方向盤脫手檢測功能失效分析優化

馬 謙

（吉利汽車研究院，浙江 寧波 315336）

1 引言

隨著汽車工業的發展，智能化、復雜化的汽車電氣系統被應用，消費者對于汽車的基本功能要求越來越高，汽車承載了越來越豐富的配置，隨之而來的就是各種功能的安全性如何，能否滿足消費者對于功能安全的要求，能否滿足電磁兼容的要求。脫手檢測功能是在駕駛員正常駕駛車輛的過程中，當車速大于一定值后自動開啟，用來檢測駕駛員雙手是否有脫離方向盤的動作，并在駕駛員雙手脫離時通過儀表顯示和聲音進行報警的一項安全提醒功能。

由于此功能是通過電動助力轉向系統EPS的扭矩傳感器的值檢測駕駛員是否雙手離開方向盤的，轉向管柱周圍的安裝空間狹小，同時還安裝了很多其它的控制器、執行電機、揚聲器等，導致在此周圍范圍內的電磁場環境非常復雜，容易引起相互的電磁干擾問題。圖1為脫手檢測功能在此車型上的實現原理。

圖1 脫手檢測功能原理

本文主要通過對脫手檢測功能無法正常工作的問題進行排查、定位、分析干擾源形成的原因，并結合整車電磁兼容環境的整體要素，在實際車型中提出優化方案，解決實際的工程問題，并對問題進行橫展的方案推廣。

2 背景方案

此問題為開發過程中試驗車輛偶發性的，在正常行駛過程中，當雙手離開方向盤后，脫手檢測功能不工作，儀表沒有相應地進行文字和聲音報警，不滿足功能設計的要求。

根據圖1的原理，首先檢查是否有報警請求信號從脫手檢測模塊發出，發現在功能失效時沒有信號發送給儀表，因此再對EPS扭矩傳感器發出的方向盤扭矩值進行測量，發現當功能失效時，扭矩傳感器發出的扭矩值為0.36Nm，超出了設計最大值0.2Nm設計范圍，導致脫手檢測模塊無法發出報警請求信號。

由于此扭矩傳感器 （圖2）為霍爾式，通過磁通量的變化轉化為電壓信號的變化，從而檢測出扭矩值的變化，因此傳感器對磁場干擾比較敏感。考慮到扭矩傳感器發出的扭矩值不準確是由于受到了周圍強磁場的干擾導致，為了快速定位問題的根本原因，制定了詳細的排查方案。第1步是檢查其周圍是否有強磁場，對扭矩傳感器周邊磁場強度測試；第2步是檢查周邊是否存在強磁場源。

圖2 扭矩傳感器位置示意圖

3 干擾源定位

第1步：在暗室中測量扭矩傳感器周邊環境磁場強度，確保周邊其它環境對磁場沒有影響，使用Narda磁場測試探頭從10Hz～400kHz在扭矩傳感器表面進行測量，結果如圖3所示。測量結果遠低于GBT8702—2014的標準限值要求，都在0.1uT以下，基本上處于無電磁場的情況。

圖3 10Hz～400kHz磁場強度測試

第2步：扭矩傳感器周圍環境檢查，在實車上和三維布置圖中對轉向管柱周邊20cm內各個方向的主要零部件進行排查，主要有轉向柱、轉向控制器、轉向助力電機以及用于E-Call功能的揚聲器，在揚聲器上存在一個永磁鐵。磁鐵表面距離扭矩傳感器最近距離為81mm。

為了近一步證明揚聲器磁鐵對于扭矩傳感器的輸出產生影響，將磁鐵從原車上拆下，使用如圖4的特斯拉計進行不同距離時的磁場測量，測試結果見表1。從表1可以看出，由磁鐵產生的磁場強度遠遠大于使用Narda設備測量的值，進一步證明在DC以上的頻率上沒有其它磁場源產生磁場干擾，而磁鐵產生的磁場正好是DC頻段的。

同時使用2臺不同配置的車在帶揚聲器和不帶揚聲器的情況下進行對比測試，結果見表2。從結果中可以看出，原車去掉揚聲器或者加裝揚聲器后都對原車扭矩傳感器周邊的磁場產生了較大的變化。

圖4 數字特斯拉計

表1 不同距離磁鐵磁場強度測量

表2 不同車輛磁場強度對比

結合以上的測試數據過程可以得出結論：在扭矩傳感器周邊沒有其它磁場干擾源，揚聲器磁鐵是主要的磁場干擾源。

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計的，由霍爾芯片將磁通量的變化轉化為電壓信號輸出。因此，其對于周圍無論是變化的磁場，恒定的永磁場，還是由變化的電流產生的磁場都比較敏感，容易受到干擾。

根據ISO 11452-8磁場抗擾度的測試要求，DC頻段，在距離被測樣件50mm的位置施加1000A／m的磁場干擾，按照公式1T=800kA／m，換算后即為1.25mT強度，如果被測樣件能夠滿足此標準中規定的磁場強度要求，是不會出現在80mm位置，被0.11mT的永磁場干擾的問題。

由于在本問題案例中，此EPS總成為多項目的量產件，在不裝配E-Call功能的車型中不會出現此脫手檢測不能報警的問題，為了降低工程變更成本，因此未要求扭矩傳感器進行硬件整改，而是從揚聲器磁鐵的布置位置著手分析，解決此問題。通過對整車乘客艙內各個地方環境分析，最終將揚聲器放在了座椅下面，緊靠車身平面布置，并對周圍布置的其它新開發產品統一要求按照ISO 11452-8進行磁場抗擾度測試，結果均能滿足標準要求，問題解決。

因此，在解決整車電磁兼容問題時，必須以系統的高度來考慮，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

本案例是一個典型的非通電情況下由于變化的大電流或高電壓產生的電磁場干擾其它零部件的問題，通過對干擾源定位分析、整車布置整改，采用以上整改優化方案，成功解決了永磁場對于霍爾傳感器的磁干擾問題。在整車設計過程中同時要重視類似于喇叭、揚聲器等含有永磁鐵組成部分的零部件形成的永磁場，對于周邊磁敏感器件產生的干擾。