EMC引發(fā)曲軸位置傳感器信號失真問題的研究

魏慶山，何燕君，孫鐵鋼

寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司， 浙江寧波 315336

0 引言

電控發(fā)動機(jī)中曲軸位置傳感器是發(fā)動機(jī)時序控制的基礎(chǔ)，燃油、點火和進(jìn)氣都是在此信號的基礎(chǔ)上進(jìn)行判斷的，當(dāng)傳感器的信號受到EMC干擾時發(fā)動機(jī)的性能就會受到影響。因此針對曲軸位置信號有非常詳細(xì)的診斷策略，但當(dāng)曲軸位置傳感器單獨一個信號出現(xiàn)異常時，診斷系統(tǒng)無法去除此信號，并設(shè)定補(bǔ)償方式，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的噴油及點火時刻調(diào)整，發(fā)動機(jī)會有異常波動現(xiàn)象。

本文通過對曲軸位置傳感器EMC干擾的失效案例分析，確定干擾來源，闡述失效機(jī)制，并在傳感器設(shè)計、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)部沒有印制電路，此種設(shè)計是為了節(jié)省成本及布置空間。無法集成到芯片內(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)。將信號端上拉，當(dāng)信號線上前端發(fā)生接觸不良時ECM可以接收到高電平信號;當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)動影響磁場空間強(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，芯片內(nèi)部的集成電路經(jīng)過放大作用將直接接地，實現(xiàn)ECM端接收到的信號為低電平。、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問題解析

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

故障車輛信號波形如圖3所示。ECU地線穩(wěn)定;雨刮地電流波動;傳感器電源線跟隨雨刮線波動，周期同步;傳感器電源波動的谷值低于芯片內(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)出改變車輛狀態(tài)的情況下，曲軸位置傳感器信號兩個下降沿周期突然變化，所以車輛的運(yùn)行情況出現(xiàn)波動。但是傳感器又迅速恢復(fù)到工作狀態(tài)，所以沒有觸發(fā)車輛的診斷邏輯。

圖3 故障車輛信號波形

3 影響曲軸位置傳感器信號的主要因素

3.1 曲軸位置傳感器芯片特性

由圖3的故障車輛信號可以看出，車輛平穩(wěn)運(yùn)行時曲軸位置傳感器兩下降沿周期約為1.15 ms，當(dāng)遇到干擾時兩下降沿周期突變?yōu)?.18 ms。結(jié)合監(jiān)測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中去除芯片的啟動時間，剩余時間約為1.18 ms，與前一個周期接近。因此推斷，信號周期的突變是由于芯片重新啟動導(dǎo)致。

3.2 芯片外被動元件對電源波動的影響

曲軸位置傳感器芯片外部沒有印制電路板，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，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,并驗證電源電壓跌落周期10 μs時傳感器承受的最低電壓。通過對電容100 nF以及增大至470 nF進(jìn)行了多次驗證試驗，得出不同傳感器耐受的最低電壓見表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 線束布置對信號輸出的影響

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連接至減震彈簧座。試驗結(jié)果顯示雨刮開關(guān)及正常工作時方案②及方案④曲軸位置傳感器電壓波動很小，傳感器沒有重新啟動。

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)與多個傳感器共用一個電源模塊，并且出自同一個端口，這樣布置使得單路功耗過大，當(dāng)有外來干擾時電源抵抗波動的能力相對較弱，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，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)時間大于一定值時芯片停止工作，電源電壓短時間恢復(fù)使得傳感器重新啟動，在沒有觸發(fā)發(fā)動機(jī)及車輛故障診斷邏輯的情況下，發(fā)動機(jī)及車輛運(yùn)行發(fā)生波動。

(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，確定了干擾來源，并研究了影響曲軸位置傳感器信號的主要因素，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距離同向。

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