一种车速传感器测控系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种车速传感器测控系统，其包括车速工况模拟单元、霍尔式车速传感器、下位机单元及上位PC机人机界面单元；车速工况模拟单元包括车速电机；霍尔式车速传感器连接车速电机；下位机单元包括下位机DSP系统板；下位机DSP系统板为带前馈控制的数字递推PID控制的DSP系统板。本实用新型结构设计简单、合理，测试和标定直观、精确，尤其，采用带前馈控制的数字递推PID控制的DSP系统板能有效改善车速电机在运行中的所受扰动性的影响，消除扰动对被控参数的影响。
【专利说明】一种车速传感器测控系统【技术领域】
[0001]本实用新型涉及车速传感器【技术领域】，尤其涉及一种车速传感器测控系统。
【背景技术】
[0002]目前市场上的传感器实验台不能有针对性的满足汽车传感技术方面的实践教学要求。为此我们之前一直以简易的实验器材来开发实验。譬如“霍尔式车速传感器”实验，只能把传感器简单的固定后外接电源，手动旋转输入轴后观测输出脉冲的形式来认识传感器特性，无法更深入的了解和应用，且测试过程非常不便，不便于规模化、重复化实验；同时车速信息相关测试和标定存在测试不够直观以及标定不方便、不够精确。虽然现有文献提出了霍尔式车速传感器测试系统的开发方案，由于其为汽车公司配套研制的项目，偏重于测试性能好坏，作为实践教学来说有一定的局限性，不便作为测试和控制开发的平台。
[0003]其中，在现有的车速传感器的测控系统中，由于加工及装配过程中，无法保证车速电机和车速传感器之间的同轴度完全理想，而且键槽和键之间有些缝隙，电机运行中相当于系统增加了一个侧向扰动。然而，现有的车速传感器的测控系统中通常单独采用数字递推PID控制策略或者数字式PID控制策略；但是，如果单纯采用数字递推PID控制策略，在车速传感器的测控系统的实际应用中控制效果不够理想；如果单独采用数字式PID控制策略的话不仅计算工作量大，而且如果计算过程中出现粗大误差，控制量输出将大幅度变化，会引起车速电机的大幅度变化，导致系统超调甚至失控。
[0004]综上所述，有必要对现有技术进一步完善。
【发明内容】
[0005]本实用新型是为了解决现有汽车车速信息相关测试和标定不够直观、方便及车速电机在运行中易出现侧向 扰动的影响，测试精度差等问题而提出一种结构设计简单、合理，测试和标定直观、精确且能有效改善车速电机的扰动性车速电机在运行中所受扰动性的影响，测试精度高的车速传感器测控系统。
[0006]本实用新型是通过以下技术方案实现的:
[0007]上述的车速传感器测控系统，包括下位机单元及与所述下位机单元连接的上位PC机人机界面单元；所述测控系统包括有车速工况模拟单元和霍尔式车速传感器；所述车速工况模拟单元包括车速电机；所述霍尔式车速传感器连接所述车速工况模拟单元的车速电机；所述下位机单元包括下位机DSP系统板；所述下位机DSP系统板为带前馈控制的数字递推PID控制的DSP系统板。
[0008]所述车速传感器测控系统，其中:所述测控系统还包括车速传感器调理电路、车速电机驱动电路和汽车车速仪表单元；所述下位机DSP系统板双向通信连接所述上位PC机人机界面单元，同时控制连接所述车速电机驱动电路并通过所述车速电机驱动电路连接驱动所述车速工况模拟单元；所述汽车车速仪表单元连接所述霍尔式车速传感器，同时通过所述车速传感器调理电路反馈连接所述下位机DSP系统板；所述下位机DSP系统板具有信号捕捉端口 CAP5及PWM波形的输出引脚PWM3。
[0009]所述车速传感器测控系统，其中:所述车速传感器调理电路由电阻R5fR54、二极管D5、电容C5f C52、倒相放大器U3和开关光耦U5连接组成；所述电阻R51的一端通过二极管D5连接倒相放大器U3的输入端，另一端通过输入端子CS-1N匹配插接有端子B5 ;所述电阻R51是连接所述二极管D5的阴极端，所述二极管D5的阳极端是连接所述倒相放大器U3的输入端；所述电阻R52 —端连接+5V电源，另一端连接于所述二极管D5阳极端与倒相放大器U3输入端的连接点；所述电容C51 —端接地，另一端连接于所述电阻R51与二极管D5阴极端的连接点；所述倒相放大器U3的输入端接地，输出端通过所述电阻R53连接所述开关光耦U5的阳极；所述开关光耦U5的阴极接地，集电极连接+3.3V电源，发射极通过所述电阻R54也接地且还与所述信号捕捉端口 CAP5连接；所述电容C52的一端连接所述开关光耦U5的发射极，另一端接地。
