車輛限速裝置的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一種智能限速裝置，利用速度傳感器將轉(zhuǎn)變成的電壓信號輸送給ECU（Electronic Control Unit），來控制速度，速度達(dá)到規(guī)定值時(shí)切斷電路達(dá)到限速的目的。本文介紹了限速裝置的工作原理，詳細(xì)講述了系統(tǒng)的組成、原理和測試方法。系統(tǒng)采用硬件兼軟件對測量過程及測量結(jié)果進(jìn)行處理。與傳統(tǒng)的限速裝置相比，此限速器具有結(jié)構(gòu)簡單、新穎、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)證明在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)都取得了良好的效果，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)精度及動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，同時(shí)也提高了限速裝置的整體性能。

關(guān)鍵詞
數(shù)據(jù)采集；控制裝置；磁電式傳感器；霍爾式傳感器

Design of vehicles speed limiting device

Abstract
One kind of intelligent speed limiting device is designed, using the speed sensor will change into a voltage signal transmission to the ECU (Electronic Control Unit), to control the speed of up to the required duty to cut off the circuit speed purposes. This paper introduced the working principle of speed device, described in detail the composition of the system, principles and testing methods. Hardware and software systems used to measure the process and measurement process. With the traditional speed devices compared to this over speed governor is simple in structure, innovative, easy-to-implement features. Throughout the experiment proved that within the governor have made a good result, the system has a good steady performance of accuracy and dynamic response, but also raise the speed limit device performance.

