方向盤脫手檢測(cè)功能失效分析優(yōu)化

馬 謙

（吉利汽車研究院，浙江 寧波 315336）

1 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，智能化、復(fù)雜化的汽車電氣系統(tǒng)被應(yīng)用，消費(fèi)者對(duì)于汽車的基本功能要求越來(lái)越高，汽車承載了越來(lái)越豐富的配置，隨之而來(lái)的就是各種功能的安全性如何，能否滿足消費(fèi)者對(duì)于功能安全的要求，能否滿足電磁兼容的要求。脫手檢測(cè)功能是在駕駛員正常駕駛車輛的過(guò)程中，當(dāng)車速大于一定值后自動(dòng)開(kāi)啟，用來(lái)檢測(cè)駕駛員雙手是否有脫離方向盤的動(dòng)作，并在駕駛員雙手脫離時(shí)通過(guò)儀表顯示和聲音進(jìn)行報(bào)警的一項(xiàng)安全提醒功能。

由于此功能是通過(guò)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS的扭矩傳感器的值檢測(cè)駕駛員是否雙手離開(kāi)方向盤的，轉(zhuǎn)向管柱周圍的安裝空間狹小，同時(shí)還安裝了很多其它的控制器、執(zhí)行電機(jī)、揚(yáng)聲器等，導(dǎo)致在此周圍范圍內(nèi)的電磁場(chǎng)環(huán)境非常復(fù)雜，容易引起相互的電磁干擾問(wèn)題。圖1為脫手檢測(cè)功能在此車型上的實(shí)現(xiàn)原理。

圖1 脫手檢測(cè)功能原理

本文主要通過(guò)對(duì)脫手檢測(cè)功能無(wú)法正常工作的問(wèn)題進(jìn)行排查、定位、分析干擾源形成的原因，并結(jié)合整車電磁兼容環(huán)境的整體要素，在實(shí)際車型中提出優(yōu)化方案，解決實(shí)際的工程問(wèn)題，并對(duì)問(wèn)題進(jìn)行橫展的方案推廣。

2 背景方案

此問(wèn)題為開(kāi)發(fā)過(guò)程中試驗(yàn)車輛偶發(fā)性的，在正常行駛過(guò)程中，當(dāng)雙手離開(kāi)方向盤后，脫手檢測(cè)功能不工作，儀表沒(méi)有相應(yīng)地進(jìn)行文字和聲音報(bào)警，不滿足功能設(shè)計(jì)的要求。

根據(jù)圖1的原理，首先檢查是否有報(bào)警請(qǐng)求信號(hào)從脫手檢測(cè)模塊發(fā)出，發(fā)現(xiàn)在功能失效時(shí)沒(méi)有信號(hào)發(fā)送給儀表，因此再對(duì)EPS扭矩傳感器發(fā)出的方向盤扭矩值進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)當(dāng)功能失效時(shí)，扭矩傳感器發(fā)出的扭矩值為0.36Nm，超出了設(shè)計(jì)最大值0.2Nm設(shè)計(jì)范圍，導(dǎo)致脫手檢測(cè)模塊無(wú)法發(fā)出報(bào)警請(qǐng)求信號(hào)。

由于此扭矩傳感器 （圖2）為霍爾式，通過(guò)磁通量的變化轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)的變化，從而檢測(cè)出扭矩值的變化，因此傳感器對(duì)磁場(chǎng)干擾比較敏感?？紤]到扭矩傳感器發(fā)出的扭矩值不準(zhǔn)確是由于受到了周圍強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾導(dǎo)致，為了快速定位問(wèn)題的根本原因，制定了詳細(xì)的排查方案。第1步是檢查其周圍是否有強(qiáng)磁場(chǎng)，對(duì)扭矩傳感器周邊磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)試；第2步是檢查周邊是否存在強(qiáng)磁場(chǎng)源。

圖2 扭矩傳感器位置示意圖

3 干擾源定位

第1步：在暗室中測(cè)量扭矩傳感器周邊環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度，確保周邊其它環(huán)境對(duì)磁場(chǎng)沒(méi)有影響，使用Narda磁場(chǎng)測(cè)試探頭從10Hz～400kHz在扭矩傳感器表面進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖3所示。測(cè)量結(jié)果遠(yuǎn)低于GBT8702—2014的標(biāo)準(zhǔn)限值要求，都在0.1uT以下，基本上處于無(wú)電磁場(chǎng)的情況。

