一種車速傳感器測控系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種車速傳感器測控系統(tǒng)，其包括車速工況模擬單元、霍爾式車速傳感器、下位機單元及上位PC機人機界面單元；車速工況模擬單元包括車速電機；霍爾式車速傳感器連接車速電機；下位機單元包括下位機DSP系統(tǒng)板；下位機DSP系統(tǒng)板為帶前饋控制的數(shù)字遞推PID控制的DSP系統(tǒng)板。本實用新型結構設計簡單、合理，測試和標定直觀、精確，尤其，采用帶前饋控制的數(shù)字遞推PID控制的DSP系統(tǒng)板能有效改善車速電機在運行中的所受擾動性的影響，消除擾動對被控參數(shù)的影響。
【專利說明】一種車速傳感器測控系統(tǒng)【技術領域】
[0001]本實用新型涉及車速傳感器【技術領域】，尤其涉及一種車速傳感器測控系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]目前市場上的傳感器實驗臺不能有針對性的滿足汽車傳感技術方面的實踐教學要求。為此我們之前一直以簡易的實驗器材來開發(fā)實驗。譬如“霍爾式車速傳感器”實驗，只能把傳感器簡單的固定后外接電源，手動旋轉輸入軸后觀測輸出脈沖的形式來認識傳感器特性，無法更深入的了解和應用，且測試過程非常不便，不便于規(guī)?；?、重復化實驗；同時車速信息相關測試和標定存在測試不夠直觀以及標定不方便、不夠精確。雖然現(xiàn)有文獻提出了霍爾式車速傳感器測試系統(tǒng)的開發(fā)方案，由于其為汽車公司配套研制的項目，偏重于測試性能好壞，作為實踐教學來說有一定的局限性，不便作為測試和控制開發(fā)的平臺。
[0003]其中，在現(xiàn)有的車速傳感器的測控系統(tǒng)中，由于加工及裝配過程中，無法保證車速電機和車速傳感器之間的同軸度完全理想，而且鍵槽和鍵之間有些縫隙，電機運行中相當于系統(tǒng)增加了一個側向擾動。然而，現(xiàn)有的車速傳感器的測控系統(tǒng)中通常單獨采用數(shù)字遞推PID控制策略或者數(shù)字式PID控制策略；但是，如果單純采用數(shù)字遞推PID控制策略，在車速傳感器的測控系統(tǒng)的實際應用中控制效果不夠理想；如果單獨采用數(shù)字式PID控制策略的話不僅計算工作量大，而且如果計算過程中出現(xiàn)粗大誤差，控制量輸出將大幅度變化，會引起車速電機的大幅度變化，導致系統(tǒng)超調甚至失控。
[0004]綜上所述，有必要對現(xiàn)有技術進一步完善。

【發(fā)明內容】

[0005]本實用新型是為了解決現(xiàn)有汽車車速信息相關測試和標定不夠直觀、方便及車速電機在運行中易出現(xiàn)側向 擾動的影響，測試精度差等問題而提出一種結構設計簡單、合理，測試和標定直觀、精確且能有效改善車速電機的擾動性車速電機在運行中所受擾動性的影響，測試精度高的車速傳感器測控系統(tǒng)。
[0006]本實用新型是通過以下技術方案實現(xiàn)的:
[0007]上述的車速傳感器測控系統(tǒng)，包括下位機單元及與所述下位機單元連接的上位PC機人機界面單元；所述測控系統(tǒng)包括有車速工況模擬單元和霍爾式車速傳感器；所述車速工況模擬單元包括車速電機；所述霍爾式車速傳感器連接所述車速工況模擬單元的車速電機；所述下位機單元包括下位機DSP系統(tǒng)板；所述下位機DSP系統(tǒng)板為帶前饋控制的數(shù)字遞推PID控制的DSP系統(tǒng)板。
