張　帆， 謝建軍， 劉　萍， 簡家文

(寧波大學 信息科學與工程學院，浙江 寧波 315211)

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基于廣域氧傳感器的λ分析儀設(shè)計

張帆， 謝建軍， 劉萍， 簡家文

(寧波大學 信息科學與工程學院，浙江 寧波 315211)

摘要:以廣域氧(UEGO)傳感器為敏感元件， STM32f407為核心處理器，開展了一種λ分析儀的設(shè)計。詳細介紹了UEGO傳感器測量原理，推導了UEGO傳感器的極限電流對空燃比的理論公式。設(shè)計了傳感器信號檢測與處理、工作溫度控制、LCD顯示等硬件電路，完成了λ分析儀的硬件設(shè)計。結(jié)合推導公式和硬件電路編寫相應的軟件驅(qū)動程序，傳感器工作溫度控制過程中引入PID控制算法，使得溫度控制性能得到了優(yōu)化，空燃比值更加精確。

關(guān)鍵詞:廣域氧傳感器； 空燃比； PID控制； STM32

0引言

隨著國內(nèi)新汽車尾氣排放標準(國四)的實施和稀薄燃燒技術(shù)的廣泛應用，控制精度高、測量范圍寬的廣域氧(UECO)傳感器已經(jīng)在汽車發(fā)動機燃燒控制系統(tǒng)中得到廣泛應用[1]。然而，該類型傳感器需協(xié)同專屬驅(qū)動器才可以正常工作，并且不同傳感器生產(chǎn)廠家由于技術(shù)參數(shù)的差異，還會造成協(xié)同專屬驅(qū)動器的差異。這幾年，國內(nèi)汽車尾氣排放標準的提高，啟動了國內(nèi)廠家對UEGO傳感器的研制開發(fā)。但目前國內(nèi)鮮有此類協(xié)同專屬驅(qū)動器的設(shè)計研究，阻礙了國內(nèi)UEGO傳感器的發(fā)展。另外，UEGO傳感器具有寬范圍測氧的能力，也可用于開發(fā)寬范圍測氧儀表和λ分析儀[2]。

本文開展了基于UEGO傳感器的λ分析儀設(shè)計，并通過實驗證明：在0.7～2.4范圍內(nèi)理論與測量λ基本吻合。

1傳感器工作原理

UEGO傳感器同時利用電化學氧濃差電池原理和氧泵電池原理，將理論空燃比控制與稀薄燃空燃比控制融為一體，實現(xiàn)了對整個濃燃燒和稀薄燃燒范圍的空燃比檢測和控制。UEGO傳感器提供寬范圍的空燃比信號，并發(fā)送到汽車電子控制單元(ECU)，從而對噴油時間進行精確控制，使燃燒混合氣體始終保持在空燃比設(shè)定值附近[3，4]。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該氧傳感器從結(jié)構(gòu)上分為擴散柵、氧泵電池、擴散室、參考室、濃差電池和加熱絲等部件，并有5根引線從傳感器內(nèi)部引出。工作時，傳感器放置在發(fā)動機尾氣環(huán)境中，但參考室卻與空氣相通。外部尾氣通過氧泵電池中預留的擴散孔進入傳感器擴散室。根據(jù)Nernst原理，當擴散室內(nèi)尾氣s的氧濃度與參考室的空氣氧濃度不同時，濃差電池兩側(cè)會產(chǎn)生一定的電勢差，即氧濃差電動勢。若設(shè)計一個測量電路，通過引線2,3測量得該氧濃差電動勢，并將此值與參考值(λ=1，450 mV)作比較，輸出一個可調(diào)的驅(qū)動電壓(即氧泵電壓)，通過引線1，2施加在氧泵電池上，驅(qū)動氧泵電池兩側(cè)氧氣和氧離子的移動(即通過氧泵電池和擴散柵泵入或者泵出擴散室)改變擴散室中尾氣的氧濃度，維持濃差電動勢恒定在450 mV值附近。通過傳感器相關(guān)原理可知，該氧泵電流的大小與尾氣的氧濃度有關(guān)，而尾氣的氧濃度卻與表征發(fā)動機燃燒狀態(tài)參數(shù)λ值(實際空燃比與理論空燃比的比值)有必然的關(guān)聯(lián)，因此，通過測量氧泵電流的大小可以獲得發(fā)動機燃燒狀態(tài)參數(shù)λ值[3，5，6]。本文所采用的BOSCH公司生產(chǎn)的LSU 4.2型UEGO傳感器，其氧泵電流與發(fā)動機燃燒狀態(tài)參數(shù)λ值對比關(guān)系[7]如表1所示。

圖1　LUS 4.2型UEGO傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig 1　Structure diagram of LUS 4.2 type UEGO sensor

