EMC引發(fā)曲軸位置傳感器信號(hào)失真問(wèn)題的研究

魏慶山，何燕君，孫鐵鋼

寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司， 浙江寧波 315336

0 引言

電控發(fā)動(dòng)機(jī)中曲軸位置傳感器是發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)序控制的基礎(chǔ)，燃油、點(diǎn)火和進(jìn)氣都是在此信號(hào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行判斷的，當(dāng)傳感器的信號(hào)受到EMC干擾時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能就會(huì)受到影響。因此針對(duì)曲軸位置信號(hào)有非常詳細(xì)的診斷策略，但當(dāng)曲軸位置傳感器單獨(dú)一個(gè)信號(hào)出現(xiàn)異常時(shí)，診斷系統(tǒng)無(wú)法去除此信號(hào)，并設(shè)定補(bǔ)償方式，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油及點(diǎn)火時(shí)刻調(diào)整，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)有異常波動(dòng)現(xiàn)象。

本文通過(guò)對(duì)曲軸位置傳感器EMC干擾的失效案例分析，確定干擾來(lái)源，闡述失效機(jī)制，并在傳感器設(shè)計(jì)、線束布置及ECM中傳感器供電電源電平衡方向提出改進(jìn)措施。

1 曲軸位置傳感器結(jié)構(gòu)及電路

曲軸位置傳感器主要零部件有：芯片TLE4931、濾波電容和、永磁體及針腳等。較傳統(tǒng)曲軸位置傳感器相比，該產(chǎn)品內(nèi)部沒(méi)有印制電路，此種設(shè)計(jì)是為了節(jié)省成本及布置空間。無(wú)法集成到芯片內(nèi)部的濾波電容需要錫焊到針腳上(圖1)。和為線路的等效電阻(圖2)。將信號(hào)端上拉，當(dāng)信號(hào)線上前端發(fā)生接觸不良時(shí)ECM可以接收到高電平信號(hào);當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)影響磁場(chǎng)空間強(qiáng)度分布，作用在芯片電路中;當(dāng)芯片內(nèi)部的電路依據(jù)霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的電壓大于一定值時(shí)，芯片內(nèi)部的集成電路經(jīng)過(guò)放大作用將直接接地，實(shí)現(xiàn)ECM端接收到的信號(hào)為低電平。、和是ECM內(nèi)置濾波電路。

圖1 曲軸位置傳感器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

圖2 傳感器及ECM電路

2 EMC問(wèn)題解析

車(chē)輛路試時(shí)工作人員發(fā)現(xiàn)，車(chē)輛行駛過(guò)程中在雨刮工作結(jié)束的瞬間車(chē)輛有輕微的不平穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生，多次打開(kāi)/關(guān)閉雨刮現(xiàn)象依舊存在，車(chē)輛診斷燈沒(méi)亮，利用診斷裝置通信ECM也沒(méi)有查到歷史故障信息。曲軸位置傳感器是車(chē)輛運(yùn)行的根本信號(hào)，使用示波器檢測(cè)相關(guān)信號(hào)。

故障車(chē)輛信號(hào)波形如圖3所示。ECU地線穩(wěn)定;雨刮地電流波動(dòng);傳感器電源線跟隨雨刮線波動(dòng)，周期同步;傳感器電源波動(dòng)的谷值低于芯片內(nèi)部要求的最小工作電壓3.30 V，且峰谷周期達(dá)到10 μs。在駕駛員未發(fā)出改變車(chē)輛狀態(tài)的情況下，曲軸位置傳感器信號(hào)兩個(gè)下降沿周期突然變化，所以車(chē)輛的運(yùn)行情況出現(xiàn)波動(dòng)。但是傳感器又迅速恢復(fù)到工作狀態(tài)，所以沒(méi)有觸發(fā)車(chē)輛的診斷邏輯。

圖3 故障車(chē)輛信號(hào)波形

3 影響曲軸位置傳感器信號(hào)的主要因素

3.1 曲軸位置傳感器芯片特性

由圖3的故障車(chē)輛信號(hào)可以看出，車(chē)輛平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)曲軸位置傳感器兩下降沿周期約為1.15 ms，當(dāng)遇到干擾時(shí)兩下降沿周期突變?yōu)?.18 ms。結(jié)合監(jiān)測(cè)到的傳感器的供電電壓值，最低電壓小于3.30 V，結(jié)合TLE4931使用手冊(cè)此電壓已經(jīng)小于傳感器最低工作電壓，判斷傳感器進(jìn)入了重啟模式，芯片重啟周期1 ms，2.18 ms中去除芯片的啟動(dòng)時(shí)間，剩余時(shí)間約為1.18 ms，與前一個(gè)周期接近。因此推斷，信號(hào)周期的突變是由于芯片重新啟動(dòng)導(dǎo)致。