Keywords
Data collect; Control device; Dyadic sensor of magnetoelectricity; Dyadic sensor of Hall
0 引言
近年來，汽車保有量迅速增加，車輛安全性已成為人們最關(guān)心的問題。為了保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全，政府部門制定了相關(guān)的道路交通安全法規(guī)，為了滿足安全法規(guī)和消費(fèi)者對車輛安全性的要求，廠商采取了多方面措施來改善車輛的安全性能，其中電子技術(shù)起了很大的作用。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，車輛電子化的程度越來越高，車輛傳感器成為汽車電子控制系統(tǒng)的重要組成部件，也是車輛電子技術(shù)領(lǐng)域研究的核心技術(shù)之一。車輛內(nèi)傳感器的工作環(huán)境十分惡劣，因此對傳感器的要求也十分嚴(yán)格。這些傳感器必須要經(jīng)受40℃~+150℃的溫度變化，而且要求精度高、可靠性好、反應(yīng)快、抗干擾和抗振動(dòng)能力強(qiáng)，才能準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)檢測車輛運(yùn)行的有關(guān)狀態(tài)，速度傳感器是列車安全行駛的重要設(shè)備，它能否穩(wěn)定工作，將直接影響到車輛的正常運(yùn)行。
在現(xiàn)代汽車電子控制中，傳感器廣泛用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)、車身控制系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)中，傳感器的使用數(shù)量和技術(shù)水平?jīng)Q定了現(xiàn)代車輛控制系統(tǒng)的性能，為汽車性能的改善提供了有力保障。傳感器是汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，是促進(jìn)汽車高檔化、電子化、自動(dòng)化的關(guān)鍵部件，也是汽車電子技術(shù)領(lǐng)域研究的核心內(nèi)容之一。傳感器能及時(shí)識(shí)別外界和系統(tǒng)本身的變化，對溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、體積流量等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的測量，并將信息傳遞給電腦進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)汽車各系統(tǒng)的電子控制[1]。現(xiàn)代社會(huì)對車輛性能的要求越來越高，促使汽車傳感器技術(shù)不斷發(fā)展，今后汽車傳感器的發(fā)展趨勢是實(shí)現(xiàn)微型化、智能化和多功能化，開發(fā)新材料、新工藝和新型傳感器。
1 工作原理
1.1 車輛限速裝置的工作原理
車輛自動(dòng)強(qiáng)制限速裝置，包括傳感器、控制電路和操控機(jī)構(gòu)。車輛限速器分為兩種：一種是在車輛超速時(shí)發(fā)出語音警報(bào)，提醒駕駛者減速；另一種限速器是在車輛超過限定速度后，通過車載電腦發(fā)出指令，強(qiáng)制降低車輛行駛速度。
車輛遙控自動(dòng)限速器由發(fā)射器和接收器組成，采用遙控專用編碼集成塊。通過對遙控限速進(jìn)行編碼，使每一組編碼對應(yīng)一種車速限制，并利用設(shè)置在路碼表與之刻度同步上的光電傳感器進(jìn)而控制執(zhí)行繼電器切斷和接續(xù)汽車起動(dòng)、點(diǎn)火和熄火回路，從而達(dá)到控制車速的目的。限速器的發(fā)射器包括固定發(fā)射器和移動(dòng)發(fā)射器，固定發(fā)射器安裝在需限速道路路段的出入口處，移動(dòng)發(fā)射器由執(zhí)法人員掌握，接收器安裝在各受控車輛的駕駛室內(nèi)。
車輛智能限速器由汽車傳感器、微電腦速度控制儀和智能機(jī)械手組成。 其工作原理是：當(dāng)車輛速度低于設(shè)定值時(shí)，控制儀不啟動(dòng)機(jī)械手，車輛行駛?cè)绯?；?dāng)車輛速度臨界設(shè)定值時(shí)，控制器立即啟動(dòng)機(jī)械手拉起油門，等同于司機(jī)放松油門，汽車只能滑行減速不能加速，從而使車速得到控制；當(dāng)車輛速度低于設(shè)定值時(shí)，控制器立即反向放松油門，使油門恢復(fù)如初。由于它的科學(xué)控速原理，車輛限速時(shí)呈自然、平穩(wěn)狀態(tài)，不易被站立的乘客察覺。
電子限速的作用是限制車速過高，防止因車速過高造成事故。電子限速器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測車輛的速度，當(dāng)車速達(dá)到一定值的時(shí)候，它就會(huì)控制供油系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這時(shí)即使踏下油門踏板，供油系統(tǒng)也不會(huì)供油。
1.2? 速度傳感器
1.2.1 霍爾式速度傳感器
霍爾效應(yīng)是一種磁電效應(yīng)[2]，是德國物理學(xué)家霍爾1879年研究載流導(dǎo)體在磁場中受力的性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。流垂直于外磁場方向通過導(dǎo)體時(shí)，在垂直于磁場和電流方向的導(dǎo)體的兩個(gè)端面之間出現(xiàn)電勢差的現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，該電勢差稱為霍爾電勢差（霍爾電壓）。根據(jù)霍爾效應(yīng)，人們用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件，它具有對磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應(yīng)寬、 輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因此，在測量、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
霍爾效應(yīng)在應(yīng)用技術(shù)中特別重要，如果對位于磁場(B)中的導(dǎo)體(d)施加一個(gè)電壓(V)，該磁場的方向垂直于所施加電壓的方向，那么則在既與磁場垂直又和所施加電流方向垂直的方向上會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)電壓(UH)，人們將這個(gè)電壓叫做霍爾電壓，產(chǎn)生這種現(xiàn)象被稱為霍爾效應(yīng)。好比一條路, 本來大家是均勻的分布在路面上, 往前移動(dòng)。當(dāng)有磁場時(shí), 大家可能會(huì)被推到靠路的右邊行走。故路(導(dǎo)體)的兩側(cè), 就會(huì)產(chǎn)生電壓差。這個(gè)就叫“霍爾效應(yīng)”。其原理圖如下圖1所示。
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圖1 霍爾效應(yīng)原理圖

