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基于卡尔曼滤波器的轮速信号电路及算法研究

2022-01-17刘婕唐岚何臣修

内燃机与配件 2022年2期
关键词:卡尔曼滤波电路设计信号处理

刘婕 唐岚 何臣修

摘要:在汽车动力学控制的过程中,准确获取轮速信息至关重要。针对磁电式轮速传感器信号处理电路稳定性差、无法自检和车速门槛值高(>4km/h)等问题,设计了一种结构简单且具有自检功能的模拟/数字混合的电路;同时针对硬件电路不能处理轮速异常点以及低速时轮速信号频繁地波动等问题,结合电路设计原理利用卡尔曼滤波器对轮速信号进行滤波处理。硬件电路与卡尔曼滤波算法联合处理轮速信号,具有结构简单、成本低、鲁棒性良好等特点。

Abstract: In the process of vehicle dynamics control, the accurate acquisition of wheel speed information is very important. Aiming at the problems of the signal processing circuit of magnetoelectric wheel speed sensor, such as poor stability, self inspection and high threshold value (>4km/h), a kind of analog / digital hybrid circuit with simple structure and self checking function is designed. At the same time, aiming at the problems that hardware circuit can not deal with wheel speed abnormal points and frequent fluctuation of wheel speed signal at low speed, Kalman filter is used in combination with circuit design principle The wave filter is used to filter the wheel speed signal.

关键词:轮速传感器;电路设计;信号处理;故障诊断;卡尔曼滤波

Key words: wheel speed sensor;circuit design;signal processing;fault diagnosis;kalman filtering

中图分类号:U461.3                                  文献标识码:A                                  文章编号:1674-957X(2022)02-0033-03

0  引言

伴随着近年来人们对商用车安全性和舒适性的要求不断提高,电子制动系统(EBS)逐渐成为目前商用车制动系统的主流发展趋势[1]。精确的轮速信号在EBS系统中有重要的意义,本文设计出一种结构简单的轮速处理电路,在硬件电路基础上设计卡尔曼滤波器,旨在解决硬件电路无法有效地处理轮速信号异常波动的问题。

1  信号处理电路原理与设计

单路轮速信号处理电路的结构框图,如图1所示。主要由初次滤波电路、限幅电路、故障检测电路、差分放大电路、二次滤波电路、滞回比较电路等构成[2]。由差分传输的方式将轮速传感器采集到的轮速信号传输给轮速处理电路。

1.1 初次滤波电路

轮速传感器的输出信号Ui中包含各种频率的干扰信号。包括齿轮加工所产生的毛刺和传感器安装及环境干扰等因素在传感器输出信号上叠加的高频干扰,因此需要通过滤波电路滤除干扰信号[3]。本文所采用的初次滤波器为RC低通滤波器,如图2所示。它利用电容通高频阻低频,电感通低频阻高频的工作原理,将高频的干扰信号截止,让低频的信号通过,如图3所示。

式中fp为截止频率,高于截止频率的信号被滤除,低于截止频率的信号通过。当输入信号频率f远小于fp时,约为1,信号完全通过并且没有失真现象。当f远大于时fp,约为0,信号完全被滤除。这里选定R=33k?赘,C=10nF,计算可得fp约为15kHz,当轮速平台齿圈达到 200km/h,传感器输出频率为1.4kHz,远小于15kHz,因此车速信号不会失真,干扰高频信号被滤除。

1.2 限幅電路

此轮速处理电路配套使用的控制器所用MCU的型号为SPC570S50E,该产品为意法公司所生产,其I/O口接收TTL、CMOS电平,因此要对传感器采集的信号进行限幅处理,限幅电路如图4所示。初次滤波后的电压信号U1,用钳位二极管将其电压范围控制在0-5V之间。电路的输出特性为:

1.3 差分放大电路及传感器故障诊断电路

差分放大电路利用电路自身特点,能有效地抑制共模输入信号,对差模信号影响较小,同时可以减少如温度、噪声等外界条件的变化带给电路的影响[4]。

在低速时,传感器所采集的信号幅值低至0.5V左右,需要把信号放大到MCU能采集到的幅值[5],从而提升低速时轮速信号的精度。经过差分放大电路后,传感器所采集的轮速信号被放大。如图5所示,差分轮速信号输入为V1和V2,差分放大电路的同相端和反相端的输入分别是V3和V4,V5表示运算放大器的供电电压,V6表示运算放大器输出电压。

运算放大器在同相端和反相端之间有“虚短”和“虚断”的特性,根据“虚短”的特性,有:

由式(5)、(6)、(7)、(8)可以得出:

将运算放大器的供电端设定为5V的单电源供电,由于磁电式传感器在常温下工作状态的内阻为1200,由式(10)可以得到:

式中V1-V2表示传感器输入的差分信号,放大倍数为4.82倍。

当系统电路上电后,轮速处理电路开始故障诊断,诊断原理如下:

