电容式离手检测方向盘BCI失效整改研究

2024-01-07吴凤占

汽车电器 2023年12期

吴凤占

（采埃孚汽车科技（上海）有限公司，上海 201814）

随着汽车辅助驾驶以及自动驾驶高速发展，越来越多的车上开始实现封闭道路或者特定道路的车辆自动驾驶功能，例如日产CIMA平台在2001年的时候就在量产版英菲尼迪Q45上首次搭载了车道保持功能，使驾驶员可以部分时间手不在方向盘上。后续更多的功能，例如自适应巡航ACC、自动制动辅助AEB和自动泊车APA也陆续广泛地应用到汽车系统中，在这些辅助驾驶中，车辆都需要检测驾驶员的手是否在方向盘上还是手已经离开方向盘，因此可以检测手持/离手的方向盘就应运而生。

在离手检测方向盘的应用中，最常见的解决方案为电容式离手检测方向盘，通过布置不同种类的电容传感器在方向盘上，经过控制器处理方向盘的电容充放电信号来检测驾驶员是否手握方向盘。电容式方向盘的一个最大难点在于难以控制和解决EMC干扰问题，尤其是传统的大电流注入类抗干扰试验，由于干扰源产生的寄生电容和电容式方向盘的实现方式有重叠，所以经常导致电容式方向盘难以通过EMC抗干扰试验，本文研究了多种电容方向盘的失效表现，提出一种解决电容方向盘BCI测试失效的工程方法。

1 电容式离手检测（HoD）方向盘

1.1 电容式离手检测方向盘组成

目前针对驾驶员手持方向盘以及方向盘离手检测的需求，主流的实现方案是采用电容式传感器垫子布置在方向盘的轮缘周围，由于大部分的方向盘骨架为铸铝结构，经过1次发泡以后，将带有加热功能或者离手检测功能的传感器垫子包覆在方向盘轮缘上，然后经过2次发泡，产生一定的间隙，最后再将表面皮革包覆在方向盘周围，便形成了最终的方向盘成品。主要的方向盘构成如图1所示。

图1 电容式方向盘轮缘构成

离手检测方向盘的电容传感器垫子设计，一般采用表面铜丝图案布置方式，将细铜线在软性皮革上进行一定图案的走线，通过不同的图案绘制形成不同的传感器区域，实现单区/多区方向盘的设计，将铜丝的图案布置完成后，将铜线固定在软性皮革上，最后将末端的铜线引出到控制器端，就形成了一个完整的传感器检测系统。典型的电容传感器感应垫子如图2所示。

图2 电容传感器感应垫子

1.2 电容式离手检测方向盘检测原理

通过布置不同区域的铜丝图案，不同区域就形成了不同的传感器，然后在传感器垫子下方布置保护层，保护层Guard有一个分布电容，而传感器Sensor层也形成了一个分布电容，因此当没有手触摸方向盘时，整个电路相当于Cguard和Csensor的串联回路，此时通过开关控制器内部的微开关，接通控制器内部的电流源，形成一个稳定的电容充电放电回路。通过测量分布在电容两端的电压，可以计算出目前Csensor的容值大小。当有人手触摸在方向盘的表面上时，由于人体是良导体，整个人手的电容相当于并联在Csensor端，形成一个Csensor+Chand的电容，同时Csensor+Chand的电容与Cguard电容串联，继续与ECU内部的上拉电源进行充放电，最终通过测量Csensor的电压值来检测目前是否有人手触摸在方向盘上。整个电容式方向盘的等效电路如图3所示。

通常情况下，当没有手握住方向盘时，整个系统的电容值处于一个稳定的状态，Csensor和Cguard可以通过系统设计，做成容值相等的2个传感器垫子，例如通常设置成55pF左右的电容传感器垫子，此时通过如下公式可以得出通常情况下，Vsensor处可以得到一个1/2Vdd左右的等效电压。