[0008]所述車速傳感器測控系統(tǒng)，其中:所述測控系統(tǒng)還包括車速傳感器調理電路、車速電機驅動電路和汽車車速儀表單元；所述下位機DSP系統(tǒng)板雙向通信連接所述上位PC機人機界面單元，同時控制連接所述車速電機驅動電路并通過所述車速電機驅動電路連接驅動所述車速工況模擬單元；所述汽車車速儀表單元連接所述霍爾式車速傳感器，同時通過所述車速傳感器調理電路反饋連接所述下位機DSP系統(tǒng)板；所述下位機DSP系統(tǒng)板具有信號捕捉端口 CAP5及PWM波形的輸出引腳PWM3。
[0009]所述車速傳感器測控系統(tǒng)，其中:所述車速傳感器調理電路由電阻R5fR54、二極管D5、電容C5f C52、倒相放大器U3和開關光耦U5連接組成；所述電阻R51的一端通過二極管D5連接倒相放大器U3的輸入端，另一端通過輸入端子CS-1N匹配插接有端子B5 ;所述電阻R51是連接所述二極管D5的陰極端，所述二極管D5的陽極端是連接所述倒相放大器U3的輸入端；所述電阻R52 —端連接+5V電源，另一端連接于所述二極管D5陽極端與倒相放大器U3輸入端的連接點；所述電容C51 —端接地，另一端連接于所述電阻R51與二極管D5陰極端的連接點；所述倒相放大器U3的輸入端接地，輸出端通過所述電阻R53連接所述開關光耦U5的陽極；所述開關光耦U5的陰極接地，集電極連接+3.3V電源，發(fā)射極通過所述電阻R54也接地且還與所述信號捕捉端口 CAP5連接；所述電容C52的一端連接所述開關光耦U5的發(fā)射極，另一端接地。
[0010]所述車速傳感器測控系統(tǒng)，其中:所述車速電機驅動電路由電阻R9fR94、倒相放大器U4、開關光耦U9、場效應管Q9、二極管D9以及極性電容C91連接組成；所述電阻R91 —端接地，另一端與所述輸出引腳PWM3連接；所述倒相放大器U4為至少一對，其中一個所述倒相放大器U4的輸入端通過所述電阻R92連接所述輸出引腳PWM3，輸出端連接于另一所述倒相放大器U4的輸入端，另一所述倒相放大器U4的輸出端通過所述電阻R93連接于所述開關光耦U9的陽極；所述開關光耦U9的陰極接地，發(fā)射極連接于所述場效應管Q9的柵極，集電極通過輸出端子CS-OUT +匹配插拔連接于所述車速電機一端并與另一+5V電源連接；所述場效應管Q9的漏極通過另一輸出端子CS-OUT -連接于所述車速電機另一端，源極接地并通過所述電阻R94連接所述場效應管Q9的柵極；所述二極管D9連接于所述開關光耦U9的集電極與場效應管Q9的漏極之間；所述二極管D9的陽極端連接所述場效應管Q9的漏極，陰極端連接所述開關光耦U9的集電極；所述極性電容C91并聯(lián)于所述車速電機的兩端；所述極性電容C91的正極連接所述二極管D9的陰極端，負極與所述二極管D9的陽極端連接。
[0011]所述車速傳感器測控系統(tǒng)，其中:所述汽車車速儀表單元通過端子B13接+24V電源，同時通過端子BI接地；所述霍爾式車速傳感器通過端子B17連接工作電壓，同時通過端子B16連接所述汽車車速儀表單元。
[0012]所述車速傳感器測控系統(tǒng)，其中:所述汽車車速儀表單元與所述車速傳感器調理電路之間還設有測量端口 ；所述測量端口還連接有示波器。
[0013]所述車速傳感器測控系統(tǒng)，其中:所述車速電機由所述下位機DSP系統(tǒng)板通過所述輸出引腳PWM3實時輸出相應PWM波形驅動；所述車速電機采用小型直流電機。
[0014]有益效果:
