磁電式ABS傳感器性能測試及評定方法研究

胡曉峰， 施 巖，陸 藝，郭 斌

（1.中國計量學院，浙江 杭州 310018；2.浙江方圓檢測集團，浙江 杭州 310018；3.杭州沃鐳科技有限公司，浙江 杭州 310019）

0 引 言

近年來，我國逐漸提高了對汽車行車安全的執行標準，行車主動安全系統（如ABS、ESP等）越來越多地作為標準部件裝配于各類車輛，以提高行車制動安全性，優化制動距離。目前，對于此類安全輔助系統的發展趨勢，一方面聚焦于制造成本的低廉化，另一方面則注重提高其工作穩定性[1]。作為汽車防抱死系統（antilock braking system，ABS）的關鍵部件，ABS 傳感器裝配于汽車車橋輪轂用于實時測量車輪的轉速，并將轉速數據通過CAN總線傳輸至ECU控制器，以監判車輛各車輪是否有滑移傾向，并根據滑移率做出最佳制動調整。

當前，國內部分高校院所已對ABS傳感器性能檢測展開了相關研究，如田錦明[2]基于LabVIEW開發了汽車輪速傳感器測控系統；陳永良[3]開發了汽車輪速傳感器檢測臺；孫駿[4]基于VC++開發了汽車輪速傳感器性能測試系統，研究了傳感器間隙對輸出信號的影響；殷蘇民[5]基于虛擬儀器技術設計了一套針對霍爾式輪速傳感器功能測試的檢測系統等。但此類研究集中于對傳感器單體性能測試，非實車測試環境，測試項目單一。國外對于ABS研究相對較早，現多集中于系統集成測試的研究，對單一部件檢測相對較少，且同類檢測設備價格較為昂貴。因此針對存在的不足，本文設計了一套磁電式ABS傳感器在線性能檢測系統，對車橋傳感器裝配質量進行綜合評定。

1 ABS傳感器工作原理

ABS傳感器，根據其工作原理可分為電渦流式、霍爾式、磁電式等類型[6]。文中針對磁電式ABS傳感器的工作原理、性能檢測展開了深入研究。磁電式ABS傳感器根據電磁感應原理設計，周期性變化的磁場產生周期性的感應電動勢，其值與回路內磁通量的變化成正比：

式中：ε——感應電動勢，V；

ΔΦB——變化的磁通量，Wb；

N——線圈圈數。

如圖1所示，磁電式ABS傳感器內部結構主要由永磁鐵（a）、線圈（b）、信號線、彈簧夾片等組成，同激勵齒圈構成車輪輪速測量裝置。當車橋輪轂轉動時，帶動齒圈同軸旋轉，齒圈表面凹凸齒切割環繞線圈的磁力線導致磁通量發生改變，進而生成了周期性變化的交流電壓，其電壓頻率同車橋的轉速成正比。ABS傳感器工作時，觸頭每交替經過一個齒圈端面，輸出一個周期T的正弦感應電壓U。

圖1 ABS傳感器感應電壓變化曲線

ABS傳感器測速原理：根據傳感器輸出感應電壓頻率f和激勵齒圈齒數m，進而求得車橋轉速n，單位為r/min。

由于磁電式ABS傳感器內部結構簡單，齒圈通過過盈配合裝入車橋輪轂內，影響其輸出感應電壓變化的外部因素主要有車橋轉動速度、傳感器與齒圈間隙、齒圈端面面積、永磁鐵端面面積、永磁鐵磁場等。當齒圈旋轉時其端面與永磁鐵端面近乎于平行狀態，因而假設磁場方向與端面垂直。根據法拉第電磁感應定律，可得永磁鐵途經齒圈表面Σ的磁通量 ФB：

式中：d A——齒圈表面Σ（t）的面積元；

B——永磁鐵的磁場；

B·d A——單位面積元磁通量的矢量點積；

t——單位時間。

假設齒圈做勻速旋轉，其單齒作切割磁力線運動，傳感器線圈附近產生的磁感應強度可表示為

式中：ω——齒圈轉速；

z——齒圈齒數；

T——感應電壓信號周期。

綜上可知，磁電式ABS傳感器感應電動勢與車橋轉速成正比，與傳感器同齒圈的間隙成反比。

2 檢測方案與評定方法

2.1 系統檢測方案設計

根據GB/T 18459——2001《傳感器主要靜態性能指標計算方法》標準與企業測試指導需求，制定磁電式ABS傳感器性能測試總體技術方案，檢測參數包括最大電壓（Vmax/mV）、最小電壓（Vmin/mV）、電壓幅值（V/mV）、有效幅值（Ve/mV）、感應電壓頻率（fP/Hz）、冷態電阻（Rz/Ω）。

