车辆限速装置的设计

设计一种智能限速装置，利用速度传感器将转变成的电压信号输送给ECU（Electronic Control Unit），来控制速度，速度达到规定值时切断电路达到限速的目的。本文介绍了限速装置的工作原理，详细讲述了系统的组成、原理和测试方法。系统采用硬件兼软件对测量过程及测量结果进行处理。与传统的限速装置相比，此限速器具有结构简单、新颖、易于实现的特点。实验证明在整个调速范围内都取得了良好的效果，系统具有良好的稳态精度及动态响应性能，同时也提高了限速装置的整体性能。

关键词
数据采集；控制装置；磁电式传感器；霍尔式传感器

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
近年来，汽车保有量迅速增加，车辆安全性已成为人们最关心的问题。为了保障人民生命财产安全，政府部门制定了相关的道路交通安全法规，为了满足安全法规和消费者对车辆安全性的要求，厂商采取了多方面措施来改善车辆的安全性能，其中电子技术起了很大的作用。随着现代电子技术的发展，车辆电子化的程度越来越高，车辆传感器成为汽车电子控制系统的重要组成部件，也是车辆电子技术领域研究的核心技术之一。车辆内传感器的工作环境十分恶劣，因此对传感器的要求也十分严格。这些传感器必须要经受40℃~+150℃的温度变化，而且要求精度高、可靠性好、反应快、抗干扰和抗振动能力强，才能准确地实时检测车辆运行的有关状态，速度传感器是列车安全行驶的重要设备，它能否稳定工作，将直接影响到车辆的正常运行。
在现代汽车电子控制中，传感器广泛用于发动机控制系统、底盘控制系统、车身控制系统和导航系统中，传感器的使用数量和技术水平决定了现代车辆控制系统的性能，为汽车性能的改善提供了有力保障。传感器是汽车电子控制系统的信息源，是促进汽车高档化、电子化、自动化的关键部件，也是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。传感器能及时识别外界和系统本身的变化，对温度、压力、位置、转速、体积流量等信息进行实时、准确的测量，并将信息传递给电脑进行处理，从而实现汽车各系统的电子控制[1]。现代社会对车辆性能的要求越来越高，促使汽车传感器技术不断发展，今后汽车传感器的发展趋势是实现微型化、智能化和多功能化，开发新材料、新工艺和新型传感器。
1 工作原理
1.1 车辆限速装置的工作原理
车辆自动强制限速装置，包括传感器、控制电路和操控机构。车辆限速器分为两种：一种是在车辆超速时发出语音警报，提醒驾驶者减速；另一种限速器是在车辆超过限定速度后，通过车载电脑发出指令，强制降低车辆行驶速度。
车辆遥控自动限速器由发射器和接收器组成，采用遥控专用编码集成块。通过对遥控限速进行编码，使每一组编码对应一种车速限制，并利用设置在路码表与之刻度同步上的光电传感器进而控制执行继电器切断和接续汽车起动、点火和熄火回路，从而达到控制车速的目的。限速器的发射器包括固定发射器和移动发射器，固定发射器安装在需限速道路路段的出入口处，移动发射器由执法人员掌握，接收器安装在各受控车辆的驾驶室内。
车辆智能限速器由汽车传感器、微电脑速度控制仪和智能机械手组成。 其工作原理是：当车辆速度低于设定值时，控制仪不启动机械手，车辆行驶如常；当车辆速度临界设定值时，控制器立即启动机械手拉起油门，等同于司机放松油门，汽车只能滑行减速不能加速，从而使车速得到控制；当车辆速度低于设定值时，控制器立即反向放松油门，使油门恢复如初。由于它的科学控速原理，车辆限速时呈自然、平稳状态，不易被站立的乘客察觉。
电子限速的作用是限制车速过高，防止因车速过高造成事故。电子限速器可以实时监测车辆的速度，当车速达到一定值的时候，它就会控制供油系统和发动机的转速，这时即使踏下油门踏板，供油系统也不会供油。
1.2  速度传感器
1.2.1 霍尔式速度传感器
霍尔效应是一种磁电效应[2]，是德国物理学家霍尔1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。流垂直于外磁场方向通过导体时，在垂直于磁场和电流方向的导体的两个端面之间出现电势差的现象称为霍尔效应，该电势差称为霍尔电势差（霍尔电压）。根据霍尔效应，人们用半导体材料制成霍尔元件，它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、 输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。
霍尔效应在应用技术中特别重要，如果对位于磁场(B)中的导体(d)施加一个电压(V)，该磁场的方向垂直于所施加电压的方向，那么则在既与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上会产生另一个电压(UH)，人们将这个电压叫做霍尔电压，产生这种现象被称为霍尔效应。好比一条路, 本来大家是均匀的分布在路面上, 往前移动。当有磁场时, 大家可能会被推到靠路的右边行走。故路(导体)的两侧, 就会产生电压差。这个就叫“霍尔效应”。其原理图如下图1所示。
 