当人手接触到方向盘时，方向盘Guard传感器相当于并联了一个人手的电容值，根据人体静电场模型，人手的电容大概30pF左右[1]，那么式（1）变换成：

可以算出当人手触摸在方向盘上时，Sensor两端采集的电压有明显下降，通过触摸与非触摸方向盘时Sensor两端明显的电压下降ΔV，即可检测出目前人手触摸方向盘的情况。

2 大电流注入BCI测试介绍

对于整车零部件的电磁兼容（EMC）测试，通常分为电磁干扰（EMI）和电磁敏感度（EMS）两大类，而在电磁敏感度EMS中，又分为传导骚扰、辐射骚扰和静电等。在EMS试验中，有一项重要的传输线骚扰测试项目——大电流注入测试（BCI）。大电流注入测试最早是波音公司用来测试设备的电磁兼容问题，后来英国的国防标准59-41以及美国军标MIT-STD-462D陆续引入了该标准，用于测试电子设备的低频辐射场的敏感性问题[3]。

由于大电流注入测试方式不需要高功率的功率放大器，而且不需要在电波暗室进行，因此BCI测试被众多的整车厂商定义为必须的EMC测试试验项目。大电流注入是使用注入探头将共模骚扰噪声耦合到传输线缆上，传输线将共模噪声传导到电子控制器或者设备内部，通过实时监控电子控制器或者产品的工作状态，来实时检测BCI试验时设备工作是否受到了影响。

2.1 BCI测试流程

大电流注入法的试验布置如图4所示，针对“闭环法”测试，按照ISO 11452-4国际标准定义[5]，测量线束的长度为1500mm，测试频率为1～400MHz，测试线束一般采用整车线束定义，测试CBCI时，DUT所有的线束都要置于探头内部，测量DBCI时，除电源回线以外的所有线束都要置于探头内部。测试环境应保证一个稳定的地平面，地平面可以使用金属或者铜导体进行模拟，整个地平面的厚度不小于0.5mm，地平面和屏蔽室或者屏蔽墙体之间的阻抗应不超过2.5mΩ。

图4 典型的BCI测试试验布置

测试时测试线束应该保持笔直，测试线束和测试设备应该置于一个不导电的绝缘块上，绝缘块平面与地平面应至少有50mm间隙，线束应该放置在50mm±5mm的绝缘块上。测试时，注入探头应当放置在距离EUT 900mm±10mm处，监控探头放置在距离EUT 50mm±10mm处，两者之间的距离为850mm。注入探头连接到信号源与功率放大器以提供注入信号，注入探头应该放置在距离测试设备150mm、450mm、750mm处的3个位置进行测试。监控探头连接到功率计或等效设备，用以测量注入到线束中的电流。所有系统的阻抗均为50Ω。

另外，按照ISO 11452的执行标准，电流注入分为不同的等级，不同的电流注入等级对应不同的功能验收状态，因此需要根据产品的设计来判断整个实验中产品的受干扰状态，综合判断当前产品的功能状态是否满足要求。根据客户的EMC测试标准，HoD方向盘产品属于失效出现后影响客户驾驶行为的产品[6]，因此整个BCI测试的执行标准按照FIC（Functional Importance Classification）-C的标准分类执行。图5为BCI测试的电流注入等级以及状态要求，其中Status I表示DUT在施加干扰期间和之后，能够按照规定的状态执行。Status II表示DUT在施加干扰期间不能按照规定的状态运行，但是在测试结束以后能够自动恢复正常。对于方向盘的离手检测功能，HoD方向盘需执行Status I标准。

图5 BCI测试的电流注入等级以及状态要求

2.1.1 BCI测试的等效模型

BCI测试时，被测样件的测试线束会放入耦合钳中进行测试，电流注入钳被信号源注入射频信号，射频信号流过耦合钳在耦合钳内部产生交变磁场，被测线束和地平面在交变的磁场作用下感应出分布的激励[7]，即完成了大电流测试的干扰过程。通常的干扰会通过耦合的方式注入到被测产品中，常见的线束耦合方式分为电感耦合、电容耦合以及阻性耦合。试验中，电流注入钳、干扰线束及地平面构成了一个测试系统[8]，通过对电流注入探头的物理模型分析，可以得到大电流注入的集总电路解析模型，如图6所示。

