電子節氣門開度調節異常問題分析優化

溫劍喜，蘇添發

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，浙江 寧波 315300）

1 引言

隨著汽車工業的發展，智能化、復雜化的電氣系統應用于車輛實現各個復雜的功能。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。電子節氣門調節功能，是車輛發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，并計算出最佳的節氣門開度，達到車輛發動機的最佳扭矩輸出。

電子節氣門的位置信號是發動機實現精準調節的重要信號，其轉角位置檢測是通過電子節氣門上的霍爾傳感器來檢測當前節氣門開度大小。節氣門安裝在發動機總成上，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、執行電機等，導致在此周圍范圍內的電磁場環境非常惡劣，容易引起相互間的電磁干擾問題。圖1為電子節氣門調節的工作原理。

圖1 電子節氣門工作原理

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

2 問題背景

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

根據圖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，發動機控制器收到該信號后進行濾波處理，并根據當前的工作模式、踏板移動量和變化率解析駕駛員意圖，計算出對發動機扭矩的需求，從而得到節氣門的轉角期望值，電子節氣門收到這個開度期望值信號后會驅動電機執行開度到達期望位置。但在這個標定過程中發現，節氣門開度反而變小，通過對節氣門霍爾傳感器發出的實際值進行測量，發現當功能失效時，傳感器發出的位置信號和實際執行的開度是保持一致。針對以上現象，經過對節氣門單體的流量測試、信號穩定性測試，確認節氣門單體無問題。

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

圖2 節氣門位置示意圖

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

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行測量，結果如圖3所示。測量結果遠低于GBT8702-2014的標準限值要求，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

其次電子節氣門位置傳感器周圍環境檢查，在實車上和三維布置圖中對電子節氣門周邊20cm內各個方向的主要零部件進行排查，主要有發電機及控制器。發電機側面距離節氣門位置傳感器最近的距離為32mm。

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

圖4 數字特斯拉計實際測試

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

從表2測試數據可以得出，電子節氣門位置傳感器周邊主要磁場干擾源是發電機。

表1 不同距離發電機磁場強度測量

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。

按照國際標準ISO 11452-8磁場抗擾度的測試要求，在DC頻段要求是距離產品50mm處施加1000A/m的磁場干擾，產品不得出現異常問題，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準要求，但是在實際運用環境中產生的磁場強度遠大于這個強度，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：一是增大發電機和節氣門的距離；二是加金屬板來屏蔽磁場；三是增加節氣門的抗干擾能力。由于考慮該發動機結構，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。經過和芯片供應商溝通，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。節氣門更換新的霍爾芯片后，節氣門調節功能正常，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

本案例是由于發電機磁極產生的DC磁場發射，是典型的通電情況下由于磁鐵的恒定磁場發射產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、整車布置優化、芯片方案優化，采用以上的更換電子節氣門芯片的優化方案，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計時，要重點關注類似發電機、喇叭、揚聲器等具有恒定磁場發射的零部件，在數據上確認周邊是否存在敏感元器件。