汽车轮速传感器技术全解析：信号获取与应用

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一、引言

随着汽车保有量的持续攀升，消费者对汽车安全技术的要求也日益严格，特别是主动安全技术方面。如今，防抱死系统（ABS）、车身电子稳定系统（ESP）以及日益受到关注的高级驾驶辅助系统（ADAS）和汽车防撞预警系统（FCWS）等，都高度依赖轮速信息的准确获取。这些系统要么直接使用轮速传感器测得的当前轮速，要么通过汽车电子控制单元（ECU）对轮速信号进行逻辑处理来估算汽车速度。本文旨在深入剖析市场上主流轮速传感器的工作原理及其信号特征，并通过具体应用实例来展示其作用，同时展望轮速传感器技术的发展趋势。

二、轮速信号的采集

轮速信号的采集，实质上是对汽车轮轴旋转速度的测量。这一过程常采用的光电式、电涡流式和电磁式等转速测量方法，同样适用于汽车轮速信号的测量。在各种方法中，电磁式轮速传感器以其出色的工作稳定性、适中的价格，以及对环境因素如温度和灰尘的较强抵抗力，成为了轮速信号采集中的主流选择。

电磁式轮速传感器可进一步细分为电感式、霍尔式和磁阻式三种类型。其中，电感式轮速传感器作为被动式传感器，无需外部供电；而霍尔式与磁阻式轮速传感器则为主动式，需要外部电源供电以产生轮速信号，若供电中断，则无法输出轮速信号。
1、电感式轮速传感器

电感式轮速传感器，其工作原理基于电磁感应。它通过将车轮的运动转化为线圈自感系数和互感系数的变化，进而将这种变化转换为电压或电流的输出，从而实现了非电量到电量的转换。根据电磁感应定律，当回路中的磁通量发生变化时，会产生感应电动势，如公式（1）所示：

由公式（1）和（2）可知，感应电动势的输出与磁通量的变化紧密相关，而磁通量的变化频率则直接决定了感应电动势的输出频率。电感式轮速传感器的工作原理结构如示意图1所示

当车轮开始运动时，与之相连的齿圈会随之转动。这种转动会导致齿圈与永久磁铁之间的间隙发生变化，进而影响磁通量的多少。这种磁通量的变化会被感应线圈捕捉，并转化为感应电动势的变化。通过统计感应电动势的频率，我们就可以推算出车轮的转速。
P为系数，其值通常根据单位进行调整；f代表感应电动势的频率；而z则表示齿数。
2、霍尔式轮速传感器的工作原理
霍尔式轮速传感器是利用霍尔效应进行工作的。它主要由霍尔组件和电子元件精心构成。当霍尔元件置于与电流方向垂直的磁场中时，会在该元件的两端产生一个电势差，这个电势差被称为霍尔电势差。正是基于这个原理，霍尔式轮速传感器能够精确地测量轮速。
式中，I代表输入电流，B代表磁感应强度，n代表自由电子浓度，e代表电子电荷量，d代表霍尔元件厚度，KH代表霍尔系数，它定义了霍尔元件的灵敏度，且仅与元件材料相关，是一个常量。根据公式，当UH、I和B中的两个参数确定时，第三个参数也随之确定。需要特别留意的是，自由电子浓度n对温度变化非常敏感，因此必须采取措施消除温度变化所带来的影响。霍尔式轮速传感器的工作原理结构如图2所示。

具有磁化轨道的转轴或磁性轴在旋转时，会产生一个磁场。同时，永久背磁会生成一个偏转磁场。这些磁场的变化可以被霍尔式轮速传感器捕捉到，进而转换为电信号。在车轮运动的过程中，编码器会随之转动，其磁通量的大小变化会被传感器精准地检测到。为了进一步提高检测的精度和灵敏度，传感器内部通常会安装两个霍尔元件，它们在运动过程中会产生具有一定相位差的波形。经过差分放大处理后，这些波形能够更准确地反映车轮的运动状态。此外，车轮的转速也可以通过霍尔电压的信号频率来计算，如式（3）所示。
3、磁阻式轮速传感器
可变磁阻式轮速传感器利用了磁阻效应。当电流通过一个与磁场成角度α设置的磁阻效应元件时，该元件（通常由铁磁材料制成，被称为韦斯磁畴）的电阻系数会发生变化。这种变化是由于磁场与电流夹角α的设置，导致元件不同方向上的磁通量变化率产生差异，进而影响了元件的电阻

当外部磁场与磁阻元件中的电流夹角α发生变动时，磁阻元件的电阻R也会随之改变，具体关系如下

在图4中，我们可以观察到，当夹角α等于90°时，磁阻元件的电阻R达到最小值；而当夹角α为180°或0°时，其电阻R则达到最大值。通常，磁阻元件会与电桥电路相连以进行信号处理，例如惠斯通电桥。在电桥电路中，磁阻元件作为Rx，其阻值的变化会导致R1和R3两端的电压差ΔV发生变化。通过测量和利用这个电压差ΔV，我们可以实现对磁阻元件阻值变化率的放大。
与霍尔元件的信号处理相似，为了消除磁阻元件的零点漂移，我们可以采用差分处理的方法。通过在电路中增加磁阻元件并调整电桥结构，可以实现差分放大，其中六桥结构是常用的方法。此外，车轮转速的计算公式为式（3），其中f代表霍尔电压信号的频率。

三、轮速信号的处理

在采集到轮速信号后，必须进行一系列的信号处理，包括限幅和滤波等操作，以确保汽车ECU能够接收到稳定且有效的轮速信息。
1、轮速信号的分类
在采集到轮速信号后，首要步骤是对其类型进行区分。轮速信号的输出类型主要分为以下四种，具体分类情况可参见图5