表1　氧泵電流與發(fā)動機燃燒狀態(tài)參數(shù)λ值的對比關(guān)系

另外，由于該傳感器由釔穩(wěn)定氧化鋯材質(zhì)構(gòu)造，該材質(zhì)只有在高溫下呈現(xiàn)出氧離子導電，為此，傳感器里內(nèi)嵌了一個加熱絲，外置電源通過引線4，5驅(qū)動加熱絲，為傳感器提供一個高溫的工作環(huán)境。

2λ分析儀硬件設(shè)計

λ分析儀是一種可對尾氣氧含量采用燃燒狀態(tài)參數(shù)λ值表征的儀器，應包含對UEGO傳感器氧濃差電動勢的采集與處理、氧泵電池回路電流的輸出與控制[8，9]，以及對氧傳感器工作溫度的調(diào)控等電路。因此，設(shè)計了一種基于STM32 處理器，含有MOSFET驅(qū)動/加熱絲功率控制、氧濃差電動勢采集電路、氧泵電流電壓控制電路、電源、顯示等模塊的λ分析儀硬件電路，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2　λ分析儀結(jié)構(gòu)框圖Fig 2　Structure block diagram of λ analyzer

2.1電源電路

為確保λ分析儀各個模塊正常工作，硬件電路設(shè)計了相應的電源模塊，主要包括±15,+12,±5,3.3,1.25 V以及交流信號等電源。

2.2加熱絲功率控制

由于釔穩(wěn)定氧化鋯材質(zhì)，在高溫環(huán)境下才會呈現(xiàn)出氧離子導電狀態(tài)，且該傳感器工作溫度在750 ℃附近時性能最佳。當氧傳感器加熱絲以恒定功率工作時，受到加熱絲功率的限制和發(fā)動機燃燒狀態(tài)及外界環(huán)境的影響，難以確保傳感器工作溫度穩(wěn)定在750 ℃附近。而當傳感器的工作溫度遠離750 ℃時，氧泵電流與參數(shù)λ值就不符合表1所示的關(guān)系。因此，當傳感器工作溫度變化時，需要一個加熱絲功率控制電路，實施溫度動態(tài)補償，達到穩(wěn)定工作溫度的目的。

由于濃差電池兩側(cè)存在直流電動勢(即氧濃差電動勢)，所以，該設(shè)計采用交流測內(nèi)阻的方法。在傳感器引腳2，3上串聯(lián)一個標準電阻器后接至交流信號源(Vp-p=20 mV,f=1.5 kHz)，通過對濃差電池上交流信號進行測量換算，便可得到此時濃差電池的內(nèi)阻值。

處理器以實際測量的內(nèi)阻值為控制量，輸出占空比可調(diào)的脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)波，驅(qū)動MOSFET，調(diào)控加熱絲的工作功率，確保傳感器工作溫度穩(wěn)定于750 ℃附近。傳感器加熱功率控制主要包括放大電路、低通濾波器、高通濾波器、真有效值轉(zhuǎn)換、MOSFET驅(qū)動電路等。電路如圖3所示。

圖3　傳感器加熱功率控制電路Fig 3　Control circuit of sensor heating power

2.3氧傳感器的外圍控制和信號輸出電路

當傳感器工作溫度穩(wěn)定后，處理器需要對氧濃差電動勢進行測量處理，并實現(xiàn)氧泵電壓調(diào)控與輸出。因此，需要設(shè)計相應的驅(qū)動電路來實現(xiàn)處理器與傳感器之間的連接。

2.3.1氧濃差電動勢采集電路

在傳感器工作溫度調(diào)控過程中，由于在引腳2，3施加了交流信號，使得處理器測得的氧濃差電動勢存在一定的擾動。所以，在測量氧濃差電動勢之前需要對交流信號進行隔離處理。氧濃差電動勢采集電路主要包括信號放大電路、隔離電路、濾波電路等，電路圖如圖4所示。

圖4　氧濃差電動勢采集電路Fig 4　Acquisition circuit of Nernst voltage

2.3.2氧泵電流電壓控制電路

處理器獲得氧濃差電動勢，并將此值與參考值(λ=1，且參考電勢為450 mV)作比較，輸出一個施加在氧泵電池上的可調(diào)驅(qū)動電壓(即氧泵電壓)，產(chǎn)生相應的回路電流(即氧泵電流)。由表1知，λ值與氧泵電池上的回路電流有關(guān)，因此，λ分析儀需要一個電壓/電流轉(zhuǎn)換電路。該轉(zhuǎn)換電路(即氧泵電流電壓控制電路)如圖5所示，氧泵電壓U與回路電流I間的關(guān)系為

I=(U-1.25)/200.

