基于參考電流控制法的NOx傳感器專用控制器*

周 坤， 陳煥波， 鄒 杰， 簡(jiǎn)家文， 謝建軍

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

0 引 言

排放要求更高的國(guó)Ⅵ[1]標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)將于2019年1月1日起實(shí)施。國(guó)Ⅵ的汽/柴油排放標(biāo)準(zhǔn)將全面與歐盟標(biāo)準(zhǔn)接軌，甚至在個(gè)別指標(biāo)上超過歐盟標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)顯示與當(dāng)前的國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)相比，國(guó)Ⅵ要求的氮氧化物排放下降了42 %，因此，必須降低NOx的排放量，對(duì)于汽車半導(dǎo)體控制整流器(semiconductor control rectifier,SCR)系統(tǒng)以及NOx的檢測(cè)精度提出了更高的要求。傳統(tǒng)的NOx檢測(cè)方法(如Saltzman法、化學(xué)發(fā)光法、色譜法等)具有靈敏度高、檢出限低的優(yōu)點(diǎn)，已在工業(yè)燃燒環(huán)境檢測(cè)中使用，但由于裝置復(fù)雜、價(jià)格昂貴，不宜在汽車上安裝和使用。而電化學(xué)型NOx傳感器則實(shí)現(xiàn)了汽車尾氣中NOx氣體的簡(jiǎn)便、快速、連續(xù)檢測(cè)，已在汽車電子行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。但一方面， NOx傳感器的陶瓷芯片和控制器部分長(zhǎng)時(shí)間被國(guó)外各大公司所壟斷，另一方面，目前市場(chǎng)上的NOx傳感器專用控制是基于電壓參考方式設(shè)計(jì)的，由于該方式參考電壓值極易受測(cè)量腔內(nèi)氧濃度的影響，導(dǎo)致測(cè)量精度下降。

針對(duì)以上問題，本文根據(jù)NOx傳感器陶瓷芯片的工作機(jī)理，采用嵌入式微控制器結(jié)合通用分立元器件的方式實(shí)現(xiàn)了傳用控制器的設(shè)計(jì)與制備，并實(shí)現(xiàn)對(duì)氧濃度值和NOx濃度值較高精度的測(cè)量。

1 傳感器原理以及控制器硬件設(shè)計(jì)

車用NOx傳感器控制器主要通過硬件電路以及軟件控制算法對(duì)NOx傳感器探頭上各個(gè)電極施加特定電壓信號(hào)，然后采集各個(gè)電極引線上的電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后通過控制器局域網(wǎng)(controller area network,CAN)總線與電控單元(electronic control unit,ECU)通信。車用尾氣傳感器遵循CAN通信標(biāo)準(zhǔn)，且要求有較強(qiáng)的抗干擾能力和計(jì)算能力，本文控制器選用STM32F103C8單片機(jī)為微處理器。主要硬件部分有傳感器的加熱電路和溫度采集電路、減法器電路、泵電流檢測(cè)電路以及由單片機(jī)控制的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(digital to analog converter,DAC)輸出電路。NOx控制器傳感器接口部分的功能模塊如圖1所示。

圖1 控制器的功能模塊

圖1中左下角方框代表了日本礙子株式會(huì)社(NGK)的NOx傳感器探頭，結(jié)構(gòu)上主要有3個(gè)氣體腔室組成，分別是第一腔室(a)、第二腔室(b)和參考腔室(c)。在傳感器的外層放置一個(gè)氧泵外電極(d)，工作過程中該電極給其他電極提供一個(gè)參考的公共地，本文設(shè)計(jì)將該電極電壓恒定為1.8 V。在第一腔室內(nèi)部放置一個(gè)氧泵內(nèi)電極e，在一定溫度下給氧泵內(nèi)外點(diǎn)電極施加電壓，第一腔室的氧氣會(huì)在氧泵內(nèi)電極上得到電子生成氧離子后被泵出，因此可以在該電極上測(cè)得的電流Ip0[2]，根據(jù)能斯特公式

(1)