图1 霍尔效应原理图

霍尔传感器常用来检测车辆上车速和转速的信号。霍尔传感器由传感头和齿心组成，其传感头由永磁体、霍尔元件和电子电路等组成。霍尔车速传感器的工作原理：在齿蹦转动的过程中，使得通过霍尔元件的磁力线密度发生变化，从而引起霍尔电压的变化，霍尔元件将输出一准正旋波电压，此信号由电子电路转换成表中的脉冲电压。由霍尔原理可知，霍尔传感器的输出电压与被测物体的运动速度无关，因此它的高、低、速特性都很好，若用其测量物体的转速，其下限速度可以接近于0，上限速度从理论上讲可以不受限制，即它可以满足工程中各种运行速度的测量。霍尔轮速传感器还有1000Km/h，以下优点：一是输出信号电压幅值不受转速的影响；二是频率响应高，其幅频响应可高达,相当于车速为时所检测的信号频率；三是抗电磁波干扰能力强。正因为如此，车辆上的车速传感器大都采用霍尔式传感器。
霍尔元件产生的霍尔电压U的大小为：
式中：
 ：控制电流，A；
 ：带电粒子的电荷， = ；
B：磁感应强度，T；
d：半导体的厚度，mm；
n：电子浓度。
当齿圈转到两个齿轮都与霍尔元件对正时，永磁体转到霍尔元件的磁力线分散，磁场较弱，输出的霍尔电压较小；当齿圈转到一个齿与霍尔元件对正时，永磁体转到霍尔元件的磁力线集中，磁场较强，输出的霍尔电压较大。齿轮转动过程中，使得通过霍尔元件的磁力线密度发生变化，从而引起霍尔电压的变化，霍尔元件将输出一准正弦波电压，此信号由电子电路转换成表中的脉冲电压。
1.2.2 磁电式速度传感器
磁电式传感器与霍尔式传感器是车辆上常用来检测车速和转速的信号[3]。磁电式传感器是利用电磁感应原理工作的，即：当闭合回路中的磁通量发生变化时，回路中就产生感应电动势，其大小与磁通量的变化率有关，即  ：
 ：感应电动势；
Ｎ：导电回路中线圈的匝数；
 ：穿越线圈磁通量的变化率；
通过改变 就可以改变感应电动势E的变化，而在实际应用过程当中，改变 的方式有3种，即移动线圈、移动磁铁或改变磁阻，与之对应的分别称为动圈式磁电传感器、动铁式磁电传感器及磁阻式磁电传感器。而在车辆上应用最广的是磁阻式磁电传感器。下面以磁阻式磁电传感器为例来讲磁电式传感器在车辆上的应用情况。磁阻式磁电传感器在车辆上的应用可以用来检测发动机转速和车轮转速，一般由传感头和齿圈组成，而传感头主要由永磁体、磁极和感应线圈组成。当齿圈的齿隙与传感器的极轴端部相对时，极轴端部与齿圈之间的空气间隙最大，磁阻也最大，通过感应线圈的磁通量最小。而当齿圈的齿顶与传感器的极轴端部相对应时，极轴端部与齿圈之间的空气间隙最小，磁阻也最小，通过感应线圈的磁通量最大。当齿圈随同车轮转动时，齿圈的齿顶和齿隙就交替地与传感器极轴顶部相对，传感器感应线圈周围的磁场随之发生强弱交替变化，在感应线圈中就会感应出交变电动势，其频率与齿圈的齿数和转速成正比。
磁电式轮速传感器结构简单、成本低，缺点是：一是输出信号的幅值随转速的变化而变化。若车速过慢，其输出信号低于1V，电控单元就无法检测；二是响应频率不高。当转速过高时，传感器的频率响应跟不上；三是抗电磁波干扰能力差。目前，国内外ABS系统的控制速度范围一般为15km/h～160km/h，今后要求控制速度范围扩大到8km/h～260km/h以至更大，显然磁电式轮速传感器很难适应。