图6 电流注入钳与耦合区间集总电路模型

图6中L11为被测线束在电流注入钳夹具内的等效电感，C2S、C2E为测试线束在电流注入夹具内的等效电容，其值可以由如下公式计算所得。

式中：μ0——真空环境的磁导率常量，μ0=4π×10-7H/m；ε0——真空环境的介电常数常量，ε0=8.85×；rinp——电流注入钳外壳的内表面半径；rc——中心导体的半径；W——电流注入钳的厚度。

由集总参数模型可以得知，对于匝数为N的电流注入钳，电流注入钳与被测线缆之间的互感为：

式中：μr——注入钳磁芯材料的相对磁导率，如图7所示；μ0——真空环境中磁导率，常量，μ0=4π×10-7H/m；W——电流注入钳磁芯的厚度；D——电流注入钳的外径[9]；d——电流注入钳的内径。

图7 磁芯材料相对磁导率

同时，可以得到AA’端口的戴维宁等效电压与等效阻抗为：

式中：URF、RS——信号源及其内阻；LN、CN——电流注入钳N型连接器的等效电感和电容；CW——电流钳与被测线束产生的寄生电容。

实际测试中，干扰往往非单一的因素影响，需要综合考虑实际BCI测试中电容耦合、电感耦合的影响。电感耦合[10]在干扰中往往表现为干扰电压串联在被干扰回路上，而电容耦合往往表现为干扰电压并联在被干扰回路上。因此在计算靠近干扰源的近端干扰电压和远端干扰电压时，需要考虑电容耦合在近端干扰与被干扰电路的电流方向相同，而电感耦合出现的耦合电流与被干扰电路的电流方向相反[11]。远端干扰则反之。

近端干扰电压为：

远端干扰电压为：

其中

式中：UZQ——AA’端口等效激励电压；R1S——信号源端的阻抗，通常为50Ω；R1E——注入钳带状线圈的总阻抗[12]；M——电流注入钳与被测线缆之间的互感系数；W——电流注入钳磁芯的厚度；R2S——信号源的近端阻抗，可以通过设备手册查询获得；R2E——被测器件对搭铁的远端阻抗，可以通过测量的方式获得。

2.1.2 BCI测试的一般法则

在做BCI抗干扰试验时，被干扰器件往往表现为被远端干扰电压影响，当注入钳与干扰线束产生容性耦合和感性耦合时，干扰源的频率越高，整个系统的容性耦合就越强[13]，同时，被干扰设备的接收电路阻抗越高，则感应耦合的电容也越大，干扰源与接收器之间的分布电容C2S、C2E越大，干扰耦合电压也越大。而对于感性耦合而言，干扰电流越大，产生的磁场也越大，感性耦合就越大，同时线与耦合钳以及线与线之间的距离越近，回路之间的互感也就越强，感性耦合产生的干扰电压也越大。

3 离手检测方向盘BCI测试

BCI测试为整车零部件电磁兼容试验的必测项目，离手检测方向盘一般需要整个盘体总成参与BCI试验，试验过程中会取下驾驶侧方向盘气囊（DAB），以防止气囊部件对整个试验的影响，另外杜绝气囊在试验过程中误点爆的隐患。

3.1 大电流注入的试验布置

按照测试要求，整个试验布置按照如图8所示，其中需要保证测试线束1.5m，同时方向盘所有的线束需要都接出。

图8 BCI测试试验布置

按照目前方向盘的设计，线束中包括多功能开关电源线、通信线、加热控制器电源线、喇叭线束及离手检测控制器电源线等，试验过程中需要将所有的线束接出[14]。同时使用一个铜箔片缠绕在方向盘轮缘上，使用夹具夹持住铜箔，用来模拟人手触摸的情况，试验的测试模式为II.d（模拟人手1s触摸方向盘，1s松开方向盘）。

