基于寬域氧傳感器的空燃比分析儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

章曉娟， 周 坤， 謝建軍， 鄒 杰， 簡(jiǎn)家文

(寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 寧波 315211)

基于寬域氧傳感器的空燃比分析儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

章曉娟， 周 坤， 謝建軍， 鄒 杰， 簡(jiǎn)家文

(寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江寧波315211)

根據(jù)LSU 4.9寬域氧傳感器的特性，采用通用元件、以STM32F103作為控制算法的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，展開(kāi)了空燃比分析儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在硬件方面，以LSU4.9寬域氧傳感器中氧化鋯的負(fù)溫度系數(shù)(NTC)特性為基礎(chǔ)，提出了一種通過(guò)交流電壓比較內(nèi)阻值的方式控制氧傳感器的溫度。此方法不僅簡(jiǎn)化了電路，而且消除了因測(cè)量電路的差異性所產(chǎn)生的影響；在軟件方面，針對(duì)泵電流存在的攝動(dòng)，提出了采用比例—積分—微分神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(PIDNN)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)氧傳感器的反饋控制。實(shí)驗(yàn)表明:設(shè)計(jì)的空燃比分析儀可滿足快速啟動(dòng)的要求，且能在0 %～12.1 %的氧氣濃度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能良好地跟蹤環(huán)境氧氣濃度的變化。

空燃比分析儀； 寬域氧傳感器； 控制電路； 比例—積分—微分神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

0 引 言

空燃比分析儀是一種監(jiān)測(cè)燃燒后高溫廢氣中剩余氧氣含量的專(zhuān)業(yè)儀器，對(duì)于控制高溫燃燒狀態(tài)、減少?gòu)U氣中污染物的排放至關(guān)重要[1]。寬域氧傳感器是其中的重要元件，可實(shí)現(xiàn)高溫尾氣中氧氣濃度的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量。但寬域氧傳感器必須配備相對(duì)應(yīng)的控制電路，對(duì)其實(shí)現(xiàn)完整的閉環(huán)控制才能正常工作[2]。合肥工業(yè)大學(xué)[3～7]對(duì)寬域氧傳感器的控制電路開(kāi)展了軟硬件各方面的研究，特別對(duì)于軟件，提出了多種控制算法。益科創(chuàng)新技術(shù)有限公司[8]的空燃比分析儀已投放市場(chǎng)，但其產(chǎn)品的控制電路基于博世專(zhuān)用的控制芯片CJ125設(shè)計(jì)，不具有獨(dú)立的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

本文設(shè)計(jì)了基于寬域氧傳感器的空燃比分析儀，其主要組成為寬域氧傳感器、控制電路和人機(jī)交界面。寬域氧傳感器選用LSU4.9寬域氧傳感器。該傳感器具有測(cè)氧范圍寬，穩(wěn)定性好，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，常作為敏感元件用于廢氣中氧氣濃度和λ值(指實(shí)際空燃比與理論空燃比的比值)的測(cè)量。本文從硬件和軟件兩方面介紹了控制電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)寬域氧傳感器的信號(hào)檢測(cè)以及溫度和能斯特電動(dòng)勢(shì)的反饋控制。人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)用戶通過(guò)計(jì)算機(jī)上位機(jī)軟件與空燃比分析儀系統(tǒng)進(jìn)行交流，并實(shí)時(shí)顯示泵電流、氧氣濃度、溫度的數(shù)字和動(dòng)態(tài)圖形，以及對(duì)測(cè)量參數(shù)的讀取和存儲(chǔ)。測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明：所設(shè)計(jì)的空燃比分析儀滿足快速啟動(dòng)的要求，并且可在0 %～12.1 %的氧氣濃度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，可良好地跟蹤環(huán)境氧氣濃度的變化，廣泛適用于高溫混合氣燃燒狀態(tài)控制，發(fā)動(dòng)機(jī)校驗(yàn)與標(biāo)定等各種場(chǎng)合。

1 控制電路硬件設(shè)計(jì)

基于寬域氧傳感器的工作原理，設(shè)計(jì)的空燃比分析儀由寬域氧傳感器、控制電路和人機(jī)交互界面三部分組成。系統(tǒng)功能模塊如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能模塊

