溫劍喜，蘇添發(fā)

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，浙江 寧波 315300）

1 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，智能化、復(fù)雜化的電氣系統(tǒng)應(yīng)用于車輛實現(xiàn)各個復(fù)雜的功能。同時車輛使用者對車輛的功能要求越來越高，車輛也承載了越來越多的豐富的配置。隨之而來的問題就是怎么樣保證這些電器系統(tǒng)安全性，能否滿足車輛功能安全的要求，能否滿足電磁兼容的要求。電子節(jié)氣門調(diào)節(jié)功能，是車輛發(fā)動機控制器通過各種工況信息和傳感器信號做出判斷并處理，并計算出最佳的節(jié)氣門開度，達(dá)到車輛發(fā)動機的最佳扭矩輸出。

電子節(jié)氣門的位置信號是發(fā)動機實現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)的重要信號，其轉(zhuǎn)角位置檢測是通過電子節(jié)氣門上的霍爾傳感器來檢測當(dāng)前節(jié)氣門開度大小。節(jié)氣門安裝在發(fā)動機總成上，周圍的安裝空間狹小，周邊同時還安裝了其它的傳感器、控制器、執(zhí)行電機等，導(dǎo)致在此周圍范圍內(nèi)的電磁場環(huán)境非常惡劣，容易引起相互間的電磁干擾問題。圖1為電子節(jié)氣門調(diào)節(jié)的工作原理。

圖1 電子節(jié)氣門工作原理

以下通過對電子節(jié)氣門調(diào)節(jié)功能異常工作的問題進(jìn)行排查、定位、分析，找出問題的根本原因，并結(jié)合整車電磁兼容環(huán)境因素，在實際車型開發(fā)中提出優(yōu)化方案，解決實際的工程問題，并對問題進(jìn)行橫展以及方案推廣。

2 問題背景

該問題是在車輛開發(fā)過程中試驗車輛偶發(fā)性問題，車輛在怠速時，通過軟件標(biāo)定加大發(fā)動機的負(fù)載，此時節(jié)氣門開度正常是會變大，但是實際電子節(jié)氣門執(zhí)行器執(zhí)行開度反而變小，不滿足實際功能的要求。

根據(jù)圖1的原理，首先操作加速踏板輸出加速踏板的位置電壓信號，發(fā)動機控制器收到該信號后進(jìn)行濾波處理，并根據(jù)當(dāng)前的工作模式、踏板移動量和變化率解析駕駛員意圖，計算出對發(fā)動機扭矩的需求，從而得到節(jié)氣門的轉(zhuǎn)角期望值，電子節(jié)氣門收到這個開度期望值信號后會驅(qū)動電機執(zhí)行開度到達(dá)期望位置。但在這個標(biāo)定過程中發(fā)現(xiàn)，節(jié)氣門開度反而變小，通過對節(jié)氣門霍爾傳感器發(fā)出的實際值進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)當(dāng)功能失效時，傳感器發(fā)出的位置信號和實際執(zhí)行的開度是保持一致。針對以上現(xiàn)象，經(jīng)過對節(jié)氣門單體的流量測試、信號穩(wěn)定性測試，確認(rèn)節(jié)氣門單體無問題。

由于該節(jié)氣門開度傳感器為霍爾式，通過磁通量的變化轉(zhuǎn)化為電壓信號的變化，從而檢測出節(jié)氣門開度的變化，由于霍爾傳感器對磁場比較敏感，故懷疑節(jié)氣門位置傳感器受到強磁場干擾導(dǎo)致節(jié)氣門位置傳感器檢測值不準(zhǔn)確。節(jié)氣門位置示意圖見圖2。

圖2 節(jié)氣門位置示意圖

為了定位問題的根本原因，制定了詳細(xì)的排查方案。第一，先檢查電子節(jié)氣門周圍是否有強磁場源；第二，實際針對節(jié)氣門周邊的磁場環(huán)境進(jìn)行實際測量。

3 問題排查及定位

首先把車輛放置于屏蔽暗室中，確保無外界的磁場影響，測量電子節(jié)氣門周邊的磁場強度。使用Narda磁場測試探頭從10Hz～400kHz在扭矩傳感器表面進(jìn)行測量，結(jié)果如圖3所示。測量結(jié)果遠(yuǎn)低于GBT8702-2014的標(biāo)準(zhǔn)限值要求，都在0.1μT以下，基本上處于無電磁場的情況。

圖3 10Hz～400kHz磁場強度測試

其次電子節(jié)氣門位置傳感器周圍環(huán)境檢查，在實車上和三維布置圖中對電子節(jié)氣門周邊20cm內(nèi)各個方向的主要零部件進(jìn)行排查，主要有發(fā)電機及控制器。發(fā)電機側(cè)面距離節(jié)氣門位置傳感器最近的距離為32mm。