[0010]所述车速传感器测控系统，其中:所述车速电机驱动电路由电阻R9fR94、倒相放大器U4、开关光耦U9、场效应管Q9、二极管D9以及极性电容C91连接组成；所述电阻R91 —端接地，另一端与所述输出引脚PWM3连接；所述倒相放大器U4为至少一对，其中一个所述倒相放大器U4的输入端通过所述电阻R92连接所述输出引脚PWM3，输出端连接于另一所述倒相放大器U4的输入端，另一所述倒相放大器U4的输出端通过所述电阻R93连接于所述开关光耦U9的阳极；所述开关光耦U9的阴极接地，发射极连接于所述场效应管Q9的栅极，集电极通过输出端子CS-OUT +匹配插拔连接于所述车速电机一端并与另一+5V电源连接；所述场效应管Q9的漏极通过另一输出端子CS-OUT -连接于所述车速电机另一端，源极接地并通过所述电阻R94连接所述场效应管Q9的栅极；所述二极管D9连接于所述开关光耦U9的集电极与场效应管Q9的漏极之间；所述二极管D9的阳极端连接所述场效应管Q9的漏极，阴极端连接所述开关光耦U9的集电极；所述极性电容C91并联于所述车速电机的两端；所述极性电容C91的正极连接所述二极管D9的阴极端，负极与所述二极管D9的阳极端连接。
[0011]所述车速传感器测控系统，其中:所述汽车车速仪表单元通过端子B13接+24V电源，同时通过端子BI接地；所述霍尔式车速传感器通过端子B17连接工作电压，同时通过端子B16连接所述汽车车速仪表单元。
[0012]所述车速传感器测控系统，其中:所述汽车车速仪表单元与所述车速传感器调理电路之间还设有测量端口 ；所述测量端口还连接有示波器。
[0013]所述车速传感器测控系统，其中:所述车速电机由所述下位机DSP系统板通过所述输出引脚PWM3实时输出相应PWM波形驱动；所述车速电机采用小型直流电机。
[0014]有益效果:
[0015]本实用新型的车速传感器测控系统是基于霍尔式车速传感器的测控系统，其结构设计简单、合理，成本低，人机界面友好，测试直观且标定精确；尤其，下位机DSP系统板采用的是带前馈控制的数字递推PID控制的DSP系统板，即当实时监测速度增量瞬时超过一个阈值时，即调用前馈控制，由速度增量乘以前馈系数Kf，立即无延时的叠加到当前PWM输出；否则只进行单纯的数字递推PID控制。这种带前馈控制的数字递推PID控制的下位机DSP系统板，能保证下位机DSP系统板的输出引脚PWM3输出的PWM波形在出现扰动时即进行控制而非事后进行补偿控制，能更有效的消除扰动对被控参数的影响，不仅计算效率高、计算量小，而且使车速电机的扰动性车速电机在运行中所受扰动性的影响得到了有效改善，还有效解决了车速电机在大幅度变化时控制系统在计算过程中出现粗大误差导致系统超调甚至失控的问题。，且减少了电机启动过程中的控制超调。
[0016]同时，采用霍尔式车速传感器具有对磁场敏感度高、输出信号稳定、频率响应高、抗电磁干扰能力强、结构简单、使用方便等特点，低速效果良好，不存在低速时掉脉冲现象；车速传感器信号测量准确可靠，模拟车速工况控制快速平稳。车速电机驱动电路通过优化驱动电路工作效果、精确匹配电路参数来加强工作稳定性；车速传感器调理电路抗电磁干扰能力强，车速传感器信号经调理后陡峭而无杂波，加强了调理效果，使得下位机单元的测量准确可靠。灵活的模块化设计及插拔连接，能方便实际应用，不仅能满足相关的实践教学，也是很好的毕业设计和课余电子设计应用的实践平台。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本实用新型车速传感器测控系统的结构原理图；
[0018]图2为本实用新型车速传感器测控系统的控制电路结构图；
[0019]图3为本实用新型车速传感器测控系统的汽车车速仪表的电气原理图；