1.1 溫度檢測(cè)與控制模塊

寬域氧傳感器能斯特電池內(nèi)阻 RInternal的阻值和溫度存在負(fù)溫度系統(tǒng)(negative temperature coefficient,NTC)特性關(guān)系，因此，對(duì)于傳感器溫度的檢測(cè)，采用間接測(cè)量RInternal的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)能斯特電池內(nèi)阻的特點(diǎn)本文采用交流電壓比較法獲得當(dāng)前內(nèi)阻值與目標(biāo)內(nèi)阻值的差值，從而控制寬域氧傳感器的溫度。具體實(shí)現(xiàn)方式為：對(duì)內(nèi)阻器RInternal和外接的參考電阻器R0加同一固定頻率、固定幅值的交流信號(hào)，通過(guò)比較兩電阻器上獲得的交流信號(hào)幅值，檢測(cè)內(nèi)阻值的變化，判定出寬域氧傳感器所處的溫度狀態(tài)。溫度檢測(cè)與控制模塊包括以下三個(gè)部分：交流信號(hào)源產(chǎn)生電路、交流電壓比較電路、加熱驅(qū)動(dòng)電路。

1.1.1 交流信號(hào)源產(chǎn)生電路

寬域氧傳感器在目標(biāo)工作溫度點(diǎn)時(shí)，能斯特電池等效內(nèi)阻值為300 Ω，由此將參考電阻器阻值定為300 Ω[9]。采用基于交流電壓比較法的內(nèi)阻值測(cè)量方式，控制電路需產(chǎn)生一路交流信號(hào)。在設(shè)計(jì)上利用數(shù)字顯示示波器(digital display scope,DDS)信號(hào)產(chǎn)生芯片AD9833，產(chǎn)生1 kHz，20 mV的交流信號(hào)作用于能斯特電池(在進(jìn)行能斯特電池內(nèi)阻值測(cè)量時(shí)，傳感器可承受頻率在1～4 kHz，電流250 μA以內(nèi)的交流信號(hào)[9])和參考電阻器，當(dāng)兩者的交流分壓的幅度一致時(shí)，可判定寬域氧傳感器的溫度位于目標(biāo)溫度值。

圖2 交流信號(hào)源產(chǎn)生電路

1.1.2 交流電壓比較電路

交流電壓比較電路實(shí)現(xiàn)對(duì)能斯特電池內(nèi)阻器和參考電阻器上交流電壓的采集和比較。對(duì)于兩個(gè)交流信號(hào)，由于其中含有直流成分且交流幅度很小，需要進(jìn)行放大，濾波，AD采集。采用高輸入阻抗儀用放大器INA129進(jìn)行兩個(gè)交流電壓信號(hào)做差與差值電壓信號(hào)放大。兩路比較對(duì)象共享一路測(cè)量電路，消除了因多路測(cè)量電路的差異所帶來(lái)的影響。

圖3 交流電壓比較電路

1.1.3 加熱驅(qū)動(dòng)電路

微處理器采集交流電壓比較電路的差值電壓信號(hào)，該信號(hào)作為溫度控制算法的輸入，調(diào)節(jié)的結(jié)果映射為微處理器輸出的脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)波占空比，利用該占空比信號(hào)控制加熱電路的有效加熱電壓，對(duì)寬域氧傳感器加熱器進(jìn)行加熱，使寬域氧傳感器快速達(dá)到工作溫度點(diǎn)。

1.2 能斯特電動(dòng)勢(shì)采集模塊

當(dāng)能斯特電動(dòng)勢(shì)穩(wěn)定在450 mV時(shí)，泵電池產(chǎn)生的極限泵電流的大小和方向與被測(cè)氣體氧氣濃度存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。在電路設(shè)計(jì)中，采集能斯特電動(dòng)勢(shì)，將其作為能斯特電動(dòng)勢(shì)控制算法的輸入。算法輸出以泵電壓的形式作用于泵電池，最終控制能斯特電動(dòng)勢(shì)穩(wěn)定在450 mV。能斯特電動(dòng)勢(shì)為直流電壓信號(hào)，但傳感器的RE端作為能斯特電動(dòng)勢(shì)信號(hào)輸出端的同時(shí)也是交流電壓信號(hào)的輸入端。在硬件設(shè)計(jì)上，通過(guò)同向放大電路放大交直流信號(hào)，后接截止頻率為100 Hz的低通濾波器直接濾除1 kHz的交流信號(hào)，將直流信號(hào)連接AD采集端口。