试验上位机设置为监控离手检测式方向盘3个感应区域（左、右、内）的感应强度值，另外监控整个测试过程中的触摸状态值[15]，以及测试时方向盘上的错误信号。通过试验室内部的光耦线将通信LIN线接到实验室外部的监控设备上。

3.2 大电流注入的试验结果

经过BCI测试，整个系统一开始就经常发出系统临时性错误，但是错误可以复归，同时内、左区开始出现触摸强度的变化，但是没有引起触摸状态的改变，但是在CBCI大约11MHz的干扰频率时开始出现混乱的触摸强度值，然后出现不可复归的触摸状态值，试验结果判定为失效。试验结果如图9所示，实验数据采集通过Vector的CANoe 12软件配合上位机的信号设定，将3个传感器的CVD值通过固定的LIN信号周期发出，上位机通过读取CVD的变化判断是否影响了触摸状态。

图9 BCI测试试验结果

3.3 大电流注入试验失效分析

3.3.1 实验波形分析

通常整改EMC试验失效主要从去除干扰源、解决传播路径、定位敏感设备3个方面入手。整个BCI测试干扰源是固定的磁环发射设备，因此没有办法更改。BCI测试的磁环是非接触式注入干扰，并且和测试设备保持固定的150mm距离，而注入电流钳外部形成磁场，通过之前2.2章节的分析可以看出主要干扰耦合都是通过线束传播，因此传播途径可以锁定为测试线束耦合，最后敏感设备定位，电容式离手检测方向盘为容性敏感器件，因此初步可以判断离手检测控制器和传感器为敏感设备。

通过对测试线束的分析和整改，发现不同的线束布置无论是CBCI还是DBCI均出现相同现象的失效，因此线束单根被耦合干扰可能性很低，因此逐步排查线束上的信号质量。

通过排查控制器上的信号曲线，发现控制器输入端以及传感器接口的信号伴有周期性的干扰脉冲，干扰脉冲如图10所示。检查地平面波形，发现有同样周期性的干扰波形出现，结合传感器的硬件结构和布置，可以看出地平面对信号波形有较大的影响。

图10 传感器信号干扰波形

通过波形说明整个BCI失效中的干扰在地平面上产生较大的影响，同时异常波形的出现影响到了电路内部ADC的模拟采样，因此给到HoD控制器一个相对干净的地平面会对BCI实验的结果产生影响。

3.3.2 干扰路径分析

通过实验设置排查，整个系统的电气连接如图11所示，测试线束通过时钟弹簧进入离手检测控制器，同时离手检测控制器的底线连接方向盘骨架[6]。从整个实验中可能发生的干扰展开分析，干扰分为两个走向，通过线路1经过时钟弹簧干扰到离手检测控制器，通过信号通路2由线束的搭铁线传导到方向盘骨架上，由方向盘骨架耦合到离手检测传感器垫子，由传感器垫子反馈到离手检测控制端[6]。

图11 BCI干扰路径分析

针对每条干扰路径尝试进行单独分析。干扰路径1涉及到时钟弹簧、HoD控制器和HoD传感器垫，HoD的线束接口为唯一可以注入干扰的接口。信号通路2可以通过尝试不接方向盘总成，只使用HoD控制器加传感器垫子测试来验证。

4 BCI失效的整改

通过对实验线束（传播路径）以及被干扰对象（HoD控制器、HoD传感器垫）的分析，发现干扰路径2中方向盘骨架的电气连接GND线移除后，将GND线与实验室铜板大地连接到一起后，实验效果有明显的改善，如图12的实验设置，说明传导通路2在实验中起到主要传导干扰作用。同时将给到HoD控制器的干扰尽快泄放到大地，可以明显减小BCI的注入干扰对控制器的影响。