式中E0為標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì),V;R為氣體常數(shù)，數(shù)值為8.314 3 J/(K·mol);T為絕對(duì)溫度,K;F為法拉第常數(shù)=NA(阿伏伽德羅常數(shù))×e(每個(gè)電子的電量)(96 500C);n為電極反應(yīng)中得失的電子數(shù)。在恒定工作的條件下由式(1)能得出如下關(guān)系

PO2=α×IP0

(2)

在第二腔室上方放置一個(gè)輔助泵電極f，同樣施加一定電壓后可以將第一腔室擴(kuò)散進(jìn)來的被測(cè)氣體中所剩余的氧氣繼續(xù)泵出。第二腔室下方放置了一個(gè)測(cè)量泵電極g，在該電極上一氧化氮(NO)被分解成氮?dú)夂脱鯕?，分解得到的氧氣在測(cè)量泵電極得到電子后泵出，同理于氧泵電極電流IP0與氧濃度PO2的關(guān)系，在理想狀態(tài)下在測(cè)量泵電極上產(chǎn)生的電流IP2與NOx濃度呈正比關(guān)系[3]

PNOx=β×IP2

(3)

在參考腔室存在一個(gè)參考泵電極h，正常工作過程中在參考泵電極以方波的形式泵入恒定電流，以保持參考腔室在高氧狀態(tài)。

1.1 溫度反饋加熱方式

傳感器需要工作在860 ℃左右的恒溫環(huán)境，但尾氣的溫度是不穩(wěn)定的，所以本文設(shè)計(jì)溫度反饋加熱電路使傳感器恒定在所需工作溫度，以滿足傳感器在尾氣溫度環(huán)境下能正常工作。傳感器溫度采集和加熱部分電路示意如圖2。

圖2 加熱電極電阻測(cè)量電路

由于所使用的加熱電極是Pt電極，溫度與其電阻值具有相應(yīng)關(guān)系[4]，在對(duì)加熱溫度進(jìn)行控制時(shí)，只需要監(jiān)控加熱電極的電阻值(Rh)變化情況。加熱電極 (即圖2中的彎曲部分)是通過引線(d,e)連接到外部的，而且引線本身也具有一定的電阻值。因此，為得知加熱電極的電阻，需要知道引線的電阻值

Rh=R-Rd-Re

(4)

為了減少實(shí)際操作的復(fù)雜性，在設(shè)計(jì)時(shí)，將引線d,e設(shè)計(jì)為同一形狀，即 d線與e線的電阻值相等，都為RL。式(4)則表達(dá)為

Rh=R-2RL

(5)

根據(jù)式(4)、式(5)，通過外接電路對(duì)加熱電極的電阻值進(jìn)行測(cè)量。如圖2所示，可以通過電壓表測(cè)出引線d兩端的電壓值V， 且引線e與d阻值相等，所以引線e的分壓也是V，根據(jù)回路中的電流值， 計(jì)算出加熱電極的電阻值Rh。其計(jì)算公式如下所示

Rh=(U-2V)/I

(6)

根據(jù)Pt電阻與溫度的關(guān)系曲線，可以得到以下的方程

Rt=R0(1+αt)

(7)

通過如上公式，可以推導(dǎo)出溫度T的值。其中，R0為在冷態(tài)下所測(cè)得的Pt電極的電阻值，Rt為在溫度為T時(shí)所測(cè)得電極的電阻值， 為Pt的溫度系數(shù)，可以通過查表得到。通過以上分析可以得知，在實(shí)際操作中，并不需要對(duì)加熱電極的實(shí)際溫度進(jìn)行測(cè)量，只需要間接地測(cè)量敏感件工作時(shí)其加熱電極的電阻值就可以得到傳感器當(dāng)前的溫度值。因此，傳感器在溫度不斷變化的氣氛環(huán)境中進(jìn)行工作時(shí)，只需要預(yù)先設(shè)定加熱電極所需要達(dá)到的電阻值，然后通過調(diào)節(jié)施加在電極引線兩端的電壓的升降(若電阻值高于預(yù)設(shè)值，則降低電壓，反之則升壓)，就可以達(dá)到要求的控制效果，使得加熱電極總是能夠穩(wěn)定在一個(gè)恒定的值，保持傳感器工作性能的穩(wěn)定。