[0020]图4为本实用新型车速传感器测控系统的下位机DSP系统板带前馈控制的数字递推PID控制策略的示意图。
【具体实施方式】
[0021]如图1至3所示，本实用新型车速传感器测控系统，是基于霍尔式车速传感器的测控系统，包括车速工况模拟单元1、霍尔式车速传感器2、汽车车速仪表单元3、下位机单元4和上位PC机人机界面单元5。其中，该下位机单元4包括下位机DSP系统板41、车速传感器调理电路42和车速电机驱动电路43。
[0022]该车速工况模拟单元I 一端连接霍尔式车速传感器2，另一端通过车速电机驱动电路43与下位机DSP系统板41连接；其中，该车速工况模拟单元I包括车速电机11，该车速电机采用小型直流电机且通过联轴器与霍尔式车速传感器2联结。
[0023]该霍尔式车速传感器2 —端连接汽车车速仪表单元3，其将车速信号送往汽车车速仪表单元3的汽车仪表盘进行显示。
[0024]该汽车车速仪表单元3通过车速传感器调理电路42连接下位机DSP系统板41，即由霍尔式车速传感器2传来的车速信号经汽车车速仪表单元3通过车速传感器调理电路42送达下位机DSP系统板41进行实时测量，并与设定车速比较后进行反馈控制。其中，在汽车车速仪表单元3与车速传感器调理电路42之间还设有测量端口，该测量端口还连接有示波器6，通过用示波器6可实时测量霍尔式车速传感器2的当前实际波形及调理波形。
[0025]该下位机DSP系统板41的一端通过串口进行双向通信连接上位PC机人机界面5，另一端连接控制车速电机驱动电路43并通过车速电机驱动电路43来驱动连接车速工况模拟单元I。该下位机DSP系统板41具有信号捕捉端口 CAP5及PWM波形的输出引脚PWM3。
[0026]如图4所示，该下位机DSP系统板41采用的是带前馈控制的数字递推PID控制的DSP系统板，其包括数字递推PID控制模块411及控制连接于数字递推PID控制模块411输出端的PWM控制输出模块412 ;数字递推PID控制模块411的输出端与PWM控制输出模块412的输出端之间还连接有前馈控制模块413 ;其中，当实时监测速度增量瞬时超过一个阈值时，调用前馈控制模块413，即由速度增量乘以前馈系数Kf，立即无延时的叠加到当前PWM控制输出模块412的输出端进行PWM输出，否则只通过数字递推PID控制模块控制PWM控制输出模块412进行PWM输出。该下位机DSP系统板41采用带前馈控制的数字递推PID控制策略，能保证下位机DSP系统板的输出引脚PWM3输出的PWM波形，即PWM控制输出模块412输出端输出的PWM波形在出现车速电机扰动时即进行控制而非事后进行补偿控制，前馈控制能更有效的消除扰动对被控参数的影响，相比单纯的PID控制，同时数字递推PID控制相比单纯的PID控制，PWM波形输出的波动性得到了有效改善。同时，为了减少电机启动过程中的控制超调，可通过开环实验确定电机的死区电压所对应的占空比，即为电机控制的初始占空比。
[0027]该车速传感器调理电路42由电阻R5f R54、二极管D5、电容C5f C52、倒相放大器U3和开关光耦U5连接组成；其中，电阻R51的一端通过输入端子CS-1N匹配插接有端子B5，另一端通过二极管D5连接倒相放大器U3的输入端；其中，二极管D5的阴极端连接电阻R51,阳极端是连接倒相放大器U3的输入端；电阻R52 —端连接于二极管D5阳极端与倒相放大器U3输入端的连接点，电阻52的另一端则连接于+5V电源；电容C51 —端接地(模拟地)，另一端连接于电阻R51与二极管D5阴极端的连接点，即电容C51与电阻R51 —起组成RC滤波电路；倒相放大器U3的输入端接地(模拟地)，输出端通过电阻R53连接开关光耦U5的阳极；开关光耦U5的阴极接地(模拟地)，集电极连接+3.3V电源，发射极通过电阻R54接地(数字地)且还与下位机单元4的CAP5捕捉端口连接；电容C52的一端连接开关光耦U5的发射极，另一端接地(数字地)。
