车轮转速检测方法的研究

车轮转速检测方法的研究

22002123 郭林林摘要:介绍了一种用8031 单片机实现电动助力车车轮转速智能化检测的方法，给出了一种用集成霍尔元件作为转速传感器的原理及检测系统的软硬件组成。在分析现有轮速算法的基础上，提出了一种自适应高精度轮速算法，保证了在高速、低速轮速计算的精度，也使得在低速测量时有很好的实时性。

关键词:转速测量; 单片机;差分放大；霍尔元件; 霍尔窗传感器; 自适应算法

0 引言

电动助力车具有无污染、低噪声和轻便快捷等特点，将是燃油助力车和摩托车的替代产品，是绿色环保的交通工具。根据不完全统计，我国的电动自行车保有量都在以翻一番的速度增长．电动助力车的行驶速度是电动助力车综合性能检测的一个重要指标，车速的检测也是对车速表的校核，并关系到对其他参数（如车载蓄电池一次充电续驶里程）的正确评价。对电动自行车车轮转速的检测方法的研究具有很高的现实用途和意义．

1 检测系统结构

1.1 检测系统硬件结构

整个检测系统的硬件部分主要由线性集成霍尔传感器、8031 单片机以及输入输出部分等组成，其结构框图如图1 所示。本系统是两级分布式的检测控制系统，下位机是以单片机为核心的独立智能单元，可以独立完成参数的检测及控制任务。上位机以微型计算机为主，为管理级，主要用来完成参数检测时的协调工作、检测数据入库以及必要的数据分析工作。上位机和下位机之间采用串行通讯方式来完成数据管理和信息的交换工作。如果受到检测条件的限制，作为下位机的单片机系统可以脱离微机的控制，独立地完成车速的高精度检测任务。

图1 检测系统结构框图

1.2 检测系统软件结构

在软件设计中充分利用单片机资源进行模块化设计，使软件结构清晰。系统主程序分为以下几个功能模块：测量子程序模块，计算车速子程序模块，串行通讯子程序模块，显示子程序模块，键盘扫描处理程序模块和打印子程序模块。主程序流程图如图2 所示。

图2 主程序流程图

2 检测方法

目前，国内外普遍采用霍尔元件、光电式传感器等器件组成新型的转速检测装置。本系统中转速传感器的核心元件选用UGN3503 大信号输出集成霍尔电路，它是由电压调整器、霍尔元件、带温度补偿的差动放大器和输出级等组成，采用射级输出形式，输出与磁感应强

度呈线

图3 集成霍尔电路构成框图

性关系，线性度非常好，且输出电阻小，温度性能好，其基本构成如图3 所示。

本检测系统采用双滚筒试验台，被检测的轮速转换为滚筒的转速。转速传感器由永磁体、集成霍尔电路及电平转换电路组成。在滚筒端面的圆周边缘等距离地布置若干数量的高磁能积、高矫顽力的钕铁硼永磁片，具有较强的表面磁感应强度，集成霍尔元件固定在距磁片端面1~3mm 处。

滚筒转动时带动磁片转动，使磁片与霍尔元件的相对位置发生变化。当磁片靠近霍尔元件时，穿过霍尔元件的磁感应强度B 增大，从而产生较强的霍尔电势，经差动放大器放大后，最后由输出级输出高电平。当磁片离开霍尔元件时，磁感应强度B 减弱，输出级输出为低电平。这样，车轮在转动过程中，霍尔传感器输出为连续的脉冲信号，其频率与转速成正比关系。采用大信号集成霍尔传感器，其输出电压U4 的高电平可达到5V ，故采样所得到的信号无需经过放大处理，可直接整形后送入8031单片机进行轮速计算等数据处理工作。

３ 轮速计算方法与精度分析

当车轮转动时，霍尔元件输出连续脉冲信号，此时的轮速计算就是将脉冲频率转换为车轮的转速。目前，常用的轮速计算方法有以下几种：频率法、周期法和多倍周期法。其中频率法和周期法的计算原理和精度分析在各种文献中介绍得比较详细，在此不再赘述。本文在总结了多倍周期法的计算原理、分析了计算误差原因和实际使用过程中的局限性的基础上，提出了一种新的轮速计算方法—轮速计算的精度自适应方法。这种方法在保证各频带轮速计算精度的同时，也能满足本系统检测的实时性的要求，较好地克服了传统轮速计算方法的局限性。

3.1 轮速计算多倍周期法

轮速V 计算公式为

f Z r V ⨯=)/2(π （１）

式中：r －滚筒半径

Z －磁片数量

f －轮速脉冲频率

对于确定的系统，2πr/Z 为常数，所以轮速计算的误差分析转换成频率f 的误差分析。

对于轮速低频测量，周期法有较高的精度，对于轮速高频测量，频率法有较高的精度。因此，如果把周期法与频率法结合起来，采用轮速脉冲周期倍乘的措施，可以展宽轮速测量范围，提高测量精度，这就是多倍周期法。

３.1.1 原理

轮速脉冲信号按固定的分频数进行分频，使得被测周期得到倍乘，计算轮速脉冲频率f 公式为：

T

m T m m T f 111111===（2） 式中：m1－周期倍乘数

T1－实际轮速频率信号的周期

T －m1 分频脉冲周期

在实际的软件实现过程中，m1 分频脉冲周期T 总是换算成N 个时标信号周期τ0 进行计算，这时可认为T=N τ0，即轮速脉冲频率计算公式为：

)/(01τ⨯=N m f （3）

测量原理如图4 所示。

３.1.2 精度分析

由于采用轮速周期倍乘措施，这样所测得的N1=N/m1 为m1 个轮速脉冲周期的平均值。由于每个轮速脉冲周期都存在着ΔT1 的误差，如磁片在滚筒端面的圆周边缘分布不均匀等原因，ΔT1有正有负，所以取m1 个轮速周期的平均值的误差必然小于单个周期的误差，从而提高了轮速测量的精度。轮速计算多倍周期法对于不同轮速频率范围都能达到很高的测量精度。但是，由于这种方法对低频轮速脉冲信号进行了倍乘，所以多倍周期法在提高高频轮速计算精度的同时，拉大了低频轮速计算的时间间隔，从而降低了低速检测的实时性。

3.2 轮速计算精度自适应方法

此方法是以多倍周期法为基础，并结合轮速的计算精度和检测的实时性的要求设计的。多倍周期法的轮速脉冲倍乘数m1 为固定值，造成了低速计算实时性差的缺点，而精度自适应方法则克服了这一缺点，在保证高速、低速计算精度的同时，很好地保证了低速检测的实时性。此方法关键是式（3）中m1 值的选取，须根据精度要求和时间限制等条件来确定m1。

首先，为保证测控的实时性，设定最大的控制周期Ts ，由时间限制条件可以确定m1 的上限值：

1

1T T m s ≤（4） 然后，根据精度要求的限制条件，可求出m1的下限值。推导如下。

由式（3）可得：

0)(ττd N dN f df +-=（5） 由式（5）可知，测量误差来自两部分：一部分是时标信号脉冲计数误差N dN /，这种误差即±1字误差，此时dN =±1；另一部分为时标精度误差d τ0/τ0，这是一种常值误差，通常单片机用晶体振荡器定时，d τ0 精度相当高，保证在6

10-以下，所以此项误差一般可以忽略。根据以上分析，误差主要来自时标信号脉冲计数误差，即： 1100

1

T m T m dN N dN f df ττ±=-=-=（6） 若精度要求为 a%，即f df /<±a%，则可确定 m1 的下限值：

1

01100aT m τ>（7）