黃 超，田錦明，紀林海，朱慧敏，王春玲，陳蕊悅，秦燕華

(江蘇海洋大學電子工程學院，江蘇連云港 222005)

0 引言

ABS傳感器是汽車安全系統中非常關鍵的傳感器之一，它決定著汽車制動安全性。ABS剎車防抱死系統和ESP電子穩(wěn)定系統被廣泛應用在現代汽車上，系統的產品開發(fā)需要對其進行可靠性和耐久性試驗，試驗過程需要穩(wěn)定可靠真實的ABS輪速傳感器信號。

現有的ABS/ESP性能測試過程中，其中ABS輪速傳感器的信號來源主要有2種。一種是在各種路況環(huán)境下的實車匹配的耐久性試驗，汽車的耐久性試驗要在不同的溫度、氣壓、灰塵、雨雪等環(huán)境下，也要進行顛簸路段、高速公路、水洼路段的道路試驗[1]。這種試驗浪費大量的人工成本，而且具有危險性，重復性差。另一種是采用物理運動部件模擬車輪轉動感應傳感器輸出信號，進而送給ABS/ESP系統的耐久性試驗[2]。但是電機轉動的穩(wěn)定性差和精度低會導致測量結果的不準確。

針對上面2種傳統方法的不足，本文提出一種基于LabVIEW的實車ABS四輪輪速傳感器信號再現系統，用旋轉磁場發(fā)生器產生旋轉的磁場來激勵輪速傳感器產生真實可靠輪速信號。由于旋轉磁場由線圈和鐵芯組成，因此不產生機械轉動、無慣性、響應速度快、精度高、成本低；還由于旋轉磁場發(fā)生器是非機械部件并且是靜態(tài)測試，旋轉磁場發(fā)生器和輪速傳感器可以在高低溫環(huán)境下連續(xù)測試。

軟件部分選用LabVIEW作為輪速傳感器信號再現系統的開發(fā)平臺，實時采集再現的輪速信號并顯示，解決軟件編程周期長、復雜程度高問題[3]。

1 再現系統原理

1.1 再現原理

傳統的輪速信號再現原理是用電機驅動測試輪旋轉，使傳感器感應面處恒定的磁場變?yōu)榻蛔兊?，從而傳感器以方波的電流輸出，信號的頻率與齒輪轉速成比例，再用50 Ω或115 Ω的采樣電阻器使其變?yōu)闃藴实碾妷盒盘?，然后通過數據采集卡進行采集[4]。

本系統的再現原理與傳統的再現原理類似，傳統是機械轉動引起磁場的變化，本系統是非機械式的旋轉磁場發(fā)生器中通入交變的電流產生旋轉磁場。如圖1所示，向旋轉磁場發(fā)生器中發(fā)送2組幅值和頻率相同的正弦信號，信號1超前或者滯后信號2相位90°，旋轉磁場發(fā)生器產生旋轉的磁場，與電機帶動齒輪轉動齒隙的變化所引起的磁場的變化類似，區(qū)別在于旋轉磁場發(fā)生器是線圈和鐵芯組成，其不產生機械轉動、無慣性、響應速度快和精度高。

1.2 輪速傳感器

汽車輪速傳感器經歷了被動式、主動式和智能式的發(fā)展，被動式由于頻率特性差、抗干擾能力弱、測速范圍小等缺點，現在僅在商用車ABS系統中使用；主動式主要是霍爾式傳感器，其具有頻率響應高，低速檢出特性好，強大的抗干擾能力，輸出信號的幅值不隨轉速變化而變化和尺寸小等優(yōu)點已經全面在乘用車領域應用[5]。

隨著汽車智能系統的開發(fā)，需要車輪轉動相關的信號，因此在主動式輪速傳感器的基礎上發(fā)展而來的智能式將會逐漸占領乘用車領域[6]。隨著傳感器技術的發(fā)展，高效檢測系統也變得十分重要。

2 系統硬件設計及實現

ABS四輪輪速傳感器信號再現系統如圖2所示，主要由計算機、信號回放模塊、信號放大模塊、旋轉磁場發(fā)生模塊、輪速傳感器模塊、信號轉換模塊、采集卡和直流穩(wěn)壓電源組成。

