共軌壓力傳感器的試驗(yàn)研究范文

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《車輛與動力技術(shù)雜志》2014年第二期

1干擾機(jī)理分析

在ECU的系統(tǒng)中，大量的傳感器都屬于敏感易受干擾的設(shè)備，分析其敏感現(xiàn)象與ECU系統(tǒng)組成可知，造成發(fā)動機(jī)熄火及轉(zhuǎn)速大幅下降的原因，可能是由于表1中列出的信號在處理的過程或路徑上受到了外界電磁干擾，從而導(dǎo)致ECU控制發(fā)動機(jī)出現(xiàn)非正常的響應(yīng)．由柴油高壓共軌電控發(fā)動機(jī)的噴油控制原理可知，ECU根據(jù)各傳感器反饋的數(shù)據(jù)，計(jì)算出目標(biāo)噴油壓力，同時根據(jù)共軌壓力傳感器反饋的壓力值，定出實(shí)際噴油壓力;而共軌壓力傳感器輸出信號電平在1～4V范圍內(nèi)是隨共軌燃油壓力值增大而增大的．在車輛怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的正常狀態(tài)下，當(dāng)壓力信號電平增大時，ECU將控制轉(zhuǎn)速降低以減小噴油壓力，噴油壓力反饋給ECU的信號電平應(yīng)在1～1.7V范圍內(nèi)．如果在共軌內(nèi)的實(shí)際壓力沒有發(fā)生變化，只是傳感器在受干擾的情況下輸出了一個錯誤的信號電平，那么ECU將控制發(fā)動機(jī)降低轉(zhuǎn)速，最終導(dǎo)致共軌內(nèi)燃油壓力不足以維持怠速運(yùn)轉(zhuǎn)條件，從而表現(xiàn)出轉(zhuǎn)速下降并熄火的現(xiàn)象．

2電磁干擾分析

下面將從電磁干擾構(gòu)成的三要素(干擾源、耦合途徑以及敏感設(shè)備)來對干擾現(xiàn)象進(jìn)行進(jìn)一步的分析．

2.1電磁干擾源該測試車輛由于其高機(jī)動的特性，可能會處于各種天線發(fā)射產(chǎn)生的輻射電磁場內(nèi)，這些輻射電磁場在線纜上的耦合效應(yīng)將產(chǎn)生共模干擾．比如，該車安裝的超短波通訊電臺，在其大功率發(fā)射時，在天線基座附近產(chǎn)生的場強(qiáng)可以達(dá)到70～80V/m．因此，即使從系統(tǒng)內(nèi)兼容的角度考慮，這種干擾源也是必然存在的而且無法改變;同時，由于車輛車體設(shè)計(jì)的需求，不可能采取完整的車體屏蔽，所以，為了解決共軌壓力傳感器的敏感問題，只能從另外兩個要素上尋找解決方案．

2.2干擾耦合途徑

2.2.1地回路耦合途徑由圖2可以看到，共軌壓力傳感器為金屬封裝，與發(fā)動機(jī)主體的連接方式為金屬螺紋連接．發(fā)動機(jī)主體沒有設(shè)置專門的搭接線接地，僅起動機(jī)有一根50mm寬度的接地線連接至電瓶負(fù)極．從車輛檢查情況看，車架表面涂有防銹漆，發(fā)動機(jī)與車架間有減震墊連接，僅靠固定螺栓很難保證足夠小的接地電阻．因此整個車體地上存在著較大的交流阻抗，面對外部電磁輻射場，電磁場在車體表面容易形成渦流，通過地回路串?dāng)_進(jìn)傳感器電路中．

2.2.2傳輸線纜耦合途徑ECU連接傳感器的線纜，采用了普通電纜連接，沒有采取絞合或屏蔽的措施，特性阻抗很不穩(wěn)定，線纜間距很小，容易引起高頻干擾信號的串?dāng)_．如果線纜兩端的連接設(shè)備沒有同時做好濾波，則干擾信號將直接或間接地進(jìn)入電路中，引起敏感現(xiàn)象．

2.3敏感設(shè)備(電路)共軌壓力傳感器，是將共軌內(nèi)傳遞的燃油壓力，通過壓敏電阻的阻值變化以改變電橋的平衡狀態(tài)，并將壓力值轉(zhuǎn)換為電壓信號(Vh和Vl)，通過放大器將該電壓信號放大，然后輸出到ECU進(jìn)行解算控制發(fā)動機(jī)的噴油壓力．電橋輸出的電壓非常微弱，放大器的放大倍數(shù)接近400倍，輸出給ECU的共軌燃油壓力信號也是一個在1～4V范圍內(nèi)變化的電壓信號．在施加干擾的情況下，干擾能夠通過線纜的耦合、地回路的耦合進(jìn)入到傳感器電路中，導(dǎo)致敏感現(xiàn)象的出現(xiàn)［2］．