由式（2）可知，頻率值f由車橋輪轂轉速n與齒圈齒數m決定，而車橋主差速器輸入端轉速與輪轂端轉速的減速比為1∶3，因此設定差速器輸入端轉速和激勵齒圈的齒數即可驗證測試頻率準確性。

根據性能測試需求，設計了基于PC控制的磁電式ABS傳感器在線綜合性能檢測系統，系統由機械平臺、硬件系統、檢測軟件3部分構成[7]。

2.2 系統硬件模塊設計

圖2為硬件結構原理圖，硬件設計基于模塊化設計思路，以工控計算機為運行載體，子模塊按功能定義劃分為數據采集與信號處理模塊、運動控制與反饋模塊、電壓分壓與電阻測量切換電路、數字信號輸入與輸出電路、裝夾氣路與輔助回路等模塊。

圖2 系統硬件原理圖

數據采集與信號處理模塊：針對ABS傳感器信號輸出響應快、幅值小的特征，采用基于中斷方式的高速數據采集，首先將數據保存在FIFO中，根據硬件的不同，設置當FIFO半滿或全滿時產生一個中斷，接收到中斷信號后發送不同的事件通知用戶當前的采樣狀態，即使能事件通知方式。數據采集卡選用研華PCI-1716，自帶16位A/D轉換器，提供16路單端式/8路差分式AI通道，16路DI/DO通道，最高采樣速率可達250 kS/s。

運動控制與反饋模塊：上位PC通過USB11A轉接模塊同MOVIMOT變頻器相接，再通過配套電纜連接交流電機，通過上位PC設置遵循于SEW變頻器的MOVILINK協議并進行通信，采用3個過程輸出數據（用戶數據 PDU）：PO1控制字、PO2轉速、PO3斜坡，圖3為上位機同變頻器數據通信的命令格式。

圖3 通信命令格式

圖中，SD1、SD2為起始標記位，設置02hex表示上位機輸入信號至變頻器，1Dhex表示變頻器輸出信號反饋回上位機；ADR為地址位，設置01hex；TYP為用戶數據類型，設置85hex表示非循環通信；PDU為用戶輸入數據；BCC為塊校驗字符，為前項所有字節異或（XOR）。

電壓分壓與電阻測量切換電路：根據性能指標分析，傳感器待檢測電參量主要為輸出電壓值、冷態電阻值兩類。為了兼顧兩類不同的電參量檢測，設計了一套基于繼電器控制的切換電路，根據測試項目靈活切換實現性能的綜合檢測。

輸出電壓，是指傳感器工作時輸出的感應正弦電壓信號，其變化趨勢參照圖1。冷態電阻，是指在未工作狀態下傳感器輸出端子處的電阻值，測試時需外加激勵源。文中設計了電壓電阻測量切換電路，采用電阻分壓測試法串聯一個精密電阻同傳感器構成串聯電路。測量時在傳感器和精密電阻兩端輸入5V線性電壓，通過間接測量電阻兩端的電壓，經分壓計算獲得ABS傳感器冷態電阻值[8]。

數字信號輸入與輸出電路：由于傳感器工作時輸出信號幅值較小，響應速率快，生產車間各類電信號摻雜較為復雜，因而為了提取采樣信號中的有效信號，設計了基于RC網絡和集成運放的有源濾波電路，減少采樣信號中的高頻雜波信號，提高微弱感應信號的信噪比。此外，為減少供電電源以及系統共地信號摻入的干擾源，采用隔離變壓器將數據采集與運動控制隔離的方法，且選用雙絞磁屏蔽線作為感應電壓信號的傳輸線，以降低電機運行時產生的高頻干擾對感應信號的影響[9]。

2.3 檢測軟件功能設計

檢測軟件采用上、下位機的分布式結構布局，上位機軟件以LabVIEW為開發平臺，基于柔性開發思想實現功能檢測，下位機則通過RS232串口通信實現對步進電機轉速信號輸入及反饋信號讀取。

