磁阻式轮速传感器在ABS中的应用_秦玉伟

2009年第9期 仪表技术

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磁阻式轮速传感器在ABS中的应用

秦玉伟,金轶锋,李芳菊

(渭南师范学院物理与电子工程系,陕西渭南714000)

摘要:介绍一种磁阻式轮速传感器,并设计了该轮速传感器的信号处理电路,其中包含两级带通滤波放大电路和迟滞比较器;该传感器结构简单,成本低廉。研究结果表明,磁阻式轮速传感器工作性能稳定可靠,灵敏度高,抗干扰能力强,适应较高和较低的车速变化,可广泛应用于汽车ABS中。

关键词:轮速传感器;InSb;磁阻;ABS

中图分类号:TP212 文献标识码:B 文章编号:

1006-2394(2009)09-0075-02

ApplicationofMagneto-resistiveWheelSpeedSensorinABS

QINYu-we,iJINY-ifeng,LIFang-ju

(DepartmentofPhysicsandElectronicEngineering,WeinanTeachersUniversity,Weinan714000,China)

Abstract:AnInSbmagneto-resistivewheelspeedsensorisintroduced.Anditscircuitforsignalprocessingisde-signed,whichinvolvestwo-stageband-passfiltersandhysteresiscomparator.Thissensorhassimplestructureandlowcos.tTheexperimentshowsthatmagneto-resistivewheelspeedsensorisreliable.Alsoithashighsensitivityandcanminimizetheeffectofelectromagneticinterference.Itissuitableforthevarietyfromhighspeedtolowspeed.Itcanbe

widelyusedinABS.

Keywords:wheelspeedsensor;InSb;magneto-resistive;ABS ABS(Ant-ilockBrakeSystem)即/防抱死制动系统0,是采用电子控制技术,在汽车应急制动时,防止车轮抱死,使车轮获得最佳制动效率和制动操控稳定性,防止汽车发生交通事故的机电一体化系统。ABS主要由轮速传感器、电子控制器、执行器3大部分构成。ABS的工作原理就是在汽车制动过程中,不断检测车轮速度的变化,按一定的控制方法,通过电磁阀调节轮缸制动压力,以获得最高的纵向附着系数和较高的侧向附着系数,使车轮始终处于较好的制动状态,因此轮速传感器性能的高低直接影响汽车ABS性能的高低。传统的磁电式轮速传感器,输出信号的幅值受车轮轴的轮速和气隙影响,当气隙一定时,轮速越高,幅值越大;转速一定时,气隙越小,幅值越大,不易实现低速测量,在信号处理方面较为复杂。设计的磁阻式轮速传感器输出信号大小不受汽车轮速的影响,且成本低、重量轻,可广泛应用于汽车ABS,替代传统的磁电式轮速传感器。1 磁阻式轮速传感器工作原理

磁阻式轮速传感器的核心是InSb磁敏电阻,其工

作原理是基于InSb磁敏电阻具有的磁阻效应。所谓

磁阻效应就是指当通有电流的半导体材料置于磁场中,且磁场方向与电流方向垂直时,由于洛仑兹力的作用,使载流子的运动方向发生偏转,从而加长了运动路径。从电学量来看,这反映为电阻率的增大,即电阻增大。当材料相同的两种载流子(电子和空穴)迁移率相差悬殊,以至于空穴的迁移率可以忽略不计时,其电阻率的变化可以用下式表示:

QB-Q022

=0.275LBQ0

(1)

式中:B为外加磁场的磁感应强度,QQB、0是磁感应强

度分别为B和0时半导体材料的电阻率;L为半导体材料中该载流子的迁移率。由于InSb半导体材料的电子迁移率较高,可以获得较高的电阻变化率,从而获得较高的灵敏度,适合制作磁敏电阻。

InSb磁敏电阻由引脚、磁阻元件MR1和MR2、永磁体(提供偏置磁场,提高灵敏度)、绝缘基片、金属外壳(屏蔽外部干扰和保护磁阻元件)组成,结构及等效电路如图1所示。