為了確認(rèn)是由于發(fā)電機產(chǎn)生的強磁場干擾節(jié)氣門位置傳感器，采用數(shù)字特斯拉計的磁場探頭來檢測發(fā)電機產(chǎn)生的最大磁場強度，數(shù)字特斯拉計實際測試如圖4所示，測試結(jié)果見表1。從表1可以看出，由發(fā)電機磁極產(chǎn)生的磁場強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于使用Narda設(shè)備測量的值，證明在DC以上的頻率上沒有其它磁場源產(chǎn)生磁場干擾，而發(fā)電機磁鐵產(chǎn)生的磁場正好是DC頻段。

圖4 數(shù)字特斯拉計實際測試

為了驗證磁場干擾的問題導(dǎo)致信號輸出變化，在節(jié)氣門與發(fā)電機之間插入一塊鐵板，確認(rèn)輸出信號是否有變化。在固定進(jìn)氣壓力下，觀察開度信號的變化，具體測試值見表2。

從表2測試數(shù)據(jù)可以得出，電子節(jié)氣門位置傳感器周邊主要磁場干擾源是發(fā)電機。

表1 不同距離發(fā)電機磁場強度測量

表2 帶金屬和不帶金屬板開度信號測量

4 原因分析

電子節(jié)氣門位置傳感器是采用霍爾式檢測的傳感器，是基于磁通量變化的原理來識別不同位置的，由霍爾芯片將磁通量的變化轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出。因此，其對于周圍存在任何形式的磁場都比較敏感，比較容易受到干擾。

按照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11452-8磁場抗擾度的測試要求，在DC頻段要求是距離產(chǎn)品50mm處施加1000A/m的磁場干擾，產(chǎn)品不得出現(xiàn)異常問題，通過公式換算T=800kA/m，換算后的測試強度為1.25mT，假如被測樣件能夠滿足此標(biāo)準(zhǔn)要求，但是在實際運用環(huán)境中產(chǎn)生的磁場強度遠(yuǎn)大于這個強度，所以在實際運用中還是會因為受到干擾而不能正常工作。

另外該霍爾位置傳感器采用的是兩極芯片的檢測方式，即兩個對極檢測。這種芯片是依靠兩方面的磁場強度的比例變化計算出實際物理角度，當(dāng)外部磁場改變了兩方面磁場強度比例時，芯片計算角度會發(fā)生偏差，容易受到干擾，這種方式抗干擾能力弱。

5 解決方案

由上面的問題排查可知，該傳感器周邊存在很強的磁場，主要從3個方面來解決這個干擾：一是增大發(fā)電機和節(jié)氣門的距離；二是加金屬板來屏蔽磁場；三是增加節(jié)氣門的抗干擾能力。由于考慮該發(fā)動機結(jié)構(gòu)，距離沒法增大，中間增加一塊金屬板有被磁化的可能，故這兩個方案都無法實施。經(jīng)過和芯片供應(yīng)商溝通，廠商推薦另一款霍爾芯片，能大大增加磁場抗干擾能力。該芯片采用四極磁極來檢測信號。四極芯片擁有8個方向的磁場感應(yīng)單元，對其中一個方向磁場變化可以通過芯片算法去除干擾。另外依靠磁場梯度作為計算輸入，而不是磁場強度作為輸入，對短距離趨向于恒磁場的干擾有濾除作用。節(jié)氣門更換新的霍爾芯片后，節(jié)氣門調(diào)節(jié)功能正常，問題解決。

從這個案例看，在解決整車電磁兼容問題時，要站在系統(tǒng)的高度來考慮，綜合使用各種可能方案，例如：降低干擾源的干擾水平；隔絕干擾路徑；提升被干擾件的抗擾度能力。

6 小結(jié)

本案例是由于發(fā)電機磁極產(chǎn)生的DC磁場發(fā)射，是典型的通電情況下由于磁鐵的恒定磁場發(fā)射產(chǎn)生的電磁場干擾其它零部件的問題。通過對干擾源定位分析、整車布置優(yōu)化、芯片方案優(yōu)化，采用以上的更換電子節(jié)氣門芯片的優(yōu)化方案，成功解決了永磁場對于霍爾傳感器的磁干擾問題。另外在整車電磁兼容前期設(shè)計時，要重點關(guān)注類似發(fā)電機、喇叭、揚聲器等具有恒定磁場發(fā)射的零部件，在數(shù)據(jù)上確認(rèn)周邊是否存在敏感元器件。