[0015]本實用新型的車速傳感器測控系統(tǒng)是基于霍爾式車速傳感器的測控系統(tǒng)，其結構設計簡單、合理，成本低，人機界面友好，測試直觀且標定精確；尤其，下位機DSP系統(tǒng)板采用的是帶前饋控制的數(shù)字遞推PID控制的DSP系統(tǒng)板，即當實時監(jiān)測速度增量瞬時超過一個閾值時，即調用前饋控制，由速度增量乘以前饋系數(shù)Kf，立即無延時的疊加到當前PWM輸出；否則只進行單純的數(shù)字遞推PID控制。這種帶前饋控制的數(shù)字遞推PID控制的下位機DSP系統(tǒng)板，能保證下位機DSP系統(tǒng)板的輸出引腳PWM3輸出的PWM波形在出現(xiàn)擾動時即進行控制而非事后進行補償控制，能更有效的消除擾動對被控參數(shù)的影響，不僅計算效率高、計算量小，而且使車速電機的擾動性車速電機在運行中所受擾動性的影響得到了有效改善，還有效解決了車速電機在大幅度變化時控制系統(tǒng)在計算過程中出現(xiàn)粗大誤差導致系統(tǒng)超調甚至失控的問題。，且減少了電機啟動過程中的控制超調。
[0016]同時，采用霍爾式車速傳感器具有對磁場敏感度高、輸出信號穩(wěn)定、頻率響應高、抗電磁干擾能力強、結構簡單、使用方便等特點，低速效果良好，不存在低速時掉脈沖現(xiàn)象；車速傳感器信號測量準確可靠，模擬車速工況控制快速平穩(wěn)。車速電機驅動電路通過優(yōu)化驅動電路工作效果、精確匹配電路參數(shù)來加強工作穩(wěn)定性；車速傳感器調理電路抗電磁干擾能力強，車速傳感器信號經(jīng)調理后陡峭而無雜波，加強了調理效果，使得下位機單元的測量準確可靠。靈活的模塊化設計及插拔連接，能方便實際應用，不僅能滿足相關的實踐教學，也是很好的畢業(yè)設計和課余電子設計應用的實踐平臺。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本實用新型車速傳感器測控系統(tǒng)的結構原理圖；
[0018]圖2為本實用新型車速傳感器測控系統(tǒng)的控制電路結構圖；
[0019]圖3為本實用新型車速傳感器測控系統(tǒng)的汽車車速儀表的電氣原理圖；
[0020]圖4為本實用新型車速傳感器測控系統(tǒng)的下位機DSP系統(tǒng)板帶前饋控制的數(shù)字遞推PID控制策略的示意圖。
【具體實施方式】
[0021]如圖1至3所示，本實用新型車速傳感器測控系統(tǒng)，是基于霍爾式車速傳感器的測控系統(tǒng)，包括車速工況模擬單元1、霍爾式車速傳感器2、汽車車速儀表單元3、下位機單元4和上位PC機人機界面單元5。其中，該下位機單元4包括下位機DSP系統(tǒng)板41、車速傳感器調理電路42和車速電機驅動電路43。
[0022]該車速工況模擬單元I 一端連接霍爾式車速傳感器2，另一端通過車速電機驅動電路43與下位機DSP系統(tǒng)板41連接；其中，該車速工況模擬單元I包括車速電機11，該車速電機采用小型直流電機且通過聯(lián)軸器與霍爾式車速傳感器2聯(lián)結。
[0023]該霍爾式車速傳感器2 —端連接汽車車速儀表單元3，其將車速信號送往汽車車速儀表單元3的汽車儀表盤進行顯示。
[0024]該汽車車速儀表單元3通過車速傳感器調理電路42連接下位機DSP系統(tǒng)板41，即由霍爾式車速傳感器2傳來的車速信號經(jīng)汽車車速儀表單元3通過車速傳感器調理電路42送達下位機DSP系統(tǒng)板41進行實時測量，并與設定車速比較后進行反饋控制。其中，在汽車車速儀表單元3與車速傳感器調理電路42之間還設有測量端口，該測量端口還連接有示波器6，通過用示波器6可實時測量霍爾式車速傳感器2的當前實際波形及調理波形。
[0025]該下位機DSP系統(tǒng)板41的一端通過串口進行雙向通信連接上位PC機人機界面5，另一端連接控制車速電機驅動電路43并通過車速電機驅動電路43來驅動連接車速工況模擬單元I。該下位機DSP系統(tǒng)板41具有信號捕捉端口 CAP5及PWM波形的輸出引腳PWM3。