收稿日期:2009-03

基金项目:渭南师范学院研究生专项科研基金(08YKZ041)(08YKZ038);渭南师范学院科研基金项目(09YKF005);渭南师范学院教改项目(JG200701)

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仪表技术 2009年第9期

A3可以实现放大和滤波功能,滤掉电路以及环境中存在的低频和高频干扰,A4为迟滞比较器,可以有效避免电路干扰引起的输出跳变,输出理想的脉冲信号。

图1(a)

磁阻元件结构示意图

图2 磁阻式轮速传感器信号处理电路

整个信号处理电路采用稳压管7805提供+5V直流电压,磁敏电阻采集到汽车轮速信号后,通过跟随器进入两级放大电路进行放大,电路采用阻容耦合方式

图1(b) 磁阻元件工作的等效电路图

进行连接,可以消除低频信号对传感器的影响,抑制温漂,提高电路稳定性。电压放大倍数可通过设置电阻R4与R2,R6与R5的比值实现,比较器的门限电平通过调节R9设置。利用迟滞比较器,引入了正反馈网络,大大提高系统的抗干扰能力,可有效避免汽车行驶过程中由于路况恶劣产生的电磁干扰和错误输出。3 实验性能分析

由于磁阻元件对称性较好,且电路采用阻容耦合,比较级采用迟滞比较器,故温度对电路的影响比较小,恶劣的环境温度变化引起的温漂不会造成电路的误输出。随机抽取多个InSb磁阻式轮速传感器样品与某厂生产的ABS用磁电式轮速传感器比较,在同等条件下,InSb磁阻式轮速传感器检测距离可达2.9mm,环境温度在-30e~+85e内变化时,能够输出比较工整的脉冲波形,可知其性能良好。研究结果表明,该轮速传感器可以实现低频和高频信号的测量,在2~5kHz范围内工作可靠,能够满足汽车ABS轮速传感器的需要。参考文献:

[1]汪知望,方锡邦,陈燕.汽车ABS轮速传感器及其信号处理

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制器的设计[J].航空计算技术,2005,35(1):93.

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[5]孙俊,陈彦夫.汽车ABS轮速传感器性能测试系统的研究

[J].汽车工程,2007,29(8):699.

当汽车齿轮转速为零时,两磁阻元件阻值大致相等。若加在磁阻元件两端的电压为+5VDC,则磁阻元件中点输出电压为+2.5VDC。由于偏置磁场的存在,齿轮转动时,引起MR1和MR2所处空间的磁场发生

周期性变化,根据物理磁阻效应,磁阻元件的阻值也会发生周期性变化,这样在磁阻元件中点就会输出以+2.5VDC为基准电压做微小变化的周期性电压。设输出信号频率、转速和齿轮数分别为f(Hz)、n(r/min)和Z,则三者关系为:

f=nZ/60(2)

由此,当齿轮齿数一定时,输出信号的频率只与车轮的轮速有关。经过信号处理电路将周期性变化的信号转化为方波信号,送入汽车ABS系统的电控单元(ECU),就可以根据输出波形的频率计算出车轮的轮速。2 磁阻式轮速传感器信号处理电路设计2.1 信号处理电路的设计要求

(1)放大电路部分的放大倍数足够,输出信号大小满足后续电路处理的需要,并能滤掉电磁干扰成分。

(2)波形转换电路能正确的将周期性类正弦波信号转换为同频率的方波信号,且车辆振动时产生的干扰信号对输出的方波信号频率无影响。2.2 信号处理电路总体分析

磁阻式轮速传感器信号处理电路如图2所示,其中虚线部分表示磁阻元件,信号处理电路由电压跟随器、两级放大电路、迟滞比较器组成,最终输出方波信号。因磁阻式传感器采集的信号较弱,故整个放大电路部分采用两级放大,A1为电压跟随器,起到阻抗变

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