基于ABS轮速传感器的信号模拟系统研究与应用

郑玲玲， 段春光， 尹 海

(吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130061)

0 引 言

进入21世纪以来，汽车行业取得了蓬勃发展，在发展的过程中，汽车制动的安全性受到本行业广泛关注，在各种安全技术手段中，防抱死制动系统(Anit-lock braking system, ABS)是继使用安全带之后在汽车安全性方面的重要技术成就之一[1]。ABS的控制方式是将轮速传感器做为前端输入，测量各个轮子在运动中的状态，根据测量结果判断生成对应的控制命令，车轮轮速对于ABS控制系统是重要的输入指标[2]。因此在实验室中对车辆的ABS控制进行测试，就需要有准确的轮速传感器信号作为输入源，常规做法常采用4个高速旋转的目标齿轮及轮速传感器搭建的平台产生的车轮速度信号作为输入，此方法危险性较大，对于教学实验不适宜[3-4]。本文自主研发一套ABS轮速传感器信号模拟系统，利用本系统可以实现一种安全性强、效果较好的车轮速度信号模拟，并利用此信号开展ABS仿真验证。ABS仿真控制技术作为汽车电控系统仿真与试验测试技术课程的重要实验内容之一，对于培养车辆工程专业学生在汽车安全方面具有重要的意义[5-8]。

1 ABS轮速传感器原理分析

根据原理分析，轮速传感器可以分为两种方式：被动式和主动式。被动式也可称之为磁电式传感器，其示意图如图1所示。将传感器按照一定的空气间隙安装在目标轮的凹凸齿面上，在目标轮转动时，凹凸齿面与传感器之间的距离随之不断变化，线圈中的感应电势会随着目标轮的转动产生相应变化，从而产生交流电信号[9]。

图1 被动式传感器的工作原理图

如图1所示，如果线圈在某均恒的磁场中运动时，穿过线圈的磁通量为φ，则该线圈内的感应电动势ε与线圈上的磁通量的关系为：

(1)

式中：ε为感应电动势;φ为穿过线圈的磁通量;N为线圈匝数。

对于被动式传感器，目标轮的转动速度越高，传感器输出信号的频率和电势值就越高，对输出信号经过模数转换后进行数据采集，可以将得到的数字信号进行分析，根据其频率变化得到目标的转动速度值，实现对轮速的测量。

主动式传感器根据感应原理的不同，可以分为磁阻式传感器和霍尔传感器，它们的输出的信号是一样的，下面以霍尔传感器为例对主动式传感器的结构和工作方式进行介绍。霍尔式传感器是利用霍尔效应的原理对车轮速度进行测量，其结构如图2所示。传感器工作的时候需要的主要部件是霍尔传感器和齿圈，霍尔传感器主要包括以下几部分：霍尔元件、永磁体及电子电路等；在测试过程中，永磁体产生相对稳定的磁场，其对应的磁力线经过霍尔器件最终抵达齿圈部件，作用于霍尔器件的磁场大小决定着霍尔传感器感应产生的电压值。因此，当车轮带动齿圈在不断转动过程中，霍尔元件输出的电压信号接近于正弦波形态，对输出的电压信号进行电路调理，可以得到标准的脉冲电压或者电流信号[10-12]，对这个脉冲信号的频率进行测量，就可以计算得到车轮的转速。

图2 主动式传感器的工作原理图

主动式传感器具有较多的优点：输出值信号具有较高的灵敏度、信号具有较强的抗干扰能力、实际测试中车轮速度范围宽，基于以上优点，主动式传感器目前被汽车行业普遍应用于实际车辆中[13-15]。

2 信号模拟系统构建

根据实验教学与实际应用的要求，本文设计了一种轮速传感器的信号模拟系统，此系统的控制部分采用单片机，利用CAN总线和dSPACE实时仿真系统之间通信，单片机得到总线的指令之后，其产生指令所对应的PWM信号，将产生的PWM信号进行信号调理，得到轮速传感器在3种不同条件下的模拟结果，并将此模拟信号送入到制动平台的车辆ABS模块中开展验证测试。图3为系统的硬件结构图，该模拟系统完成了被动式、主动式两种信号的模拟生成。

图3 硬件结构图

在模拟轮速信号的过程中，其软件流程如图4所示。首先启动系统，通过读取CAN总线中的指令，得到需要模拟的ABS轮速信号模式，包括：匀速、起车加速、刹车减速及自定义等模式。根据信号模式进入不同的模式方式程序中，载入预先设定好的各模式的模拟参数，然后启动运行各模式的ABS信号模拟，输出相应的ABS模拟信号到汽车模拟器中，根据模拟器中读取得到的距离传感器信号结果，将结果显示在LCD显示屏中，系统延时后进行CAN总线读取，等待下一个指令进行信号模拟。

图4 软件流程图

3 传感器信号模拟系统的实验

本文中设计的传感器信号模拟系统如图5所示，此系统尺寸小，质量轻，使用方便，无安全隐患，并且能够模拟目前市场上大多数轮速传感器信号，满足实际教学工作中对于多种轮速传感器的模拟，能够快速有效的对接市场上多种汽车模拟平台，并满足平台实际的测试要求。

