談電子油門和整車電氣系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)

汪 暉， 計(jì) 紅

（東風(fēng)商用車技術(shù)中心， 湖北 武漢 430056）

電子油門在整車中有扭矩控制 （油量控制）、怠速控制（高、低怠速）、減速斷油控制、跛行回家控制等功能。下文就油門結(jié)構(gòu)、工作原理和失效分析等結(jié)合說明整車電氣系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)。

1 電子油門系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)說明［1］

駕駛員操縱油門踏板，電子油門踏板位置傳感器產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào)輸入發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元ECU，ECU經(jīng)過CAN總線和整車控制單元進(jìn)行通信，獲取其它工況信息以及各種傳感器信號(hào)如車速、節(jié)氣門位置等，由此計(jì)算出整車是否滿足控制函數(shù)。通過對(duì)節(jié)氣門轉(zhuǎn)角進(jìn)行補(bǔ)償，得到節(jié)氣門的最佳開度，并把相應(yīng)的電壓信號(hào)發(fā)送到驅(qū)動(dòng)電路模塊，驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)使節(jié)氣門達(dá)到最佳的開度位置。節(jié)氣門位置傳感器則把節(jié)氣門的開度信號(hào)反饋給ECU，形成閉環(huán)的位置控制。電子油門系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 電子油門系統(tǒng)

1.2 傳感器介紹［2］

1.2.1 內(nèi)部處理模塊功能介紹

圖2為傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。具體模塊功能如下。

圖2 傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1） Internally stabilized Supply and Protection Devices：內(nèi)部供電電壓穩(wěn)定和保護(hù)裝置。用于穩(wěn)定供電電壓，當(dāng)外部電壓過高時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的保護(hù)。

2） Temperature Dependent Bias：溫度傳感裝置。用來實(shí)時(shí)檢測(cè)傳感器的工作環(huán)境溫度。

3） Oscillator：內(nèi)部振蕩器。實(shí)現(xiàn)傳感器正常工作。

4） Open-circuit，Overvoltage，Undervoltage，Detection：開路，過壓，欠壓檢測(cè)電路。用于檢測(cè)供電管腳是否開路，過壓，欠壓，以便于傳感器進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)輸出診斷信號(hào)供ECU進(jìn)行判斷、處理。

5） Protection Devices：輸出管腳保護(hù)裝置。用于保護(hù)輸出引腳不會(huì)過反向電壓損壞。

6） Switched Hall Plate：霍爾效應(yīng)敏感片。用于感受外部磁場(chǎng)的變化。

7） A/D Converter：模數(shù)轉(zhuǎn)換器。用于將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，供DSP進(jìn)行處理。

8） Digital Signal Processing：數(shù)字信號(hào)處理器。用于處理經(jīng)過轉(zhuǎn)換來的反映外界磁場(chǎng)變化的數(shù)據(jù)信號(hào)。

9） D/A Converter：數(shù)模轉(zhuǎn)換器。用于將被DSP處理好的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。

10） EEPROM：電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器。用來存儲(chǔ)溫度、磁場(chǎng)范圍、靈敏度、靜態(tài)輸出電壓、鎖定等各種DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)需要的信息。

11） Lock Control：鎖定控制單元。用于確定傳感器是否鎖定，如果鎖定了，不能再進(jìn)行任何的讀寫操作。

12） Open-Circuit Detection：開路檢測(cè)單元。用于檢測(cè)傳感器的輸出管腳、搭鐵管腳是否開路。

1.2.2 傳感器失效模式

在Tj=-40～140℃范圍內(nèi)，25℃的典型溫度條件下，傳感器開路測(cè)試。表1為傳感器失效模式。

表1 傳感器失效模式

1.3 霍爾式傳感器應(yīng)用

1.3.1 傳感器

傳感器置于均勻的可旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)內(nèi)，如圖3所示。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，改變通過芯片的霍爾基板的磁場(chǎng)強(qiáng)度，產(chǎn)生變化的霍爾電壓，通過傳感器內(nèi)部處理，將磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)角度變化轉(zhuǎn)換為電壓變化輸出。