圖3 10Hz～400kHz磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)試

第2步：扭矩傳感器周圍環(huán)境檢查，在實(shí)車上和三維布置圖中對(duì)轉(zhuǎn)向管柱周邊20cm內(nèi)各個(gè)方向的主要零部件進(jìn)行排查，主要有轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向控制器、轉(zhuǎn)向助力電機(jī)以及用于E-Call功能的揚(yáng)聲器，在揚(yáng)聲器上存在一個(gè)永磁鐵。磁鐵表面距離扭矩傳感器最近距離為81mm。

為了近一步證明揚(yáng)聲器磁鐵對(duì)于扭矩傳感器的輸出產(chǎn)生影響，將磁鐵從原車上拆下，使用如圖4的特斯拉計(jì)進(jìn)行不同距離時(shí)的磁場(chǎng)測(cè)量，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，由磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于使用Narda設(shè)備測(cè)量的值，進(jìn)一步證明在DC以上的頻率上沒(méi)有其它磁場(chǎng)源產(chǎn)生磁場(chǎng)干擾，而磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)正好是DC頻段的。

同時(shí)使用2臺(tái)不同配置的車在帶揚(yáng)聲器和不帶揚(yáng)聲器的情況下進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2。從結(jié)果中可以看出，原車去掉揚(yáng)聲器或者加裝揚(yáng)聲器后都對(duì)原車扭矩傳感器周邊的磁場(chǎng)產(chǎn)生了較大的變化。

圖4 數(shù)字特斯拉計(jì)

表1 不同距離磁鐵磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量

表2 不同車輛磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比

結(jié)合以上的測(cè)試數(shù)據(jù)過(guò)程可以得出結(jié)論：在扭矩傳感器周邊沒(méi)有其它磁場(chǎng)干擾源，揚(yáng)聲器磁鐵是主要的磁場(chǎng)干擾源。

4 干擾原理分析

霍爾式扭矩傳感器是基于磁通量變化的原理設(shè)計(jì)的，由霍爾芯片將磁通量的變化轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出。因此，其對(duì)于周圍無(wú)論是變化的磁場(chǎng)，恒定的永磁場(chǎng)，還是由變化的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)都比較敏感，容易受到干擾。

根據(jù)ISO 11452-8磁場(chǎng)抗擾度的測(cè)試要求，DC頻段，在距離被測(cè)樣件50mm的位置施加1000A／m的磁場(chǎng)干擾，按照公式1T=800kA／m，換算后即為1.25mT強(qiáng)度，如果被測(cè)樣件能夠滿足此標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的磁場(chǎng)強(qiáng)度要求，是不會(huì)出現(xiàn)在80mm位置，被0.11mT的永磁場(chǎng)干擾的問(wèn)題。

由于在本問(wèn)題案例中，此EPS總成為多項(xiàng)目的量產(chǎn)件，在不裝配E-Call功能的車型中不會(huì)出現(xiàn)此脫手檢測(cè)不能報(bào)警的問(wèn)題，為了降低工程變更成本，因此未要求扭矩傳感器進(jìn)行硬件整改，而是從揚(yáng)聲器磁鐵的布置位置著手分析，解決此問(wèn)題。通過(guò)對(duì)整車乘客艙內(nèi)各個(gè)地方環(huán)境分析，最終將揚(yáng)聲器放在了座椅下面，緊靠車身平面布置，并對(duì)周圍布置的其它新開(kāi)發(fā)產(chǎn)品統(tǒng)一要求按照ISO 11452-8進(jìn)行磁場(chǎng)抗擾度測(cè)試，結(jié)果均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，問(wèn)題解決。

因此，在解決整車電磁兼容問(wèn)題時(shí)，必須以系統(tǒng)的高度來(lái)考慮，綜合使用各種可能的方式方法，比如：降低干擾源的干擾水平，破壞干擾路徑，或者提升被干擾件的抗擾度水平。

5 小結(jié)

本案例是一個(gè)典型的非通電情況下由于變化的大電流或高電壓產(chǎn)生的電磁場(chǎng)干擾其它零部件的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)干擾源定位分析、整車布置整改，采用以上整改優(yōu)化方案，成功解決了永磁場(chǎng)對(duì)于霍爾傳感器的磁干擾問(wèn)題。在整車設(shè)計(jì)過(guò)程中同時(shí)要重視類似于喇叭、揚(yáng)聲器等含有永磁鐵組成部分的零部件形成的永磁場(chǎng)，對(duì)于周邊磁敏感器件產(chǎn)生的干擾。