EMC引发曲轴位置传感器信号失真问题的研究

2022-11-01魏庆山何燕君孙铁钢

汽车零部件 2022年10期

魏庆山，何燕君，孙铁钢

宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江宁波 315336

0 引言

电控发动机中曲轴位置传感器是发动机时序控制的基础，燃油、点火和进气都是在此信号的基础上进行判断的，当传感器的信号受到EMC干扰时发动机的性能就会受到影响。因此针对曲轴位置信号有非常详细的诊断策略，但当曲轴位置传感器单独一个信号出现异常时，诊断系统无法去除此信号，并设定补偿方式，导致发动机的喷油及点火时刻调整，发动机会有异常波动现象。

本文通过对曲轴位置传感器EMC干扰的失效案例分析，确定干扰来源，阐述失效机制，并在传感器设计、线束布置及ECM中传感器供电电源电平衡方向提出改进措施。

1 曲轴位置传感器结构及电路

曲轴位置传感器主要零部件有：芯片TLE4931、滤波电容和、永磁体及针脚等。较传统曲轴位置传感器相比，该产品内部没有印制电路，此种设计是为了节省成本及布置空间。无法集成到芯片内部的滤波电容需要锡焊到针脚上(图1)。和为线路的等效电阻(图2)。将信号端上拉，当信号线上前端发生接触不良时ECM可以接收到高电平信号;当曲轴转动影响磁场空间强度分布，作用在芯片电路中;当芯片内部的电路依据霍尔效应产生的电压大于一定值时，芯片内部的集成电路经过放大作用将直接接地，实现ECM端接收到的信号为低电平。、和是ECM内置滤波电路。

图1 曲轴位置传感器关键结构

图2 传感器及ECM电路

2 EMC问题解析

车辆路试时工作人员发现，车辆行驶过程中在雨刮工作结束的瞬间车辆有轻微的不平稳现象发生，多次打开/关闭雨刮现象依旧存在，车辆诊断灯没亮，利用诊断装置通信ECM也没有查到历史故障信息。曲轴位置传感器是车辆运行的根本信号，使用示波器检测相关信号。

故障车辆信号波形如图3所示。ECU地线稳定;雨刮地电流波动;传感器电源线跟随雨刮线波动，周期同步;传感器电源波动的谷值低于芯片内部要求的最小工作电压3.30 V，且峰谷周期达到10 μs。在驾驶员未发出改变车辆状态的情况下，曲轴位置传感器信号两个下降沿周期突然变化，所以车辆的运行情况出现波动。但是传感器又迅速恢复到工作状态，所以没有触发车辆的诊断逻辑。

图3 故障车辆信号波形

3 影响曲轴位置传感器信号的主要因素

3.1 曲轴位置传感器芯片特性

由图3的故障车辆信号可以看出，车辆平稳运行时曲轴位置传感器两下降沿周期约为1.15 ms，当遇到干扰时两下降沿周期突变为2.18 ms。结合监测到的传感器的供电电压值，最低电压小于3.30 V，结合TLE4931使用手册此电压已经小于传感器最低工作电压，判断传感器进入了重启模式，芯片重启周期1 ms，2.18 ms中去除芯片的启动时间，剩余时间约为1.18 ms，与前一个周期接近。因此推断，信号周期的突变是由于芯片重新启动导致。

3.2 芯片外被动元件对电源波动的影响

曲轴位置传感器芯片外部没有印制电路板，电源线与地线之间的电容为100 nF，在电源线上串联电阻能有效地减少电源波动，但是电阻本身有分压作用，当前芯片工作电流为10 mA。如果串联50 Ω电阻，电阻分压0.50 V，使得芯片实际供电电压只有4.50 V;如果本品增加电阻，只能打断针脚，焊接电阻，这增加了质量隐患。因此考虑增大电容值至470 nF,并验证电源电压跌落周期10 μs时传感器承受的最低电压。通过对电容100 nF以及增大至470 nF进行了多次验证试验，得出不同传感器耐受的最低电压见表1。由表可知，电容增大至470 nF,最低耐受电压值为1.60 V，传感器依然可以正常工作。

表1 不同C1传感器耐受的最低电压单位:V

3.3 线束布置对信号输出的影响

线束布置方案如图4所示。由图中方案①可以看出，传感器的线束连接到ECM，ECM地线与雨刮及雨刮继电器地线一同接到发动机纵梁同一位置。方案②增加雨刮地至蓄电池负极，方案③将雨刮地单独连接到减震弹簧座，方案④将雨刮地和雨刮继电器的地单独连接至减震弹簧座。试验结果显示雨刮开关及正常工作时方案②及方案④曲轴位置传感器电压波动很小，传感器没有重新启动。