1.3.2 角位移測(cè)量

由霍爾電壓計(jì)算公式可知，盡可能地利用磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化與旋轉(zhuǎn)角度之間的近似線性關(guān)系，通過磁感應(yīng)強(qiáng)度B的線性變化從而使Vh線性變化，再通過芯片內(nèi)部的DSP處理，從而最終得到磁感應(yīng)強(qiáng)度B的線性變化與輸出Uout的線性輸出曲線關(guān)系，最終將角位移以模擬電壓的形式輸出。如圖4所示。

圖3 磁片與傳感器位置

圖4 角位移

1.4 霍爾油門實(shí)現(xiàn)原理

1） 利用霍爾位移傳感器的小角度測(cè)量方法。電子油門踏板總成通過腳踏連桿帶動(dòng)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，霍爾傳感器固定于電子盒中，當(dāng)霍爾傳感器感受到磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)變化時(shí)從而輸出與角度相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)的線性輸出。圖5為電子油門外形圖，圖6為電子油門局部放大圖。

圖5 電子油門外形圖

圖6 電子油門局部放大圖

2） 同步度信號(hào)輸出。采用2顆霍爾芯片完全獨(dú)立分開供電設(shè)計(jì)，輸出兩路同步獨(dú)立的線性模擬信號(hào)。圖7為電路框圖。

圖7 電路框圖

2 電子油門的快速檢測(cè)試驗(yàn)

2.1 臺(tái)架固定

首先將油門踏板固定在振動(dòng)臺(tái)上，模擬車輛行駛過程中的狀態(tài)，實(shí)時(shí)檢測(cè)油門踏板信號(hào)。因振動(dòng)實(shí)驗(yàn)只能是怠速狀態(tài)或全速狀態(tài)，根據(jù)需求，全速狀態(tài)有行程角，更符合要求，故將油門踏板綁定為全速狀態(tài)，固定牢固。

2.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

將油門踏板線束與油門過程性能檢測(cè)儀相連。參照?qǐng)D8油門踏板圖紙參數(shù)，設(shè)置檢測(cè)參數(shù)，見圖9。

圖8 油門踏板功能圖

圖9 參數(shù)設(shè)置

其中，信號(hào)1對(duì)應(yīng)圖紙中S1，全速狀態(tài)下電壓為84±3%，信號(hào)輸入電壓為5V，故將信號(hào)1電壓設(shè)為4.2V，公稱值設(shè)為0.15V。信號(hào)2類似。

油門過程性能檢測(cè)儀能實(shí)時(shí)檢測(cè)油門踏板輸出信號(hào)電壓，并在電壓超出所設(shè)定的公稱值范圍時(shí)，自動(dòng)亮起紅色報(bào)警燈，同時(shí)記錄此時(shí)的非正常數(shù)據(jù)，如圖10所示。

圖10 油門踏板檢測(cè)

參照GB/T 28046.3—2011《道路車輛 電氣和電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗(yàn) 第3部分：機(jī)械負(fù)荷》中4.1.2.7做隨機(jī)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，振動(dòng)參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 振動(dòng)參數(shù)設(shè)置

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

在整個(gè)24h振動(dòng)試驗(yàn)過程中，各方向信號(hào)范圍如表3所示。

表3 各方向信號(hào)范圍

振動(dòng)完后，再次檢測(cè)輸出信號(hào)電壓如表4所示，怠速狀態(tài)和全速狀態(tài)信號(hào)電壓均在正常范圍內(nèi)。

表4 再次檢測(cè)輸出信號(hào)電壓

其中同步度=S1/2-S2，同步度正常范圍為：絕對(duì)值小于0.05。

3 電子油門故障解析及整車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 電子油門故障、診斷原理及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響

電子油門故障、診斷原理及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響說明見表5。

表5 電子油門故障、 診斷原理及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響

3.2 電子油門失效分析與整車電氣系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)

3.2.1 案例1：康明斯共軌系統(tǒng)

