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
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。
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
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
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。
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
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
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。
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。