詳細的再現流程如下：計算機通過LabVIEW讀取在各種路況環(huán)境下實車匹配耐久性試驗中得到的4輪真實輪速信號，通過信號回放模塊將4組真實的輪速信號轉換成4組正弦信號，通過計算機可以控制信號回放模塊中每組信號回放電路，使其中一路信號超前或滯后于另一路信號相位90°；經過放大模塊放大輸出2路正弦交變電信號，放大模塊連接旋轉磁場發(fā)生模塊，放大模塊將放大后的正弦交變電信號送入旋轉磁場發(fā)生模塊里的旋轉磁場發(fā)生器，旋轉磁場發(fā)生模塊將放大的2路正弦電信號轉化成旋轉的磁場信號，旋轉的磁場信號激勵輪速傳感器模塊產生模擬的輪速信號，經過信號轉換模塊轉換成標準的電壓信號，信號轉換模塊連接采集卡，再傳入計算機；直流穩(wěn)壓電源為信號回放模塊、信號放大模塊和信號轉換模塊供電。圖2中，信號回放電路21與信號放大電路31與旋轉磁場發(fā)生器41相連，旋轉磁場發(fā)生器41感應傳感器51，其他3組電路也是如此連接，正好對應實車的4個車輪的輪速信號再現。實現4個輪子的輪速信號同時再現。

2.1 計算機——基于LabVIEW的再現系統

計算機是再現系統的核心，也是再現軟件的載體，測試軟件采用的是LabVIEW[7]。PC機內部存儲用于ABS信號再現、各種路況環(huán)境下實車匹配耐久性試驗測得的真實4輪輪速信號；再現輪速信號的過程中PC機用于處理采集的數據，并將過程和結果顯示在軟件界面上。

2.2 信號回放模塊

信號回放模塊由4組信號回放電路組成，將計算機輸入的在各種路況環(huán)境下實車匹配的耐久性試驗中得到的4輪真實輪速數據曲線信號轉換成4組正弦波形信號。

由于旋轉磁場發(fā)生器是由線圈和鐵芯組成類似于磁電式傳感器，磁電式輸出信號特性就是旋轉磁場發(fā)生器的輸入信號特性。因此齒輪的形狀特征和齒輪的轉速決定信號頻率，其有如下的關系：

(1)

式中：f為正弦波信號頻率,Hz；Z為齒輪齒數；v為齒輪轉速,km/h；R為齒輪半徑尺寸,m。

通過式(1)可以得到輸入旋轉磁場發(fā)生器的頻率信號與輪速對應。

信號幅值由間隙和齒輪轉速決定，隨轉速增加而增大，隨間隙的增加而減少[8]。通過觀察輪速傳感器的輸出波形來確定幅值大小，具體是：信號發(fā)生器與信號放大器相連用于產生正弦信號，產生的信號通入旋轉磁場發(fā)生器里產生旋轉的磁場，輪速傳感器感應旋轉的磁場，經過轉換電阻器輸出信號，在示波器上顯示；確定一個合適的間隙(輪速傳感器感應面與旋轉磁場發(fā)生器感應面之間的距離)，保持信號頻率不變，調節(jié)幅值0～20 V，觀察傳感器輸出波形，調節(jié)過程中若出現穩(wěn)定輪速傳感器信號波形則記錄該頻率下的幅值；取1～3 000 Hz頻率里特殊的和盡可能多的點，使用上述方法記錄對應頻率下的幅值，最后通過多項式擬合可以得到與1～3 000 Hz頻率對應的幅值。

信號發(fā)生器通過USB接口與計算機相連，回放模塊將正弦信號的幅值與頻率寫入信號發(fā)生器內。

數據采集卡采集的輪速傳感器信號的頻率f與齒輪轉速v成正比例關系：

(2)

式中f為數據采集卡采集的輪速傳感器信號頻率，Hz。

通過式(2)可以將再現的輪速頻率信號轉換成齒輪的轉速信號。

2.3 信號放大模塊

信號放大模塊是將回放模塊輸出的正弦信號進行放大，再輸出給旋轉磁場發(fā)生模塊。由于輸入的正弦波信號的頻率范圍很廣，而旋轉磁場是由線圈和鐵芯組成，感性負載線圈的阻抗會受頻率的變化影響，使輸入電流變化，因此采用交流恒流源放大器[9]。

