，频率法，多倍周期法三种，周期法是通过采集相邻两个脉冲的时间间隔，从而计算速度，适用于轮速较低时，当轮速较高时，相邻两脉冲时间间隔过短，会造成较大误差；频率法是通过测量单位时间内轮速脉冲信号的个数，适用于轮速较高时，轮速过低时，会造成单位时间内采集到的脉冲数过小，甚至采集不到，因此只是单纯的使用周期法与频率法，将增大系统误差，综合考虑计数器本方案中采用周期法和频率法相结合的方法，即设定一个基速Vc，基速是根据上一次计算结果得到的，当车速高于这一基速时采用频率法，当车速低于这一基速时采用周期法。

2.1 周期法

对于飞思卡尔 MC9S12XS128单片机，内置有定时器/计数器模块，可以实现对脉冲信号进行输入捕捉，输出比较，脉冲累加。其定时器模块中有输入捕捉的功能，可实现周期法。输入捕捉是在指定的引脚上，根据信号的跳变沿将当前自由运行计数器中的值捕捉，并且本款单片机允许输入捕捉中断，每采集到一次跳变沿，将触发一次中断，在中断中可以讲当前自由运行计数器的值捕捉到对应的通道寄存器内，通过连续两次捕捉，就可计算出轮速。第一次捕捉到的自由运行计数器值为a，第二次捕捉到的自由运行计数器值为b，将总线时钟频率设定为80MHZ，主定时器可累加的最大值为65530。则由PT7口采集的轮速：

式中D为轮胎直径，Z为齿圈齿数，c为CD4520计数器值。

2.2 频率法

单片机内置的定时器/计数器模块中脉冲累加器功能，能很好地实现频率法。脉冲累加器通过检测PT7引脚上的跳变沿个数，引脚每检测到一个跳变沿，脉冲累加计数器内的值加1，并且可以设定主定时器溢出中断，16位主定时器对时钟信号进行计数当计数器从FFFF溢出是，将会产生中断，此时读取脉冲累计器计数器内的值，与上一次读取的值只差，即为单位时间内采集到的脉冲数，进而可以计算出当前轮速。总线时钟频率为80MHZ，自由运行计数器可累加的最大值为65530，由PT7口采集的轮速。

另一路由CD4520芯片采集的轮速：

式中D为车轮直径，Z为齿圈齿数，n为第一次中断时采集到的脉冲累计计数器内值，m为第二次中断时采集到的脉冲累计计数器内值，c为CD4520计数器值。

3、结束语

综上所述，本方案中TCS系统的轮速采集处理模块能够完成对采集到的轮速传感器信号进行整形、限幅、滤波等处理，利用 NCV1124芯片，简化了轮速采集部分外部硬件电路的设计，通过周期法与频率法相结合的方法，优化了传统轮速处理的方案，改进后的算法更加合理，能够实现对轮速传感器信号的准确采集与计算，为下一阶段对纯电动汽车TCS控制策略的研究打下良好基础。

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The Speed Acquisition and Processing Module Design of Blade Electric Vehicles Tractive Control System

Wang Shu, Zhang Kai
(Automobile School of Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064)

This paper introduces the speed acquisition and processing module of blade electric vehicles tractive control system. By using NCV1124, it is simplified the design of external hardware circuit. Through combining the frequency and period measurement methods, it optimize the traditional project. The accurate measurement of the wheel speed in tractive control system is realized. And laying a good foundation for researching control strategy of tractive control system in the next phase.

tractive control system；speed signal；circuit；atithmetic

U463.6

A

1671-7988(2015)05-52-03

王姝，长安大学在读研究生，主要研究电动汽车整车控制。