2.3.1傳感器前部———壓力采集轉(zhuǎn)換部分如圖3所示，電橋輸出的電壓(Vh和Vl)是十分微弱的信號，PCB上的線間耦合以及地回路的串?dāng)_，很容易影響其信號品質(zhì)．如果在電橋輸出信號與放大器之間不設(shè)計(jì)濾波電路濾除高頻干擾信號，當(dāng)干擾達(dá)到一定的強(qiáng)度后，干擾信號也會由放大器輸出到后級，并影響ECU的解算．共軌壓力傳感器為金屬封裝，與發(fā)動機(jī)主體的連接方式為金屬螺紋固定，相當(dāng)于與車體共地．如果PCB內(nèi)部的參考地與車體地隔離不好，外部輻射干擾在車體金屬外殼上形成表面電流，這種地電流就有可能由地回路進(jìn)入PCB內(nèi)部并干擾電橋輸出的微弱電壓信號，而且電橋輸出與放大器之間沒有設(shè)置濾波電容，干擾信號經(jīng)放大器放大后必然會影響共軌燃油壓力信號的輸出電平:這就印證了在10V/m的外加干擾場強(qiáng)下仍然出現(xiàn)發(fā)動機(jī)熄火現(xiàn)象的原因．

2.3.2傳感器后部———共軌壓力信號輸出部分從圖4可見，傳感器電路的輸出部分考慮了濾波措施，首先傳感器內(nèi)的參考地取自ECU的信號地，并且為避免長線纜傳輸路徑上耦合的干擾，使用了磁珠與電容的LC濾波電路，這些均起到了濾除高頻噪聲的作用．同樣，在輸入5V電源與輸出信號端，也都采用了磁珠加電容的LC濾波電路，也應(yīng)該具有一定的效果．但傳感器廠家在前期對傳感器進(jìn)行電磁兼容測試時，使用的是屏蔽線纜，同時在測試桌的接地平板上兩端接地，這些措施與實(shí)際裝車情況不符;并且整車測試時耦合的干擾電流的強(qiáng)度也應(yīng)高于其前期的試驗(yàn)室測試．因此，濾波元器件的參數(shù)選擇，以及是否增加其他濾波措施，是應(yīng)該按實(shí)際裝車狀態(tài)來進(jìn)行設(shè)計(jì)．

3共軌壓力傳感器抗干擾設(shè)計(jì)改進(jìn)及復(fù)測驗(yàn)證

3.1改進(jìn)濾波設(shè)計(jì)從圖3、圖4中可知，原傳感器已經(jīng)考慮了信號的濾波，但僅在傳感器輸出前端采取了濾波，磁珠、電容的參數(shù)也沒有按照GJB151A中CS114項(xiàng)要求的干擾信號強(qiáng)度進(jìn)行選取，沒有綜合考慮干擾的前門、后門效應(yīng)，因此，應(yīng)著手在以下3個方面加強(qiáng)設(shè)計(jì):1)在電橋輸出與放大器電路之間，增加低通濾波電路，需要兼顧考慮響應(yīng)時間常數(shù)(τ1)與增益要求，低通濾波器的時間常數(shù)(τ2)應(yīng)小于并等于τ1，并留出30%的設(shè)計(jì)余量．共軌壓力傳感器內(nèi)部電路中，在輸入的5V電源、輸出的共軌壓力信號與地之間，根據(jù)共軌壓力傳感器設(shè)計(jì)響應(yīng)時間常數(shù)(τ1)與增益要求，增加合適參數(shù)的濾波電容，濾除高頻部分的雜散信號;2)LC濾波之后增加并聯(lián)穩(wěn)壓二極管，使得電源電壓更加平穩(wěn)．由于穩(wěn)壓二極管的作用，電源接通瞬間的過度特性得以改善，從而增強(qiáng)了輸入電壓同輸出信號的穩(wěn)定性;3)在ECU內(nèi)部的PCB上，對于與共軌壓力傳感器連接的信號輸入輸出電路，也應(yīng)考慮同樣的濾波處理，以濾除不必要的高頻雜散信號，提升系統(tǒng)的抗干擾能力．如圖5所示，虛線框內(nèi)就是電橋采集信號后以及信號放大輸出之前，電路中增加的濾波電路。

3.2復(fù)測驗(yàn)證結(jié)果將改進(jìn)后的共軌壓力傳感器安裝回發(fā)動機(jī)后，按照同樣的測試位置與干擾信號強(qiáng)度，在同樣的車輛狀態(tài)下進(jìn)行復(fù)測，沒有再出現(xiàn)發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)異常的現(xiàn)象．通過示波器監(jiān)測傳感器輸出信號，也沒有出現(xiàn)異常的信號波動，復(fù)測結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)到了預(yù)期的目的．

4結(jié)束語

壓力傳感器是車輛電控系統(tǒng)的重要組件，其自身對靈敏度、精度和響應(yīng)速度要求較高，因此容易受到外界電磁干擾，而濾波設(shè)計(jì)往往會降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，因此恰當(dāng)?shù)臑V波設(shè)計(jì)顯得尤為重要．再綜合考慮器件選擇，屏蔽、接地設(shè)計(jì)等電磁兼容性設(shè)計(jì)元素，從電磁干擾的三要素出發(fā)，重點(diǎn)保護(hù)敏感電路，阻斷干擾耦合的途徑，實(shí)現(xiàn)基于系統(tǒng)功能、性能要求的傳感器電磁兼容性設(shè)計(jì)．

作者：曹俊鄭潔單位：中國北方車輛研究所