[0028]由于车速传感器调理电路42受到车速电机11电刷及其它如磁电式转速传感器空间电磁干扰等因素的影响，所以自汽车车速仪表单元3经端子B5输出的信号并不是标准的方波信号，而是夹杂着大量尖峰和毛刺，所以需要进一步处理才能送往下位机DSP系统板41的信号捕捉端口 CAP5。输出脉冲信号首先经过由电阻R51与电容C51组成的RC滤波电路进行滤波，滤除高频干扰信号。然后经过一个反串的二极管D5上拉电路，输入端子CS-1N为低电平时二极管D5导通输出低电平信号，输入端为高电平时二极管D5截止输出高电平信号。由于尖峰毛刺主要出现在高电平输入时，故能进一步的滤除尖峰毛刺造成的干扰。为使输出波形更加陡峭，输出信号再经过带正反馈的迟滞比较器施密特反相器即倒相放大器U3，并能进一步克服噪声和驼峰干扰现象。然后再经过开关光耦进行光电隔离后送往下位机DSP系统板41的信号捕捉端口 CAP5，避免传感器地和数字地之间的串扰。
[0029]该车速电机驱动电路43由电阻R9f R94、一对倒相放大器U4、开关光耦U9、场效应管Q9、二极管D9以及极性电容C91连接组成；其中，该电阻R91 —端接地(数字地)，另一端连接于下位机DSP系统板41的输出引脚PWM3 ;该一对倒相放大器U4串接在一起，即其中一个倒相放大器U4的输入端通过电阻R92连接下位机DSP系统板6的输出引脚PWM3，输出端则连接于另一倒相放大器U4的输入端，另一倒相放大器U4的输出端则通过电阻R93连接于开关光耦U9的阳极；开关光耦U9的阴极接地(数字地)，发射极连接于场效应管Q9的栅极，集电极通过输出端子CS-OUT +端子匹配插拔连接于车速电机11 一端并与另一 +5V电源连接；场效应管Q9的漏极通过另一输出端子CS-OUT -连接于车速电机11另一端，源极接地(模拟地)并通过电阻R94连接场效应管Q9的栅极；二极管D9为硅二极管，其连接于开关光耦U9的集电极与场效应管Q9的漏极之间，即二极管D9的阳极端连接场效应管Q9的漏极，二极管D9的阴极端连接开关光耦U9的集电极；极性电容C91并联于车速电机11的两端，即极性电容C91的正极与二极管D9的阴极端连接，极性电容C91的负极与二极管D9的阳极端连接。
[0030]当实时测量车速和设定车速比较后，下位机单元4通过软件控制算法后经过输出引脚PWM3实时输出相应的PWI波形以驱动车速电机11。PWI波形经过两级反相器即倒相放大器U4驱动后送往开关光耦U9进行隔离驱动后，去控制IRF540N型场效应管Q9的栅极，使负载车速电机11与地的通路进行通断控制。反并的二极管D9起到续流二极管的作用，当车速电机11突然减速后生成的感生电势能量通过二极管D9释放，避免击穿场效应管Q9。车速电机11两端并联极性电容C91，可以平滑PWI波形，使车速电机11运行更加平稳。
[0031]其中，如图2、3所示，汽车车速仪表单元3通过端子B13接+24V电源，同时还通过端子BI接地(模拟地)。霍尔式车速传感器2通过端子B17连接工作电压(+8.6V)，同时还通过端子B16将车速传感器信号输入汽车车速仪表单元3内部进行显示，并经端子B5输出。故可直接利用端子B5，把汽车车速仪表单元3输出的车速方波信号直接作为车速信号源送往后级车速传感器调理电路42及下位机DSP系统板41。
[0032]上位PC机人机界面单元5接受下位机单元4传来的车速测量数据后同步进行显示，同时设定操作者所期望的车速并发送给下位机单元4。
[0033]本实用新型结构设计简单、合理，操作简单、方便，成本低，尤其采用带前馈控制的数字递推PID控制的下位机DSP系统板，能保证车速电机在出现扰动时即进行控制而非事后进行补偿控制，能更有效的消除扰动对被控参数的影响；通过开环实验确定电机的死区电压所对应的占空比，即为电机控制的初始占空比，减少了电机启动过程中的控制超调；同时，灵活的模块化设计及插拔连接，能方便实际应用，不仅能满足相关的实践教学，也是很好的毕业设计和课余电子设计应用的实践平台。
[0034]为了减少电机启动过程中的控制超调，可通过开环实验确定电机的死区电压所对应的占空比，即为电机控制的初始占空比。
【权利要求】