图5 模拟轮速信号系统实物照片

本文设计的此轮速模拟系统在实际测试过程中是搭载于驾驶模拟器驱动的嵌入式台架系统中，如图6所示，实现了对实验平台建立的ABS模型以及真实的ABS控制器进行标定与验证[16]。

实际测试方式如图7所示。dSPACE首先通过CAN总线将预期产生的速度值送入轮速模拟器中，轮速模拟器根据速度值设计参数，产生相应的轮速模拟信号，此信号被送到车辆ABS的控制器，根据信号结果，车辆ABS控制器会将4个车轮的速度结果利用CAN总线送入dSPACE系统，实现一次速度值的产生和循环。

图6 嵌入式台架系统的实物照片

图7 实验测试结构图

利用实际模拟平台，对研发的信号模拟系统开展了效果测试分析。对于ABS传感器模拟系统，需要在不同车速下验证ABS模拟系统效果，采用dSPACE产生一种不断变化的速度信号送入到传感器信号模拟系统中，传感器信号模拟系统可以产生相应的传感器信号，传感器信号模拟系统产生的主动式轮速传感器信号结果如图8所示。

将传感器信号模拟系统产生的信号输入到车辆ABS中，通过dSPACE将ABS中计算出的车轮速度进行采集，将dSPACE设定的预期信号与模拟系统产生的信号进行对比分析，两组信号的对比结果如图9所示。根据图9所示的结果，可以看出，信号模拟系统产生的信号和dSPACE预期设定的一个周期性变化速度信号(26～130 km/h)的一致性较好，最终求解速度误差值为0.466 km/h，模拟器产生信号的延迟时间为8 ms，本文设计的模拟指标达到了实验教学、科研项目的需求。

最后将研制的车速传感器信号模拟系统应用于嵌入式台架系统中对ABS控制器开展验证实验，进行了多种车辆行驶环境条件下的制动方式测试，下面介绍其中的由高附着到低附着直线制动。车辆直线行驶于高附着系数的道路条件上，然后垂直进入到低附着系数的道路条件上，同时在两种条件的分界线位置进行制动。

图10是车辆制动过程中轮缸压力的调节过程，图11所示为相应调节过程中的车速及4个车轮的轮速。根据图中的曲线变换分析，车辆在5 s附近进行制动，在制动开始后，轮缸的压力一直在变化调节，同时轮速也与之相应的变化，保持增加或减少的状态。根据图中结果，确认在此过程中车轮未出现抱死状态，控制效果较好。

图10 ABS启动时轮缸压力

对于车辆有、无ABS的条件下，还开展了对车辆的轮速、滑移率、横摆角和横摆角速度的分析，得到的结果如图12～15所示。在图12的测试分析中，当车辆在开始制动后，没有ABS的情况下，轮速会在制动开始就出现抱死的情况，导致轮速在非常短的时间就变为零。在图13中的测试分析中，在有ABS的条件下，车辆的滑移率波动保持在0～1之间，在没有ABS的条件下会产生轮子抱死的结果，会出现非常高危的驾驶后果。

根据图14的测试结果，分析可得，没有ABS的条件下，车辆的横摆角最高可以达到0.2 rad，而在加入了ABS后，车辆的横摆角最大为0.075 rad，加入了本ABS模拟信号系统后，车辆的横摆角可以降低为原来值的37.5%。根据图15测试结果，最大的横摆角速度值针对有、无ABS的情况下结果相同，结果均为0.02 rad/s，但是从整体趋势分析，有ABS时整体效果更佳。

图12 无ABS时车速轮速测试结果

图14 有、无ABS情况下车辆横摆角

4 结 语

为解决在课程应用和实验测试中对于ABS策略的验证问题，本文研制了一种轮速传感器的信号模拟系统，并将此信号模拟系统应用于实际的测试应用中，进行了相应的实验分析。

测试结果表明，本文研制的模拟系统能够生成多种车轮速度信号，该系统可以用于验证目前市场上绝大多数的ABS控制器。将本系统搭载于嵌入式台架系统中，并且针对典型测试工况，在驾驶模拟器上进行了虚拟的场地实验，对比在有、无ABS控制器两种情况对车辆姿态的影响，利用本模拟系统实现了对嵌入式台架系统功能的优化。通过对ABS控制器参数的测试标定，其结果证明在实际应用中可以使用此平台标定实际车辆的ABS控制器，实现对ABS控制策略的验证。

利用此轮速传感器模拟系统，可以在原有的试验场景基础上建立多种附着系数路面，对ABS控制器在对开和对接路面上进行相应的测试验证，由于此模拟测试平台完全基于实验室内设备搭建，不需要进行车辆的场地实验，实验完全不受气候影响，节约成本，缩短ABS控制策略的开发验证时间，同时可以在实验课程中让学生对于设计的ABS控制策略有更加直观的认识和分析，对于教学实验具有极好的实用意义。