[0026]如圖4所示，該下位機DSP系統(tǒng)板41采用的是帶前饋控制的數(shù)字遞推PID控制的DSP系統(tǒng)板，其包括數(shù)字遞推PID控制模塊411及控制連接于數(shù)字遞推PID控制模塊411輸出端的PWM控制輸出模塊412 ;數(shù)字遞推PID控制模塊411的輸出端與PWM控制輸出模塊412的輸出端之間還連接有前饋控制模塊413 ;其中，當實時監(jiān)測速度增量瞬時超過一個閾值時，調用前饋控制模塊413，即由速度增量乘以前饋系數(shù)Kf，立即無延時的疊加到當前PWM控制輸出模塊412的輸出端進行PWM輸出，否則只通過數(shù)字遞推PID控制模塊控制PWM控制輸出模塊412進行PWM輸出。該下位機DSP系統(tǒng)板41采用帶前饋控制的數(shù)字遞推PID控制策略，能保證下位機DSP系統(tǒng)板的輸出引腳PWM3輸出的PWM波形，即PWM控制輸出模塊412輸出端輸出的PWM波形在出現(xiàn)車速電機擾動時即進行控制而非事后進行補償控制，前饋控制能更有效的消除擾動對被控參數(shù)的影響，相比單純的PID控制，同時數(shù)字遞推PID控制相比單純的PID控制，PWM波形輸出的波動性得到了有效改善。同時，為了減少電機啟動過程中的控制超調，可通過開環(huán)實驗確定電機的死區(qū)電壓所對應的占空比，即為電機控制的初始占空比。
[0027]該車速傳感器調理電路42由電阻R5f R54、二極管D5、電容C5f C52、倒相放大器U3和開關光耦U5連接組成；其中，電阻R51的一端通過輸入端子CS-1N匹配插接有端子B5，另一端通過二極管D5連接倒相放大器U3的輸入端；其中，二極管D5的陰極端連接電阻R51,陽極端是連接倒相放大器U3的輸入端；電阻R52 —端連接于二極管D5陽極端與倒相放大器U3輸入端的連接點，電阻52的另一端則連接于+5V電源；電容C51 —端接地(模擬地)，另一端連接于電阻R51與二極管D5陰極端的連接點，即電容C51與電阻R51 —起組成RC濾波電路；倒相放大器U3的輸入端接地(模擬地)，輸出端通過電阻R53連接開關光耦U5的陽極；開關光耦U5的陰極接地(模擬地)，集電極連接+3.3V電源，發(fā)射極通過電阻R54接地(數(shù)字地)且還與下位機單元4的CAP5捕捉端口連接；電容C52的一端連接開關光耦U5的發(fā)射極，另一端接地(數(shù)字地)。
[0028]由于車速傳感器調理電路42受到車速電機11電刷及其它如磁電式轉速傳感器空間電磁干擾等因素的影響，所以自汽車車速儀表單元3經(jīng)端子B5輸出的信號并不是標準的方波信號，而是夾雜著大量尖峰和毛刺，所以需要進一步處理才能送往下位機DSP系統(tǒng)板41的信號捕捉端口 CAP5。輸出脈沖信號首先經(jīng)過由電阻R51與電容C51組成的RC濾波電路進行濾波，濾除高頻干擾信號。然后經(jīng)過一個反串的二極管D5上拉電路，輸入端子CS-1N為低電平時二極管D5導通輸出低電平信號，輸入端為高電平時二極管D5截止輸出高電平信號。由于尖峰毛刺主要出現(xiàn)在高電平輸入時，故能進一步的濾除尖峰毛刺造成的干擾。為使輸出波形更加陡峭，輸出信號再經(jīng)過帶正反饋的遲滯比較器施密特反相器即倒相放大器U3，并能進一步克服噪聲和駝峰干擾現(xiàn)象。然后再經(jīng)過開關光耦進行光電隔離后送往下位機DSP系統(tǒng)板41的信號捕捉端口 CAP5，避免傳感器地和數(shù)字地之間的串擾。