(1)

圖5　氧泵電流電壓控制電路Fig 5　Control circuit of oxygen pumping current and voltage

3λ分析儀軟件設(shè)計

結(jié)合分析儀控制模式與硬件設(shè)計，軟件設(shè)計主要包含數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換、溫度調(diào)節(jié)、氧濃差電動勢測量、氧泵電流電壓控制、LCD顯示[10,11]、PID控制、溢出報警等功能。圖6為λ分析儀的主程序設(shè)計流程圖。

系統(tǒng)上電后，首先處理器進行初始化設(shè)置，并在LCD上顯示初始化結(jié)果。初始化結(jié)束，程序進入工作溫度調(diào)節(jié)模塊。當氧傳感器工作溫度與設(shè)定值誤差較大時，采用分段全功率加熱；當溫度誤差較小時，啟動溫度PID子程序，調(diào)節(jié)PWM波占空比，改變加熱絲工作功率，確保傳感器工作溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近。當工作溫度處于設(shè)定值附近時，啟動氧濃差電動勢測量與氧泵電流電壓控制子程序。處理器對氧濃差電動勢進行采集，得到氧泵電壓輸出的控制量，輸出相應的氧泵電壓，從而使得氧濃差電動勢維持在450mV附近。當控制量值較大時，處理器采用增量值進行控制；當控制量值較小時，處理器啟動氧泵電流電壓控制PID子程序。

圖6　λ分析儀主程序設(shè)計流程圖Fig 6　Design flow chart of main program of λ analyzer

由于λ分析儀最終提供給外界的數(shù)據(jù)為發(fā)動機燃燒狀態(tài)參數(shù)λ值，而處理器通過式(1)只能得到傳感器的氧泵電流I，所以,軟件算法需確立λ值與氧泵電流間的關(guān)系式。通過對表格1中的數(shù)據(jù)進行分析，并結(jié)合Matlab軟件擬合工具對其進行擬合，得到的λ值與氧泵電流I間的關(guān)系如式(2)(式中正負以氧傳感器引線2為參考地線)。當處理器得到氧泵電流I后，結(jié)合式(2)換算便可得到對應的λ值，并顯示在LCD上

(2)

4實驗驗證

為了驗證設(shè)計的λ分析儀的工作性能，設(shè)計了配氣和測試系統(tǒng)。配氣系統(tǒng)主要有數(shù)字氣體質(zhì)量流量計和NI控制程序完成。測試系統(tǒng)主要包含測試腔和λ分析儀。其中,測試腔由密封金屬外殼和加熱棒組成。測試系統(tǒng)通過熱電偶和溫度控制器對流經(jīng)測試腔內(nèi)的混合氣體進行預加熱處理,模擬實現(xiàn)汽車尾氣環(huán)境。

通過配氣系統(tǒng)配置λ值為0.7～2.4的測試氣，并使測試氣流經(jīng)測試腔。在固定的H/C比、O/C比條件下[12]，通過對λ分析儀測量值和λ理論值(配氣系統(tǒng)提供)對比，最終繪制出圖7所示的理論λ與實測λ的曲線圖。通過對比理論λ與實測λ曲線，可以看出0.7～2.4范圍內(nèi)實測λ與理論λ基本吻合。

圖7　空燃比與氧泵電流擬合曲線Fig 7　Fitting curve of air-fuel ratio and oxygen pumping current

5結(jié)論

本文根據(jù)UEGO傳感器的工作機理，推導了傳感器氧泵電流與廢氣中氧濃度的理論公式。基于該公式，以單片機STM32為控制器，結(jié)合氧傳感器輸入輸出特性，完成了λ分析儀的軟硬件設(shè)計。同時，在設(shè)計中，針對工作溫度對氧傳感器性能的影響，設(shè)置了PID控制算法，分別對加熱器工作功率和氧泵電流電壓大小進行控制，保證λ分析儀測量精度。對設(shè)計的λ分析儀進行了實驗驗證，通過對比理論與實測λ曲線，可以看出0.7～2.4范圍內(nèi)實測λ與理論λ基本吻合。

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Design ofλanalyzer based on universal exhaust gas oxygen sensor

ZHANG Fan, XIE Jian-jun, LIU Ping, JIAN Jia-wen

(Faculty of Electrical Engineering and Computer Science,Ningbo University,Ningbo 315211,China)

Abstract:A design work for λ analyzer is carried out,which uses STM32f407 as core processor and universal exhaust gas oxygen (UEGO) sensor as sensitive component,measuring theory of UEGO sensor is described, and theoretical formular of limiting current and air-fuel ratio is deduced.Hardware circuits such as signal detecting and processing circuit working temperature control of sensor,and LCD are designed,hardware circuit of λ analyzer is designed.Combined deduced formula with hardware circuit,software driving program is compiled.In order to optimize the performance of the temperature control, and air to fuel ratio more accurate, PID control algorithm is introduced into the process of sensor operating temperature control.

Key words:universal exhaust gas oxygen (UEGO)sensor; air-fuel ratio; PID control; STM32

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0061—04

收稿日期：2015—12—25

中圖分類號:TP 212.2

文獻標識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)02—0061—04

作者簡介:

張帆(1989-)，男，河南南陽人，碩士研究生，主要研究方向為檢測儀表與傳感器。

簡家文，通訊作者，E—mail:jianjiawen@nbu.edu.cn。