某匹配康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)車型在路試中出現(xiàn)電子油門失效現(xiàn)象，并且儀表報(bào)“傳感器供電電壓-電壓過低或短路到搭鐵”，隨后消失，伴隨行駛時(shí)間加長(zhǎng)，油門失效問題出現(xiàn)頻繁，最后車輛進(jìn)入跛行模式。

1） 解析 現(xiàn)車排查，發(fā)現(xiàn)計(jì)量泵線束磨破，即計(jì)量泵電源線短路。康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)ECU內(nèi)部將計(jì)量泵電源和電子油門2電源設(shè)計(jì)做為共電源，因此，當(dāng)計(jì)量泵電源短路時(shí)，油門電源也短路，最終導(dǎo)致電子油門失效。

2） 匹配設(shè)計(jì) 整車電氣系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)ECU內(nèi)部電子油門的電源或搭鐵與其他系統(tǒng)是否有共電情況，如果有，針對(duì)這些系統(tǒng)的線束需要增加線束固定點(diǎn)，避免線束出現(xiàn)干涉、活擺、磨損等不正常的情況。

3.2.2 案例2：康明斯共軌系統(tǒng)

在顛簸路況下，某匹配康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)車型在路試中電子油門信號(hào)突然丟失，500km路程大概出現(xiàn)過8、9次。插接件重新插拔后故障未消除，更換電子油門后目前沒有故障再現(xiàn)。

1） 解析 檢測(cè)油門踏板報(bào)文，油門踏板信號(hào)1可以隨油門踏板行程角做相應(yīng)變化，但油門踏板信號(hào)2一直為102%。經(jīng)分析，確認(rèn)康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)ECU接收油門踏板兩路信號(hào)，通過兩路信號(hào)計(jì)算油門踏板百分比，但只對(duì)外轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)1的數(shù)據(jù)，不發(fā)信號(hào)2的數(shù)據(jù)。同時(shí)康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)ECU標(biāo)定與油門踏板相關(guān)的數(shù)據(jù)只有2個(gè)：油門信號(hào)的最低有效電壓、最高有效電壓。

因此，整車系統(tǒng)要求油門踏板有一個(gè)失效模式：當(dāng)搭鐵線斷開，要求信號(hào)輸出高于91%供電電壓（第1路） 和50%供電電壓（第2路）。對(duì)于整車車型不相同，布線、連接器都不盡相同，加上商用車一般振動(dòng)比較大，容易導(dǎo)致虛接。如果油門連接器或者ECU端連接器搭鐵線出現(xiàn)虛接就會(huì)報(bào)信號(hào)偏高故障。

2） 匹配設(shè)計(jì) 整車電氣系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于振動(dòng)比較大的車型，所有連接器應(yīng)采用鎖緊式的，連接器端子的公頭和母頭的材質(zhì)要求一致；傳感器和執(zhí)行器的線束要走不同的路徑，線束走線避免急轉(zhuǎn)彎，線束必須采用保護(hù)措施能夠防御噴水；發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、蓄電池和發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)一起接到汽車底盤上一點(diǎn)，確保共搭鐵。

線束從蓄電池到噴油器及噴油器本身再回到蓄電池的阻值決定了共軌系統(tǒng)在蓄電池容量低的情況下的總體功能狀態(tài)。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全部功能，噴射系統(tǒng)需要從蓄電池獲得一個(gè)最小的工作電流，也就需要蓄電池能夠提供給噴射系統(tǒng)一個(gè)最小的供電電壓，這個(gè)最小電壓取決于線束電阻?；谏鲜鲈贓CU接頭處的電壓，需要嚴(yán)格限制線束的阻值。

BOSCH推薦的線束阻值見表6［3］。

表6 線束阻值

3.2.3 案例3：玉柴單體泵和氣體機(jī)

某匹配玉柴單體泵發(fā)動(dòng)機(jī)車型，多車反饋踩油門無(wú)反應(yīng)。更換同供應(yīng)商的油門后，故障消失，但運(yùn)行一段時(shí)間后仍出現(xiàn)油門失效故障。