霍爾傳感器常用來檢測車輛上車速和轉(zhuǎn)速的信號。霍爾傳感器由傳感頭和齒心組成，其傳感頭由永磁體、霍爾元件和電子電路等組成?；魻栜囁賯鞲衅鞯墓ぷ髟恚涸邶X蹦轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，使得通過霍爾元件的磁力線密度發(fā)生變化，從而引起霍爾電壓的變化，霍爾元件將輸出一準(zhǔn)正旋波電壓，此信號由電子電路轉(zhuǎn)換成表中的脈沖電壓。由霍爾原理可知，霍爾傳感器的輸出電壓與被測物體的運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)，因此它的高、低、速特性都很好，若用其測量物體的轉(zhuǎn)速，其下限速度可以接近于0，上限速度從理論上講可以不受限制，即它可以滿足工程中各種運(yùn)行速度的測量?；魻栞喫賯鞲衅鬟€有1000Km/h，以下優(yōu)點(diǎn)：一是輸出信號電壓幅值不受轉(zhuǎn)速的影響；二是頻率響應(yīng)高，其幅頻響應(yīng)可高達(dá),相當(dāng)于車速為時(shí)所檢測的信號頻率；三是抗電磁波干擾能力強(qiáng)。正因?yàn)槿绱耍囕v上的車速傳感器大都采用霍爾式傳感器。
霍爾元件產(chǎn)生的霍爾電壓U的大小為：
式中：
?：控制電流，A；
?：帶電粒子的電荷， = ；
B：磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；
d：半導(dǎo)體的厚度，mm；
n：電子濃度。
當(dāng)齒圈轉(zhuǎn)到兩個(gè)齒輪都與霍爾元件對正時(shí)，永磁體轉(zhuǎn)到霍爾元件的磁力線分散，磁場較弱，輸出的霍爾電壓較小；當(dāng)齒圈轉(zhuǎn)到一個(gè)齒與霍爾元件對正時(shí)，永磁體轉(zhuǎn)到霍爾元件的磁力線集中，磁場較強(qiáng)，輸出的霍爾電壓較大。齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，使得通過霍爾元件的磁力線密度發(fā)生變化，從而引起霍爾電壓的變化，霍爾元件將輸出一準(zhǔn)正弦波電壓，此信號由電子電路轉(zhuǎn)換成表中的脈沖電壓。
1.2.2 磁電式速度傳感器
磁電式傳感器與霍爾式傳感器是車輛上常用來檢測車速和轉(zhuǎn)速的信號[3]。磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理工作的，即：當(dāng)閉合回路中的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路中就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，其大小與磁通量的變化率有關(guān)，即? ：
?：感應(yīng)電動(dòng)勢；
Ｎ：導(dǎo)電回路中線圈的匝數(shù)；
?：穿越線圈磁通量的變化率；
通過改變 就可以改變感應(yīng)電動(dòng)勢E的變化，而在實(shí)際應(yīng)用過程當(dāng)中，改變 的方式有3種，即移動(dòng)線圈、移動(dòng)磁鐵或改變磁阻，與之對應(yīng)的分別稱為動(dòng)圈式磁電傳感器、動(dòng)鐵式磁電傳感器及磁阻式磁電傳感器。而在車輛上應(yīng)用最廣的是磁阻式磁電傳感器。下面以磁阻式磁電傳感器為例來講磁電式傳感器在車輛上的應(yīng)用情況。磁阻式磁電傳感器在車輛上的應(yīng)用可以用來檢測發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車輪轉(zhuǎn)速，一般由傳感頭和齒圈組成，而傳感頭主要由永磁體、磁極和感應(yīng)線圈組成。當(dāng)齒圈的齒隙與傳感器的極軸端部相對時(shí)，極軸端部與齒圈之間的空氣間隙最大，磁阻也最大，通過感應(yīng)線圈的磁通量最小。而當(dāng)齒圈的齒頂與傳感器的極軸端部相對應(yīng)時(shí)，極軸端部與齒圈之間的空氣間隙最小，磁阻也最小，通過感應(yīng)線圈的磁通量最大。當(dāng)齒圈隨同車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒圈的齒頂和齒隙就交替地與傳感器極軸頂部相對，傳感器感應(yīng)線圈周圍的磁場隨之發(fā)生強(qiáng)弱交替變化，在感應(yīng)線圈中就會(huì)感應(yīng)出交變電動(dòng)勢，其頻率與齒圈的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速成正比。
磁電式輪速傳感器結(jié)構(gòu)簡單、成本低，缺點(diǎn)是：一是輸出信號的幅值隨轉(zhuǎn)速的變化而變化。若車速過慢，其輸出信號低于1V，電控單元就無法檢測；二是響應(yīng)頻率不高。當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時(shí)，傳感器的頻率響應(yīng)跟不上；三是抗電磁波干擾能力差。目前，國內(nèi)外ABS系統(tǒng)的控制速度范圍一般為15km/h～160km/h，今后要求控制速度范圍擴(kuò)大到8km/h～260km/h以至更大，顯然磁電式輪速傳感器很難適應(yīng)。