1.一种车速传感器测控系统，包括下位机单元及与所述下位机单元连接的上位PC机人机界面单元；其特征在于:所述测控系统包括有车速工况模拟单元和霍尔式车速传感器；所述车速工况模拟单元包括车速电机；所述霍尔式车速传感器连接所述车速工况模拟单元的车速电机； 所述下位机单元包括下位机DSP系统板；所述下位机DSP系统板为带前馈控制的数字递推PID控制的DSP系统板。
2.如权利要求1所述的车速传感器测控系统，其特征在于:所述测控系统还包括车速传感器调理电路、车速电机驱动电路和汽车车速仪表单元； 所述下位机DSP系统板双向通信连接所述上位PC机人机界面单元，同时控制连接所述车速电机驱动电路并通过所述车速电机驱动电路连接驱动所述车速工况模拟单元； 所述汽车车速仪表单元连接所述霍尔式车速传感器，同时通过所述车速传感器调理电路反馈连接所述下位机DSP系统板； 所述下位机DSP系统板具有信号捕捉端口 CAP5及PWM波形的输出引脚PWM3。
3.如权利要求2所述的车速传感器测控系统，其特征在于:所述车速传感器调理电路由电阻R5f R54、二极管D5、电容C5f C52、倒相放大器U3和开关光耦U5连接组成； 所述电阻R51的一端通过二极管D5连接倒相放大器U3的输入端，另一端通过输入端子CS-1N匹配插接有端子B5 ； 所述电阻R51是连接所述二极管D5的阴极端，所述二极管D5的阳极端是连接所述倒相放大器U3的输入端； 所述电阻R52 —端连接+5V电源，另一端连接于所述二极管D5阳极端与倒相放大器U3输入端的连接点； 所述电容C51 —端接地，另一端连接于所述电阻R51与二极管D5阴极端的连接点； 所述倒相放大器U3的输入端接地，输出端通过所述电阻R53连接所述开关光耦U5的阳极； 所述开关光耦U5的阴极接地，集电极连接+3.3V电源，发射极通过所述电阻R54也接地且还与所述信号捕捉端口 CAP5连接； 所述电容C52的一端连接所述开关光耦U5的发射极，另一端接地。
4.如权利要求2所述的车速传感器测控系统，其特征在于:所述车速电机驱动电路由电阻R9f R94、倒相放大器U4、开关光耦U9、场效应管Q9、二极管D9以及极性电容C91连接组成； 所述电阻R91 —端接地，另一端与所述输出引脚PWM3连接； 所述倒相放大器U4为至少一对，其中一个所述倒相放大器U4的输入端通过所述电阻R92连接所述输出引脚PWM3，输出端连接于另一所述倒相放大器U4的输入端，另一所述倒相放大器U4的输出端通过所述电阻R93连接于所述开关光耦U9的阳极； 所述开关光耦U9的阴极接地，发射极连接于所述场效应管Q9的栅极，集电极通过输出端子CS-OUT +匹配插拔连接于所述车速电机一端并与另一 +5V电源连接； 所述场效应管Q9的漏极通过另一输出端子CS-OUT -连接于所述车速电机另一端，源极接地并通过所述电阻R94连接所述场效应管Q9的栅极； 所述二极管D9连接于所述开关光耦U9的集电极与场效应管Q9的漏极之间；所述二极管D9的阳极端连接所述场效应管Q9的漏极，阴极端连接所述开关光耦U9的集电极；所述极性电容C91并联于所述车速电机的两端；所述极性电容C91的正极连接所述二极管D9的阴极端，负极与所述二极管D9的阳极端连接。
5.如权利要求2所述的车速传感器测控系统，其特征在于: 所述汽车车速仪表单元通过端子B13接+24V电源，同时通过端子BI接地； 所述霍尔式车速传感器通过端子B17连接工作电压，同时通过端子B16连接所述汽车车速仪表单元。
6.如权利要求2所述的车速传感器测控系统，其特征在于:所述汽车车速仪表单元与所述车速传感器调理电路之间还设有测量端口 ；所述测量端口还连接有示波器。
7.如权利要求2所述的车速传感器测控系统，其特征在于:所述车速电机由所述下位机DSP系统板通过所述输出引脚PWM3实时输出相应PftfM波形驱动；所述车速电机采用小型直流电机。
【文档编号】G01P21/02GK203606388SQ201320676211
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2013年10月30日 优先权日:2013年10月30日
【发明者】程登良, 蒋伟荣, 黄海波, 黄志文, 王卫华, 张凯 申请人:湖北汽车工业学院