[0029]該車速電機驅動電路43由電阻R9f R94、一對倒相放大器U4、開關光耦U9、場效應管Q9、二極管D9以及極性電容C91連接組成；其中，該電阻R91 —端接地(數(shù)字地)，另一端連接于下位機DSP系統(tǒng)板41的輸出引腳PWM3 ;該一對倒相放大器U4串接在一起，即其中一個倒相放大器U4的輸入端通過電阻R92連接下位機DSP系統(tǒng)板6的輸出引腳PWM3，輸出端則連接于另一倒相放大器U4的輸入端，另一倒相放大器U4的輸出端則通過電阻R93連接于開關光耦U9的陽極；開關光耦U9的陰極接地(數(shù)字地)，發(fā)射極連接于場效應管Q9的柵極，集電極通過輸出端子CS-OUT +端子匹配插拔連接于車速電機11 一端并與另一 +5V電源連接；場效應管Q9的漏極通過另一輸出端子CS-OUT -連接于車速電機11另一端，源極接地(模擬地)并通過電阻R94連接場效應管Q9的柵極；二極管D9為硅二極管，其連接于開關光耦U9的集電極與場效應管Q9的漏極之間，即二極管D9的陽極端連接場效應管Q9的漏極，二極管D9的陰極端連接開關光耦U9的集電極；極性電容C91并聯(lián)于車速電機11的兩端，即極性電容C91的正極與二極管D9的陰極端連接，極性電容C91的負極與二極管D9的陽極端連接。
[0030]當實時測量車速和設定車速比較后，下位機單元4通過軟件控制算法后經(jīng)過輸出引腳PWM3實時輸出相應的PWI波形以驅動車速電機11。PWI波形經(jīng)過兩級反相器即倒相放大器U4驅動后送往開關光耦U9進行隔離驅動后，去控制IRF540N型場效應管Q9的柵極，使負載車速電機11與地的通路進行通斷控制。反并的二極管D9起到續(xù)流二極管的作用，當車速電機11突然減速后生成的感生電勢能量通過二極管D9釋放，避免擊穿場效應管Q9。車速電機11兩端并聯(lián)極性電容C91，可以平滑PWI波形，使車速電機11運行更加平穩(wěn)。
[0031]其中，如圖2、3所示，汽車車速儀表單元3通過端子B13接+24V電源，同時還通過端子BI接地(模擬地)?；魻柺杰囁賯鞲衅?通過端子B17連接工作電壓(+8.6V)，同時還通過端子B16將車速傳感器信號輸入汽車車速儀表單元3內部進行顯示，并經(jīng)端子B5輸出。故可直接利用端子B5，把汽車車速儀表單元3輸出的車速方波信號直接作為車速信號源送往后級車速傳感器調理電路42及下位機DSP系統(tǒng)板41。
[0032]上位PC機人機界面單元5接受下位機單元4傳來的車速測量數(shù)據(jù)后同步進行顯示，同時設定操作者所期望的車速并發(fā)送給下位機單元4。
[0033]本實用新型結構設計簡單、合理，操作簡單、方便，成本低，尤其采用帶前饋控制的數(shù)字遞推PID控制的下位機DSP系統(tǒng)板，能保證車速電機在出現(xiàn)擾動時即進行控制而非事后進行補償控制，能更有效的消除擾動對被控參數(shù)的影響；通過開環(huán)實驗確定電機的死區(qū)電壓所對應的占空比，即為電機控制的初始占空比，減少了電機啟動過程中的控制超調；同時，靈活的模塊化設計及插拔連接，能方便實際應用，不僅能滿足相關的實踐教學，也是很好的畢業(yè)設計和課余電子設計應用的實踐平臺。
[0034]為了減少電機啟動過程中的控制超調，可通過開環(huán)實驗確定電機的死區(qū)電壓所對應的占空比，即為電機控制的初始占空比。
【權利要求】
1.一種車速傳感器測控系統(tǒng)，包括下位機單元及與所述下位機單元連接的上位PC機人機界面單元；其特征在于:所述測控系統(tǒng)包括有車速工況模擬單元和霍爾式車速傳感器；所述車速工況模擬單元包括車速電機；所述霍爾式車速傳感器連接所述車速工況模擬單元的車速電機； 所述下位機單元包括下位機DSP系統(tǒng)板；所述下位機DSP系統(tǒng)板為帶前饋控制的數(shù)字遞推PID控制的DSP系統(tǒng)板。