3.2 芯片外被動(dòng)元件對(duì)電源波動(dòng)的影響

曲軸位置傳感器芯片外部沒(méi)有印制電路板，電源線與地線之間的電容為100 nF，在電源線上串聯(lián)電阻能有效地減少電源波動(dòng)，但是電阻本身有分壓作用，當(dāng)前芯片工作電流為10 mA。如果串聯(lián)50 Ω電阻，電阻分壓0.50 V，使得芯片實(shí)際供電電壓只有4.50 V;如果本品增加電阻，只能打斷針腳，焊接電阻，這增加了質(zhì)量隱患。因此考慮增大電容值至470 nF,并驗(yàn)證電源電壓跌落周期10 μs時(shí)傳感器承受的最低電壓。通過(guò)對(duì)電容100 nF以及增大至470 nF進(jìn)行了多次驗(yàn)證試驗(yàn)，得出不同傳感器耐受的最低電壓見(jiàn)表1。由表可知，電容增大至470 nF,最低耐受電壓值為1.60 V，傳感器依然可以正常工作。

表1 不同C1傳感器耐受的最低電壓 單位:V

3.3 線束布置對(duì)信號(hào)輸出的影響

線束布置方案如圖4所示。由圖中方案①可以看出，傳感器的線束連接到ECM，ECM地線與雨刮及雨刮繼電器地線一同接到發(fā)動(dòng)機(jī)縱梁同一位置。方案②增加雨刮地至蓄電池負(fù)極，方案③將雨刮地單獨(dú)連接到減震彈簧座，方案④將雨刮地和雨刮繼電器的地單獨(dú)連接至減震彈簧座。試驗(yàn)結(jié)果顯示雨刮開(kāi)關(guān)及正常工作時(shí)方案②及方案④曲軸位置傳感器電壓波動(dòng)很小，傳感器沒(méi)有重新啟動(dòng)。

圖4 線束布置方案

3.4 ECM內(nèi)傳感器供電模塊的影響

曲軸位置傳感器在ECM內(nèi)與多個(gè)傳感器共用一個(gè)電源模塊，并且出自同一個(gè)端口，這樣布置使得單路功耗過(guò)大，當(dāng)有外來(lái)干擾時(shí)電源抵抗波動(dòng)的能力相對(duì)較弱，且所有傳感器之間有耦合作用。如圖5所示,將曲軸位置傳感器的供電電源由端口4轉(zhuǎn)移至端口2，在ECM內(nèi)傳感器供電模塊中給曲軸位置傳感器單獨(dú)供電。

圖5 ECM內(nèi)傳感器供電模塊

更改曲軸位置傳感器供電端口后的波形如圖6所示，調(diào)整后曲軸位置傳感器最低電壓提高至3.70 V。

圖6 更改曲軸位置傳感器供電端口后的波形

綜上分析可知：

(1)曲軸位置傳感器受到EMC感受后供電電壓發(fā)生波動(dòng)，電壓值低于芯片內(nèi)部放大電路最小工作電壓3.3 V，持續(xù)時(shí)間大于一定值時(shí)芯片停止工作，電源電壓短時(shí)間恢復(fù)使得傳感器重新啟動(dòng)，在沒(méi)有觸發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)及車(chē)輛故障診斷邏輯的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)及車(chē)輛運(yùn)行發(fā)生波動(dòng)。

(2)依據(jù)當(dāng)前的布置情況增大電容值能夠穩(wěn)定電源電壓。

(3)合理布置線束能有效降低干擾。

(4)調(diào)整ECM傳感器電源模塊供電分配能提高抗擾性。

4 結(jié)論

本文對(duì)曲軸位置傳感器EMC干擾的失效原因進(jìn)行了分析，確定了干擾來(lái)源，并研究了影響曲軸位置傳感器信號(hào)的主要因素，得出了以下結(jié)論：

(1)盡量增大電源和底線間電容，通過(guò)增大電容至470 nF能有效提高電源抗擾性。

(2)線路布置中功率元器件盡量就近接地，且曲軸位置傳感器線束不要與功率元件線束長(zhǎng)距離同向。

(3)ECM中曲軸位置傳感器盡量單獨(dú)供電，或者選用負(fù)載最少的一個(gè)端口供電。