1.3 極限泵電流測(cè)量模塊

控制電路根據(jù)能斯特電動(dòng)勢(shì)與450 mV的差值進(jìn)行比例—積分—微積分(proportion-integration-differentiation,PID)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，產(chǎn)生泵電壓作用于泵電池，在該泵電壓作用下，泵電池產(chǎn)生一極限泵電流，根據(jù)法拉第定律，該極限泵電流的值與廢氣中的氧氣濃度有關(guān)。硬件電路上，使極限泵電流經(jīng)過(guò)一個(gè)61.9 Ω的電阻器[9]轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，利用儀表放大器采集該電阻器兩端電壓，并放大濾波，AD采集得到極限泵電流，泵電流測(cè)量電路如圖4所示。

圖4 泵電流測(cè)量電路

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件基于STM32平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)將傳感器內(nèi)部溫度控制在目標(biāo)工作溫度點(diǎn)，將能斯特電動(dòng)勢(shì)控制在理論空燃比所對(duì)應(yīng)的450 mV。主程序流程如圖5所示。

圖5 控制電路軟件流程

寬域氧傳感器溫度具有非線性，能斯特電動(dòng)勢(shì)控制參數(shù)存在攝動(dòng)[7]，而且在硬件電路上由于能斯特電動(dòng)勢(shì)采集電路和溫度控制電路存在部分交叉，使得兩個(gè)控制環(huán)之間存在相互影響。傳統(tǒng)的PID控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于非線性、參數(shù)攝動(dòng)的控制對(duì)象控制效果不佳。另一方面，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(neural network,NN)算法作為智能控制的核心技術(shù)，不依賴于控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型[9]。通過(guò)在線學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)最佳組合的PID參數(shù)整定。因此，選擇PIDNN算法實(shí)現(xiàn)對(duì)于寬域氧傳感器溫度和能斯特電動(dòng)勢(shì)的閉環(huán)控制。PIDNN控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。a1為目標(biāo)值300 Ω,b1為實(shí)際能斯特電池內(nèi)阻值;a2為目標(biāo)值450 mV，b2為實(shí)現(xiàn)能斯特電動(dòng)勢(shì)。

圖6 PIDNN控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 空燃比分析儀性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

本文將空燃比分析儀與市面上的成熟產(chǎn)品進(jìn)行比較，在靜態(tài)配氣實(shí)驗(yàn)臺(tái)和燃燒測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行了測(cè)試。靜態(tài)配氣實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由空燃比分析儀、測(cè)試腔、數(shù)字質(zhì)量流量控制器(mass flow controller,MFC)以及標(biāo)準(zhǔn)氣組成。測(cè)試過(guò)程中，將寬域氧傳感器置于密封的測(cè)試腔內(nèi)。通過(guò)設(shè)置MFC流量值控制測(cè)試腔內(nèi)的氣體流量，以及通過(guò)切換開(kāi)關(guān)改變測(cè)試腔內(nèi)的氣體氧氣濃度，空燃比分析儀啟動(dòng)后，當(dāng)測(cè)量腔與參比腔之間的能斯特電動(dòng)勢(shì)維持在450 mV時(shí)，控制電路采集得到不同氧氣濃度下的極限泵的電流值。鑒于市場(chǎng)產(chǎn)品Ecotrons的輸出數(shù)據(jù)中不包含泵電流值，本文將度量方式統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為λ值顯示，結(jié)果如圖7。以傳感器說(shuō)明書(shū)的特性曲線為標(biāo)準(zhǔn)，本文空燃比分析儀的最大誤差為0.2 %，Ecotrons產(chǎn)品的最大誤差為5 %，高于Ecotrons。

圖7 空燃比分析儀靜態(tài)精度實(shí)驗(yàn)