2.4 旋轉磁場發(fā)生模塊

旋轉磁場發(fā)生模塊由4個旋轉磁場發(fā)生器組成，如圖3所示，旋轉磁場發(fā)生器由2個線圈、2個鐵芯、鋁合金固定夾和線圈的輸入端組成。2個鐵芯留有小的氣隙，2個鐵芯由鋁合金固定夾固定在一起，通過螺絲固定于磁場發(fā)生器固定支架上。

信號放大模塊把放大的正弦交變信號發(fā)送到旋轉磁場發(fā)生器的線圈里，線圈將其轉化為旋轉磁場信號，鐵芯使得磁場信號加強，使輪速傳感器感應到信號。

旋轉磁場發(fā)生器的設計應考慮：磁場大小、線圈匝數、線圈線徑、鐵芯的尺寸因素以及通入線圈電流后旋轉磁場發(fā)生器產生的磁場對激勵傳感器產生的最優(yōu)效果。

2.5 信號轉換模塊

傳感器信號轉換示意圖，如圖4所示，UV是傳感器供電電壓，12 V；RM為檢測電阻，50 Ω或115 Ω；對于普通的主動式輸出信號值Ilow、Ihigh，通常為Ilow=7 mA、Ihigh=14 mA；對于智能式輪速傳感器輸出信號值Ilow、Imid、Ihigh，通常為Ilow=7 mA、Imid=14 mA、Ihigh=28 mA；傳感器輸出信號經過檢測電阻，獲得測試中的信號電壓URM[10]。

接通供電，隨著磁場的交替變化，傳感器輸出方波脈沖，如圖5(a)所示，主動式非智能輪速傳感器輸出高低電流信號的方波脈沖，其占空比為t1/T。如圖5(b)所示，智能式輪速傳感器輸出三電平信號波形。三電平信號包含高電流信號，其頻率與車輪轉速成正比，中電流信號由9位方波信號提供車輪的附加信號，包括氣隙儲備、車輪正反轉等信息，低電流信號是基礎電流水平，三電平信號的占空比為t2/T[11]。

3 軟件設計及實現

選用了LabVIEW軟件開發(fā)輪速再現系統，完成了信號回放系統的前面板和后面板的編寫。圖形化軟件編程使系統界面友好、操作簡單，實現了數據文件載入、參數設置、數據采集、輸出波形顯示及波形數據保存等功能[12]。

如圖6所示，信號回放模塊的軟件設計結構圖主要由6部分組成，分別為系統初始化、讀取文件(真實的輪速信號文件)、系統參數設置、發(fā)送數據信號、采集輪速信號和信號的顯示與回放。

信號回放系統基本流程是：當進入信號回放系統時，系統默認初始化；當載入各種路況壞境下與實車相匹配的耐久性試驗的真實四輪輪速曲線數據CSV文件，系統讀取文件以波形曲線的形式顯示在LabVIEW的前面板界面上；系統參數設置主要有車輪的齒數、尺寸類型、車輪的尺寸、輪速傳感器類型；根據所設定的系統參數將讀取的輪速數據轉換成對應幅值和頻率的正弦波信號，然后寫入信號發(fā)生器產生信號，經過信號放大模塊，發(fā)送到旋轉磁場發(fā)生器模塊產生旋轉磁場激勵輪速傳感器產生信號；采集卡采集輪速傳感器產生的信號并發(fā)送到計算機里，通過LabVIEW以波形曲線的形式顯示在LabVIEW前面板上；LabVIEW將再現的輪速信號通過信號的頻率結合系統參數轉換成速度時間圖像并顯示在前面板上。