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图5（c）、（d）中展示的方波类型，我们称之为数据协议。具备这种数据协议的轮速传感器，其显著优势在于能够精确判定车轮的正反转，从而极大提升了轮速传感器在智能驾驶中的应用价值。例如，它有助于判断车辆的驾驶状态，并为相关主动安全技术的实施提供支持，如电子驻车（EPB）和坡道辅助技术（HA C）。随着汽车智能化水平的不断提升，尤其是自动泊车技术和无人驾驶技术的日益成熟，智能式轮速传感器将扮演愈发重要的角色。
2、轮速信号处理
轮速传感器安装完毕后，其输出的轮速信号会受到多种因素的影响，包括因车身震动导致的气隙变化和齿圈表面的清洁程度。为了确保轮速信号能够被汽车ECU顺畅且准确地接收和处理，轮速传感器必须对输入信号进行一系列的处理，如波形调制、稳压、滤波以及智能补偿等。这些处理旨在提高轮速测量的精确度和准确性。轮速信号处理电路需要具备以下功能：首先，将正弦波信号转换为同频率的方波信号，这是被动式轮速传感器的主要任务；其次，有效抑制噪声干扰；最后，尽量降低气隙变化对轮速信号的不良影响。根据这些需求，轮速信号处理电路的设计如图6所示。

其中，限幅处理主要用于限制输出波形的幅值，使其保持在目标范围内。在轮速信号处理中，常采用稳压管来实现这一功能。稳压管的限幅特性是：当输入信号超过限制电压V时，输出信号被稳定在V；而当输入信号小于V时，输出信号则等于输入信号。

此外，滤波电路在轮速信号处理中扮演着关键角色，其目的是滤除和衰减信号中的噪声干扰。为了有效衰减高频杂波，通常采用有源低通滤波电路，并结合放大器芯片进行信号放大，以确保得到准确且稳定的轮速信号。

四、轮速传感器应用举例

轮速传感器在汽车领域有着广泛的应用，其中之一便是防抱死系统（Antilock Brake System，ABS）。ABS系统旨在解决车辆行驶过程中车轮抱死的问题，这一问题可能导致汽车运动失控，如前轮抱死导致转向能力丧失，后轮抱死引发侧滑甩尾，以及车轮全部抱死时的水滑现象。在车轮滚动状态下，驾驶员能更好地把握汽车动态，缩短制动距离，这正是ABS系统的价值所在。通过轮速传感器获取的速度信号，汽车ECU能实时监测车轮抱死情况，进而调节轮缸压力，使刹车效率提升至90%以上。轮速传感器在车辆上的安装位置如图7所示。

安装轮速传感器时，需确保传感器头与齿圈之间保持大约3mm以内的间隙，即气隙。在安装前，应向传感器注入适量的润滑脂，以防止水分、泥土或灰尘等杂质干扰传感器的工作。若气隙超出规定范围或齿圈表面不够清洁，可能导致输出信号出现丢齿、电流值异常或高低电流无法转换等错误模式，如图8所示。

针对上述情况，确保齿圈与传感器处于封闭环境至关重要，这涉及使用油封、垫片等防油防水措施，同时齿圈材料需具备优异的防腐蚀性，以及选择适合的传感器注塑料。通过提升传感器和齿圈的稳定性，可以确保轮速信号的稳定输出，从而对ABS系统的有效运作产生深远影响。

五、轮速传感器的发展趋势

轮速传感器的设计流程通常由汽车主机厂提出需求，配件厂则负责匹配和推荐。随着汽车智能化驾驶水平的不断提升，智能型轮速传感器正逐渐成为市场主流。多数主机厂倾向于选择这类传感器，因为它们能提供额外的信息，为汽车ECU的决策提供有力支持。因此，可以预见的是，智能型轮速传感器的使用量将逐步攀升。
1、双芯片轮速传感器

双芯片设计最初在单片机领域得到应用，旨在构建冗余系统。这种设计意味着一个齿圈配备有两个轮速传感器，它们共同进行探测和信号输出。我司的双芯片轮速传感器主要发挥以下两大作用：

（1）增强信号的准确性和有效性
传感器输出的两路信号在后续芯片处理中，经过滤波、差分计算等环节，能有效减小测试值与真实值之间的误差，同时降低数据传输线路损失对数据质量的影响。

（2）提升系统可靠性
若其中一个传感器出现故障，备用芯片能立即接替工作，持续输出轮速信号，从而缩短系统故障时间，提升整体可靠性。
2、无线轮速传感器

为了适应更复杂的底盘结构，我们研发了无线轮速传感器。这种传感器通过无线信号传输协议，将轮速信号直接输入汽车ECU或总线，极大地提高了对不同车型的适应性，节省了设计师的大量时间。然而，这种传感器也面临一些挑战，如后续的EMC测试和信号稳定性测试等需要进一步验证。

随着电动汽车的普及和智能化水平的不断提升，轮速信号的可靠性和稳定性成为了关键。因此，无线轮速传感器在短期内将成为行业发展的一个重要趋势。

六、结语

在汽车安全系统中，轮速信号的获取显得尤为关键。本文简明扼要地介绍了轮速传感器的种类及其信号处理的基本方法，深入剖析了其核心特性，并详细阐述了轮速传感器的运作原理、类型选择以及适宜的安装环境。确保稳定且有效的轮速信号是相关安全系统能够正常启动的基础。随着汽车智能化水平的持续提高，轮速传感器所面临的挑战也日益严峻，尤其在可靠性和精度方面。因此，轮速传感器的设计将持续优化，以提供更加精准且适应性强的信号，从而为安全驾驶和智能驾驶保驾护航。