燃燒測(cè)試臺(tái)主要由燃燒腔、空燃比分析儀、MFC以及參數(shù)顯示界面組成。測(cè)試臺(tái)的進(jìn)氣由燃?xì)?，主空氣，補(bǔ)償空氣三部分組成，由MFC控制主空氣和燃?xì)馊紵a(chǎn)生氣氛1，通過(guò)三通閥切入補(bǔ)償空氣形成氣氛2；在三通閥的快速切換下，測(cè)試腔內(nèi)的氣氛在氣氛1和氣氛2之間迅速轉(zhuǎn)換?？杖急确治鰞x在參數(shù)顯示界面實(shí)時(shí)顯示所測(cè)得的氣氛1或氣氛2的泵電流值以及轉(zhuǎn)化的λ值。圖8為兩者在燃燒測(cè)試臺(tái)上的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，圖8(a)設(shè)置λ值在0.9～1.1之間每隔20 s跳變一次，圖8(b)設(shè)置λ值在0.95～1.05之間每隔20 s跳變一次。其中Ecotrons輸出曲線與本文空燃比分析儀輸出曲線，兩者一致度較高，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間(90 %)小于0.6 s。對(duì)比實(shí)驗(yàn)顯示，本文空燃比分析儀能夠較好地跟蹤空燃比的變化，同時(shí)也說(shuō)明其性能達(dá)到了市場(chǎng)產(chǎn)品水平。

圖8 動(dòng)態(tài)跟蹤曲線

4 結(jié) 論

從寬域氧傳感器的工作機(jī)理出發(fā)，進(jìn)行了空燃比分析儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在硬件部分，采用交流電壓比較法測(cè)量寬域氧傳感器溫度，即以內(nèi)阻信號(hào)表征溫度信號(hào)。在軟件部分，基于STM32平臺(tái)，結(jié)合寬域氧傳感器特性，提出了用PIDNN算法取代傳統(tǒng)的PID控制方法，實(shí)現(xiàn)了空燃比分析儀更高的測(cè)量精度和更快的響應(yīng)速度。在靜態(tài)配氣實(shí)驗(yàn)臺(tái)和燃燒測(cè)試臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)表明：所設(shè)計(jì)的空燃比分析儀啟動(dòng)時(shí)間小于12 s，可在0 %～12.1 %的氧氣濃度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間(90 %)小于0.6 s。

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Designandrealizationofairfuelratioanalyzerbasedonuniversalexhaustgasoxygensensor*

ZHANG Xiao-juan, ZHOU Kun, XIE Jian-jun, ZOU Jie, JIAN Jia-wen

(FacultyofElectricalEngineeringandComputerScience,NingboUniversity,Ningbo315211,China)

According to characteristics of LSU 4.9 universal exhaust gas oxygen sensor and set STM32 as implementation platform of the control algorithm,design of air-fuel ratio analyzer is carried out and realized.In hardware aspect,based on negative temperature coefficient(NTC) characteristic of universal exhaust gas oxygen sensor,an internal resistance measurement method based on AC comparison means is proposed which helps to control the temperature of oxygen sensor.Not only eliminate influence of differences in multi-channel measurement circuit.In terms of software,considering perturbation of pump current,proportion integration differentiation neural network(PIDNN) algorithm is proposed to realize feedback control of the oxygen sensor.Experiments show that the designed air-fuel ratio analyzer can meet the requirements of fast start-up,and can achieve accurate measurement in the range of 0～12.1 % oxygen concentration,it has short dynamic response time,and can keep track of the change of oxygen concentration.

air-fuel ratio analyzer; universal exhaust gas oxygen(UEGO) sensor; control circuit; proportion-integration-differentiation neural network (PIDNN)

10.13873/J.1000—9787(2017)12—0080—04

TP 212.2

A

1000—9787(2017)12—0080—04

2017—09—28

國(guó)家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(61471210)；國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61701267)；浙江省寧波市科技局自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2017A610099)；寧波大學(xué)科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(421600200)

章曉娟(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閭鞲衅餍盘?hào)處理。簡(jiǎn)家文(1967-)，男，通訊作者，教授，主要從事氣體傳感器、儀器儀表等的教學(xué)與研發(fā)工作，E—mail:jianjiawen@nbu.edu.cn。