3.1 回放系統的前面板和后面板設計

波形回放系統的前面板圖設計如圖7所示，左側是載入文件和參數設置，在LabVIEW的前面板上加入一個文件路徑輸入控件，用來加載真實的輪速信號文件；4個數值顯示控件分別為讀取文件的起始行、行數、齒輪的齒數和車輪的尺寸的數值設置，4個枚舉控件分別為車輪尺寸類型、前后輪輪速傳感器的類型和輸出信號的類型的設置；2個按鈕控件來實現裝入文件和退出系統操作；1個布爾開關控件來控制是否回放。右側是回放曲線面板和波形曲線顯示區(qū)域，波形曲線面板是顯示采集卡采集的4個輪速傳感器信號波形；回放曲線顯示的是四輪真實的輪速信號和再現的輪速信號，共8個波形圖控件組成。

回放系統后面板設計主要有讀取文件、發(fā)送數據和采集數據并處理。如圖8所示，讀取真實輪速數據文件，數據文件是由時間數據和4列輪速數據，通過2個子vi實現，其中子vi3提取4列輪速數據的功能是將后4列的輪速數據提取出來，子vi2速度信號轉頻率信號的功能是將4列速度信號轉換成4列頻率信號；輸出類型可選速度和頻率，通過條件結構，輸出到波形圖里。如圖9所示，使用的是LabVIEW中的儀器I/O函數面板，采用VISA寫入將正弦信號的幅值與頻率寫入信號發(fā)生器[13]。將從真實的速度信號轉換成正弦的輪速信號，通過信號發(fā)生器的通訊指令寫入信號發(fā)生器用來產生信號。如圖10所示，將采集的前輪2個二電平主動式輸出波形1和波形2通過子vi電壓頻率測量濾波得到頻率信號，再經過頻率與速度轉換子模塊轉換得到再現輪子的速度信號。后輪三電平的傳感器信號處理與二電平信號處理類似。經過以上3個主要模塊的LabVIEW后面板設計就可以實現真實的輪速信號的再現。

3.2 再現結果顯示

采集卡采集的輪速傳感器波形顯示如圖11所示，采集部分傳感器輸出信號顯示在LabVIEW前面板的波形面板上。圖中前輪使用是輸出為二電平脈寬調制的主動式輪速傳感器，后輪是輸出為三電平的智能式輪速傳感器。在各種路況環(huán)境下實車匹配的耐久性試驗中得到的真實的4輪輪速信號的速度變化波動很大，所以讀真實的輪速數據從6 000行到7 000行，采集部分速度變化不大時間段的輪速傳感器輸出信號顯示在波形面板上。可以看出波形曲線高低電流值和占空比大小都是符合要求的。

波形回放系統的前面板見圖7，系統參數設置為：車輪齒數43、車輪周長尺寸2.813 m、前輪傳感器輸出信號類型二電平信號、后輪傳感器輸出信號類型三電平信號?；胤徘€面板分為4塊，每塊有上下2幅波形曲線，下面的波形曲線是真實的4輪輪速曲線，上面的波形曲線是再現的4輪輪速曲線，再現的輪速曲線是通過對采集到的輪速傳感器波形進行數據處理得到的。從圖7可以看出真實的4個輪子的輪速曲線與再現的輪速曲線十分的吻合，可以得出以下的結論：

(1)測量前后輪的輪速傳感器是合格的產品；

(2)該系統可以得到真實可靠的輪速信號；

(3)實現對輪速傳感器在低速和高速下精確的測試；

(4)實現了實車4個輪子輪速信號同時再現；

(5)該系統可以高效地檢測輪速傳感器產品，適應現代汽車工業(yè)的發(fā)展。

4 結束語

本文提出并測試了一套基于LabVIEW的實車ABS四輪輪速傳感器信號再現系統，該系統采用旋轉磁場發(fā)生器產生旋轉的磁場激勵輪速傳感器，這種電與磁與電之間轉換的方法，與傳統電機驅動齒輪激勵傳感器相比，成本低，重復性好并且克服了電機轉速穩(wěn)定性差和測試精度低等缺點，實現了輪速高精度再現。還可以將旋轉磁場發(fā)生器和輪速傳感器放入高低溫箱內實現-40～150 ℃環(huán)境下的輪速傳感器測試。測試結果表明：再現的信號與真實的輪速信號十分吻合，該系統可以給ABS和ESP系統耐久性試驗提供與實車相匹配的真實可靠的輪速信號。