如圖4所示，系統開啟自檢，等待車橋到位。車橋定位后，進入檢測模式，讀取性能參數指標。檢測模式采用多線程控制，分為檢測線程和輔助線程，檢測線程根據測量項目需求依次完成車橋左、右工位傳感器冷態電阻、工作電壓的檢測；輔助線程負責數據采集、運動控制、狀態實時監控等功能。待功能項檢測完畢，系統將根據實測值與讀取參數對比分析，給出測試結論和報告，并將測試參數和數據上傳至質量管理數據庫以供追溯。測試結束，系統復位，等待下一輪測試。

為了提高感應電壓測量準確度，在硬件濾波的基礎上采用了基于三次樣條擬合的軟件濾波方法，通過下式對測量數據進行擬合：

圖4 軟件測試流程圖

式中：p——平衡參數，取值為6；

wi——權重的第i個元素；

yi——電壓U的第i個數據；

xi——時間t的第i個數據；

f″（x）——三次樣條函數f（x）的二階導數；

λ（x）——分段常量函數。

式中λi為平滑的第i個數據。

3 測試結果及數據分析

3.1 系統標定

構建并完成檢測系統調試后，為確保系統的測量準確度，需對系統進行標定實驗，以驗證系統檢測參量的準確性[10]。針對電壓測量范圍，采用靜態特性標定方法，選擇準確度為0.1%的數字式電壓表作為標定工具，標準電壓輸出源電壓范圍為0～5V，間隔為0.5V。表1為電壓標定實測數據。

表1 電壓標定數據

結果表明：系統電壓測量誤差＜0.2%，給定信號的輸入與輸出呈線性關系，滿足檢測要求。

3.2 性能測試實驗

在完成系統標定的基礎上，選取某型已裝配好的磁電式ABS傳感器的后車車橋進行ABS性能檢測，單邊輪轂測試時間為2 s，齒圈齒數為42齒，電機轉速為400 r/min，非測試輪轂采用氣缸抱死。圖5為ABS傳感器性能測試曲線。

圖5 性能測試曲線

表2 ABS傳感器性能測試結果

表2為ABS性能測試結果，該傳感器最大電壓為1043mV，最小電壓為906mV，兩者之差為137mV，表明該傳感器所檢測的輪轂齒圈裝配存在一定范圍的偏心，但偏差值在裝配質量要求范圍之內。感應電壓頻率為108.55Hz，冷態電阻為1 404Ω，符合該傳感器性能檢測要求；齒輪轉速2.58 r/s，綜合性能測試合格；產品單次安裝測試節拍小于15 s，滿足生產工藝要求。

3.3 測量系統分析

為了驗證系統測量數據的可靠性，依據JB/T 10633——2006《專用檢測設備評定方法指南》[11]，采用測量系統分析（MSA）對所測得的電壓值、電阻值的重復性進行定量分析，以實現產品質量管理的六西格瑪精髓，即“以數據驅動管理”。

重復性是指同一操作者使用同一套測量設備，對同一被測件的同一特征在較短的時間間隔內進行多次測量，所測數據的一致性，其誤差全部由測量設備固有波動引起，因而又稱之為設備波動（equipment variation，EV）[12]。

針對同一ABS傳感器進行了n次重復性測量，根據測得值Xi計算出平均值再由Xi和計算出標準偏差Sg，最后由公差T和Sg計算出測量能力指數Cg，該項指標反映了隨機誤差對測量過程的影響。針對新系統的驗收，要求其各項檢測項目的測量能力指數Cg均大于1.67，方可評定該系統驗收合格，可投入生產檢測。

式中：Xi——單次測得數據；

n——測量次數；

T——合格公差。

表3、表4為同一ABS傳感器30次重復性測試數據和誤差分析數據。

根據表4測試結果可知，電壓、冷態電阻測量項的測量能力指標Cg均大于1.67，符合JB/T 10633——2006規定的驗收要求。

表3 重復性測試數據

表4 重復性測試結果

4 結束語

設計了一套車橋ABS傳感器綜合性能檢測系統，對其電壓幅值、頻率、有效值、冷態電阻等電信號量進行檢測，實現對車橋ABS傳感器整體裝配質量的評判。

經測試數據分析，系統可獨立完成后車車橋左、右工位ABS傳感器的性能檢測，單工位傳感器測試節拍＜15s，單項性能測量能力指標Cg均符合JB/T 10633——2006中對新設備的驗收要求。該系統的研制成功并投入生產檢測，有助于推動國內車橋ABS傳感器整體質量的提升，為同類產品的性能檢測系統開發、性能評定提供了一定的理論依據。

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