2.如權利要求1所述的車速傳感器測控系統(tǒng)，其特征在于:所述測控系統(tǒng)還包括車速傳感器調理電路、車速電機驅動電路和汽車車速儀表單元； 所述下位機DSP系統(tǒng)板雙向通信連接所述上位PC機人機界面單元，同時控制連接所述車速電機驅動電路并通過所述車速電機驅動電路連接驅動所述車速工況模擬單元； 所述汽車車速儀表單元連接所述霍爾式車速傳感器，同時通過所述車速傳感器調理電路反饋連接所述下位機DSP系統(tǒng)板； 所述下位機DSP系統(tǒng)板具有信號捕捉端口 CAP5及PWM波形的輸出引腳PWM3。
3.如權利要求2所述的車速傳感器測控系統(tǒng)，其特征在于:所述車速傳感器調理電路由電阻R5f R54、二極管D5、電容C5f C52、倒相放大器U3和開關光耦U5連接組成； 所述電阻R51的一端通過二極管D5連接倒相放大器U3的輸入端，另一端通過輸入端子CS-1N匹配插接有端子B5 ； 所述電阻R51是連接所述二極管D5的陰極端，所述二極管D5的陽極端是連接所述倒相放大器U3的輸入端； 所述電阻R52 —端連接+5V電源，另一端連接于所述二極管D5陽極端與倒相放大器U3輸入端的連接點； 所述電容C51 —端接地，另一端連接于所述電阻R51與二極管D5陰極端的連接點； 所述倒相放大器U3的輸入端接地，輸出端通過所述電阻R53連接所述開關光耦U5的陽極； 所述開關光耦U5的陰極接地，集電極連接+3.3V電源，發(fā)射極通過所述電阻R54也接地且還與所述信號捕捉端口 CAP5連接； 所述電容C52的一端連接所述開關光耦U5的發(fā)射極，另一端接地。
4.如權利要求2所述的車速傳感器測控系統(tǒng)，其特征在于:所述車速電機驅動電路由電阻R9f R94、倒相放大器U4、開關光耦U9、場效應管Q9、二極管D9以及極性電容C91連接組成； 所述電阻R91 —端接地，另一端與所述輸出引腳PWM3連接； 所述倒相放大器U4為至少一對，其中一個所述倒相放大器U4的輸入端通過所述電阻R92連接所述輸出引腳PWM3，輸出端連接于另一所述倒相放大器U4的輸入端，另一所述倒相放大器U4的輸出端通過所述電阻R93連接于所述開關光耦U9的陽極； 所述開關光耦U9的陰極接地，發(fā)射極連接于所述場效應管Q9的柵極，集電極通過輸出端子CS-OUT +匹配插拔連接于所述車速電機一端并與另一 +5V電源連接； 所述場效應管Q9的漏極通過另一輸出端子CS-OUT -連接于所述車速電機另一端，源極接地并通過所述電阻R94連接所述場效應管Q9的柵極； 所述二極管D9連接于所述開關光耦U9的集電極與場效應管Q9的漏極之間；所述二極管D9的陽極端連接所述場效應管Q9的漏極，陰極端連接所述開關光耦U9的集電極；所述極性電容C91并聯(lián)于所述車速電機的兩端；所述極性電容C91的正極連接所述二極管D9的陰極端，負極與所述二極管D9的陽極端連接。
5.如權利要求2所述的車速傳感器測控系統(tǒng)，其特征在于: 所述汽車車速儀表單元通過端子B13接+24V電源，同時通過端子BI接地； 所述霍爾式車速傳感器通過端子B17連接工作電壓，同時通過端子B16連接所述汽車車速儀表單元。
6.如權利要求2所述的車速傳感器測控系統(tǒng)，其特征在于:所述汽車車速儀表單元與所述車速傳感器調理電路之間還設有測量端口 ；所述測量端口還連接有示波器。
7.如權利要求2所述的車速傳感器測控系統(tǒng)，其特征在于:所述車速電機由所述下位機DSP系統(tǒng)板通過所述輸出引腳PWM3實時輸出相應PftfM波形驅動；所述車速電機采用小型直流電機。
【文檔編號】G01P21/02GK203606388SQ201320676211
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年10月30日 優(yōu)先權日:2013年10月30日
【發(fā)明者】程登良, 蔣偉榮, 黃海波, 黃志文, 王衛(wèi)華, 張凱 申請人:湖北汽車工業(yè)學院