3.2.3.1 解析

油門供應(yīng)商有2家，更換另一家供應(yīng)商后，原多輛故障車不再重現(xiàn)油門失效問題。故障車的隨機(jī)油門故障信息見圖11～圖13。

為此，重新核查ECU與油門踏板的匹配性。首先確認(rèn)玉柴對(duì)油門匹配的要求及故障機(jī)理。

3.2.3.1.1 油門踏板要求及接口電路、信號(hào)識(shí)別

1） 玉柴自主單體泵和氣體機(jī)要求使用的電子油門，其特性曲線如圖14所示。

2） 玉柴ECU油門接口電路見圖15。

3） 玉柴ECU對(duì)怠速開關(guān)信號(hào)的識(shí)別如下：電平大于3.1V，怠速開關(guān)標(biāo)志識(shí)別為1 （怠速狀態(tài)）；電平小于2.5V，怠速開關(guān)標(biāo)志識(shí)別為0 （非怠速狀態(tài)）。

圖11 故障車1隨機(jī)油門故障信息

圖12 故障車2隨機(jī)油門故障信息

圖13 故障車3隨機(jī)油門故障信息

3.2.3.1.2 玉柴ECU的油門開度不合理故障診斷策略

1） 油門開度不合理故障進(jìn)入條件：①油門開度＞20%，且怠速開關(guān)閉合（idle switch為1） 或②油門開度＜2%，且怠速開關(guān)斷開（idle switch 為0）。

2） 油門開度不合理故障退出條件：油門開度≤20%，且怠速開關(guān)閉合（idle switch為1）。

3） 滿足所有進(jìn)入條件時(shí)才進(jìn)入軟故障，經(jīng)過確認(rèn)延時(shí)后，成為硬故障。一旦硬故障確認(rèn)，必須滿足退出判斷條件才能退出故障。故障確認(rèn)延時(shí)5s （可標(biāo)定），故障退出延時(shí)2s （可標(biāo)定）。

圖14 油門踏板

圖15 玉柴ECU油門接口電路

3.2.3.1.3 結(jié)果

根據(jù)3個(gè)油門開度與怠速開關(guān)信號(hào)的波形可知，在油門開度變化的過程中，ECU識(shí)別到的怠速開關(guān)標(biāo)志始終為1，根據(jù)油門接口電路，即油門在變化過程中，怠速開關(guān)線輸出的信號(hào)電壓始終大于3.1V。

根據(jù)故障車采集的油門波形圖以及油門開度不合理故障診斷原理，可知：ECU會(huì)檢測(cè)到油門開度不合理故障，從而進(jìn)入limp home或限扭功能。

怠速開關(guān)信號(hào)一直為1，即輸入到ECU內(nèi)部的怠速開關(guān)信號(hào)電壓電平一直大于3.1V。具體和油門內(nèi)部的怠速開關(guān)信號(hào)的處理電路有關(guān)。

3.2.3.2 匹配設(shè)計(jì)

因該油門踏板大量匹配BOSCH和康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)，并未出現(xiàn)油門失效問題，對(duì)此玉柴自主ECU適應(yīng)性較窄，需要優(yōu)化玉柴發(fā)動(dòng)機(jī)ECU特性。

4 結(jié)束語(yǔ)

整車電氣系統(tǒng)，不僅要考慮油門踏板的參數(shù)、油門接口電路的匹配、油門1和2的電源及共搭鐵，還有整車線路的匹配設(shè)計(jì)。

對(duì)于某些如信號(hào)要求精準(zhǔn)、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度較高部位、插拔次數(shù)較多的部位，插接件端子不建議采用鍍錫，一般鍍層厚度在0.25um，在這些特殊部位需要導(dǎo)電性能好、接觸電阻小，建議采用鍍金端子。同時(shí)還需要考慮端子的許可線截面。對(duì)于電子油門線束需打斷處理的，建議插接件端子采用鍍金方式。同時(shí)為避免電子油門與其他電器件之間的相互干擾，線路必須采用雙絞線，最大絞制間距為25mm。

對(duì)于油門共搭鐵的線束，整車電氣需要加強(qiáng)對(duì)這些部位的線束固定、搭鐵線的處理，避免出現(xiàn)影響油門信號(hào)的情況。