图5中Q1为三极管,加上自检电路,当系统电路上电后,MCU输出高电平,使三极管导通,将差模输入偏置,MCU能监测到传感器在不同状态下输出的模拟电压,因此能识别出不同的故障。用Multisim仿真结果如表1所示。

仿真结果表明:MCU上电后能检测传感器的不同状态,能实现上电自身故障诊断。

1.4 二次滤波电路

为了滤除信号放大后的毛刺,让差分运算放大器的输出信号再次通过RC低通滤波器。滤波电容设计的是对频率为2.5kHz的噪声进行滤波,当信号频率低于这个截止频率时,信号进入下一级。当信号频率高于这个截止频率时,此干扰信号将被滤除。

R=6.8k?赘,f=2.5kHz,由公式可得:

C=1/(2?仔Rf)(12)

C≈9.3nF,取滤波电容的容值为10nF。

1.5 滞回比较电路

滞回比较电路实质就是产生两个比较参考电平,对应输出两个状态,即波形高出上门限值,输出信号跳变成低电平,波形低于下门限值,输出信号跳变成高电平[6]。在上、下门限值之间,则保持上一电平值不变,因此滞回比较器输出只有高电平、低电平两个状态。如图6所示。

滞回比较器有两个重要参数:一是参考电压Uref,二是回差电压。参考电压决定了滞回比较器的门限电压值,回差的大小决定比较器的抗干扰能力[7]。回差越大,抗干扰能力越强,但也会使得比较器的鉴别灵敏度降低。同时输入电压的峰值必须大于回差,否则输出电平不可能转变。

滞回比较器计算如下:

当输出电压U5输出为低电平时,上门限值为:

把滞回比较器的输出信号直接和MCU的脉冲捕获端口连接,MCU通过采集此处脉冲的频率便能计算出轮速值。

2  卡尔曼滤波器设计

车载轮速传感器在对轮速测量时,由于传感器工作条件恶劣、车速低等原因,导致系统不能准确的获得实际的轮速信号。仅依靠硬件电路很难解决这一问题,因此本文采用卡尔曼滤波器再一次滤除硬件电路采集的轮速信号,以处理低速时出现的轮速异常点[8]。卡尔曼滤波算法是一种利用线性系统状态方程的算法,通过系统输入输出观测数据,对系统状态进行最优估计的算法。卡尔曼滤波算法可分时间更新和测量更新两个过程。采用两个传感器的值作为观测量,旨在提高传感器的系统的稳定性和可信度。

假设车辆在直线行驶的路面上,设时刻某一车轮轮速为v(k),有:

式中X(k)为系统k时刻待测轮轮速的状态向量,A为状态转移矩阵,为k-1时刻的系统噪声,与分别k时刻同轴车轮与同侧车轮轮速观测信号,H(k)为观测矩阵,R1与R2分别为各车轮观测噪声。

式中,X(k)为状态变量后验估计值,X-(k)为状态变量先验估计值,P-(k)为该时刻先验误差协方差,P(k-1)为上一时刻先验误差协方差,?棕是系统观测噪声方差,Kk为卡尔曼增益,I是单位矩阵。

假设观测噪声为0均值的白噪声,则系统噪声协方差矩阵为,由文献[9]可知q=4.4,故系统噪声协方差矩阵为:

根据仿真实验轮速信号的方差数据,利用二阶多项式拟合观测噪声的变化特征,得到观测噪声方差参数?棕。以实现卡尔曼滤波器对轮速信号的滤波处理。

参考文献:

[1]王博文.面向气压制动系统的商用车动力学稳定性控制策略研究[D].长春:吉林大学,2018:1-5.

[2]白松奇.商用车气压制动侧倾与横摆稳定性协调控制研究[D].长春:吉林大学,2020:2-8.

[3]张永生.商用车轮速与轮角加速度信号采集与处理技术研究[D].长春:吉林大学,2007:5-10.

[4]張雪峰,张春化,吕浩,等.汽车ABS轮速信号采集与处理[J].北京汽车,2008(6):5-7.

[5]陈在峰,宋键,于良耀.汽车防抱死制动系统轮速传感器信号处理[J].汽车工程,2000(4):282-285.

[6]陆文昌,毛务本.汽车防抱死制动系统轮速传感器信号处理[J].江苏大学学报:自然科学版,2002(4):24-28.

[7]姜晓辉,胡勇,王利双,等.ABS轮速信号处理电路研究[J].汽车技术,2014(1):17-19.

[8]郑太雄,李炯球,黄智宇,等.ABS轮速信号的采集方法研究[J].汽车技术,2010(10):53-56.

[9]杨刚,尚志诚,钟欣.汽车ABS试验轮速信号异常值的识别和处理[J].汽车实用技术,2020,45(24):108-110.

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