电子节气门开度调节异常问题分析优化

温剑喜，苏添发

（吉利汽车研究院（宁波）有限公司，浙江 宁波 315300）

1 引言

随着汽车工业的发展，智能化、复杂化的电气系统应用于车辆实现各个复杂的功能。同时车辆使用者对车辆的功能要求越来越高，车辆也承载了越来越多的丰富的配置。随之而来的问题就是怎么样保证这些电器系统安全性，能否满足车辆功能安全的要求，能否满足电磁兼容的要求。电子节气门调节功能，是车辆发动机控制器通过各种工况信息和传感器信号做出判断并处理，并计算出最佳的节气门开度，达到车辆发动机的最佳扭矩输出。

电子节气门的位置信号是发动机实现精准调节的重要信号，其转角位置检测是通过电子节气门上的霍尔传感器来检测当前节气门开度大小。节气门安装在发动机总成上，周围的安装空间狭小，周边同时还安装了其它的传感器、控制器、执行电机等，导致在此周围范围内的电磁场环境非常恶劣，容易引起相互间的电磁干扰问题。图1为电子节气门调节的工作原理。

图1 电子节气门工作原理

以下通过对电子节气门调节功能异常工作的问题进行排查、定位、分析，找出问题的根本原因，并结合整车电磁兼容环境因素，在实际车型开发中提出优化方案，解决实际的工程问题，并对问题进行横展以及方案推广。

2 问题背景

该问题是在车辆开发过程中试验车辆偶发性问题，车辆在怠速时，通过软件标定加大发动机的负载，此时节气门开度正常是会变大，但是实际电子节气门执行器执行开度反而变小，不满足实际功能的要求。

根据图1的原理，首先操作加速踏板输出加速踏板的位置电压信号，发动机控制器收到该信号后进行滤波处理，并根据当前的工作模式、踏板移动量和变化率解析驾驶员意图，计算出对发动机扭矩的需求，从而得到节气门的转角期望值，电子节气门收到这个开度期望值信号后会驱动电机执行开度到达期望位置。但在这个标定过程中发现，节气门开度反而变小，通过对节气门霍尔传感器发出的实际值进行测量，发现当功能失效时，传感器发出的位置信号和实际执行的开度是保持一致。针对以上现象，经过对节气门单体的流量测试、信号稳定性测试，确认节气门单体无问题。

由于该节气门开度传感器为霍尔式，通过磁通量的变化转化为电压信号的变化，从而检测出节气门开度的变化，由于霍尔传感器对磁场比较敏感，故怀疑节气门位置传感器受到强磁场干扰导致节气门位置传感器检测值不准确。节气门位置示意图见图2。

图2 节气门位置示意图

为了定位问题的根本原因，制定了详细的排查方案。第一，先检查电子节气门周围是否有强磁场源；第二，实际针对节气门周边的磁场环境进行实际测量。

3 问题排查及定位

首先把车辆放置于屏蔽暗室中，确保无外界的磁场影响，测量电子节气门周边的磁场强度。使用Narda磁场测试探头从10Hz～400kHz在扭矩传感器表面进行测量，结果如图3所示。测量结果远低于GBT8702-2014的标准限值要求，都在0.1μT以下，基本上处于无电磁场的情况。

图3 10Hz～400kHz磁场强度测试

其次电子节气门位置传感器周围环境检查，在实车上和三维布置图中对电子节气门周边20cm内各个方向的主要零部件进行排查，主要有发电机及控制器。发电机侧面距离节气门位置传感器最近的距离为32mm。

为了确认是由于发电机产生的强磁场干扰节气门位置传感器，采用数字特斯拉计的磁场探头来检测发电机产生的最大磁场强度，数字特斯拉计实际测试如图4所示，测试结果见表1。从表1可以看出，由发电机磁极产生的磁场强度远远大于使用Narda设备测量的值，证明在DC以上的频率上没有其它磁场源产生磁场干扰，而发电机磁铁产生的磁场正好是DC频段。

图4 数字特斯拉计实际测试

为了验证磁场干扰的问题导致信号输出变化，在节气门与发电机之间插入一块铁板，确认输出信号是否有变化。在固定进气压力下，观察开度信号的变化，具体测试值见表2。

从表2测试数据可以得出，电子节气门位置传感器周边主要磁场干扰源是发电机。

表1 不同距离发电机磁场强度测量

表2 带金属和不带金属板开度信号测量

4 原因分析

电子节气门位置传感器是采用霍尔式检测的传感器，是基于磁通量变化的原理来识别不同位置的，由霍尔芯片将磁通量的变化转化为电压信号输出。因此，其对于周围存在任何形式的磁场都比较敏感，比较容易受到干扰。

按照国际标准ISO 11452-8磁场抗扰度的测试要求，在DC频段要求是距离产品50mm处施加1000A/m的磁场干扰，产品不得出现异常问题，通过公式换算T=800kA/m，换算后的测试强度为1.25mT，假如被测样件能够满足此标准要求，但是在实际运用环境中产生的磁场强度远大于这个强度，所以在实际运用中还是会因为受到干扰而不能正常工作。

另外该霍尔位置传感器采用的是两极芯片的检测方式，即两个对极检测。这种芯片是依靠两方面的磁场强度的比例变化计算出实际物理角度，当外部磁场改变了两方面磁场强度比例时，芯片计算角度会发生偏差，容易受到干扰，这种方式抗干扰能力弱。

5 解决方案

由上面的问题排查可知，该传感器周边存在很强的磁场，主要从3个方面来解决这个干扰：一是增大发电机和节气门的距离；二是加金属板来屏蔽磁场；三是增加节气门的抗干扰能力。由于考虑该发动机结构，距离没法增大，中间增加一块金属板有被磁化的可能，故这两个方案都无法实施。经过和芯片供应商沟通，厂商推荐另一款霍尔芯片，能大大增加磁场抗干扰能力。该芯片采用四极磁极来检测信号。四极芯片拥有8个方向的磁场感应单元，对其中一个方向磁场变化可以通过芯片算法去除干扰。另外依靠磁场梯度作为计算输入，而不是磁场强度作为输入，对短距离趋向于恒磁场的干扰有滤除作用。节气门更换新的霍尔芯片后，节气门调节功能正常，问题解决。

从这个案例看，在解决整车电磁兼容问题时，要站在系统的高度来考虑，综合使用各种可能方案，例如：降低干扰源的干扰水平；隔绝干扰路径；提升被干扰件的抗扰度能力。

6 小结

本案例是由于发电机磁极产生的DC磁场发射，是典型的通电情况下由于磁铁的恒定磁场发射产生的电磁场干扰其它零部件的问题。通过对干扰源定位分析、整车布置优化、芯片方案优化，采用以上的更换电子节气门芯片的优化方案，成功解决了永磁场对于霍尔传感器的磁干扰问题。另外在整车电磁兼容前期设计时，要重点关注类似发电机、喇叭、扬声器等具有恒定磁场发射的零部件，在数据上确认周边是否存在敏感元器件。