1.2 泵電壓輸出電路

從NOx傳感器的工作原理分析可見，氧泵內(nèi)電極、輔助泵電極、測(cè)量泵電極是通過保持與參考泵電極上的壓差來改變每個(gè)泵電極周圍的氣體濃度。為了保持每個(gè)電極與參考泵電極之間的壓差，可通過單片機(jī)采樣參考泵電極的電壓，單片機(jī)內(nèi)部經(jīng)過計(jì)算得到每個(gè)泵電極所需電壓后，通過DAC芯片輸出。但這種方法會(huì)導(dǎo)致電極之間設(shè)置的壓差和實(shí)際壓差有一個(gè)時(shí)間上的滯后，且單片機(jī)ADC采樣會(huì)引入一定的誤差[5]，為此本文通過在每個(gè)泵電極和參考泵電極之間搭建一個(gè)硬件減法電路，減法電路的正向輸入端連接參考泵電極，反向輸入端連接每個(gè)泵的DAC輸出，減法電路輸出直接接到氧泵電極、輔助泵電極、測(cè)量泵電極上。其中一路由減法電路實(shí)現(xiàn)的泵電壓輸出電路的具體硬件電路如圖3所示。

圖3 泵電壓輸出電路

1.3 泵電流檢測(cè)與測(cè)量電路

氧泵電極、輔助泵電極、測(cè)量泵電極的電流經(jīng)過濾波器后輸入到不同阻值的高精度電阻器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電壓值，電壓范圍在-12～+50 mV之間。為了提高單片機(jī)AD采樣的精度將轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)進(jìn)行放大，泵電流檢測(cè)放大電路如圖4所示。

圖4 泵電流檢測(cè)放大電路電路

2 軟件程序設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)基于STM32F103C8單片機(jī)，該單片機(jī)具有高達(dá)72 MHz的運(yùn)行時(shí)鐘，單片機(jī)內(nèi)部自帶12位的ADC以及全功能的CAN外設(shè)接口，滿足傳感器控制器的工作需求。主程序流程如圖5所示。

系統(tǒng)上電后，首先對(duì)單片機(jī)端口、振蕩器進(jìn)行配置，然后對(duì)CAN控制器寄存器進(jìn)行CAN初始化。采用薄膜晶體管(thin-film transistor,TFT)觸摸屏進(jìn)行操作，觸摸屏上啟動(dòng)按鈕按下后程序開始執(zhí)行。首先進(jìn)行傳感器探頭芯片的預(yù)加熱，通過固定斜率的PWM占空比增加方式，設(shè)定一定的加熱時(shí)間，使傳感器能在冷態(tài)的情況下加熱至工作溫度，以減少瞬間大功率加熱給傳感器陶瓷部分帶來沖擊損傷。在加熱的PWM達(dá)到設(shè)定的最大值之后，進(jìn)入比例-積分-微分(proportion-integration-differentiation,PID)控制加熱模式，同時(shí)程序由初始化階段進(jìn)入到正常運(yùn)行階段。在運(yùn)行階段里，程序循環(huán)檢測(cè)泵電流，同時(shí)通過泵電流和泵電壓的關(guān)系進(jìn)行傳感器在線故障診斷，傳感器未有異常的情況下,通過泵電流進(jìn)行PID計(jì)算得出下一循環(huán)的泵電壓然后輸出，并且在TFT屏幕上直接顯示各種參數(shù)，包括每個(gè)泵的電流值和電壓值以及根據(jù)一定關(guān)系轉(zhuǎn)換出來的O2濃度和NO2的濃度。當(dāng)傳感器發(fā)生異常，比如說泵之間發(fā)生擊穿或者斷路的情況時(shí)，程序進(jìn)入錯(cuò)誤狀態(tài)，該狀態(tài)下控制器會(huì)關(guān)閉所有泵電壓的輸出和參考泵電流的輸出，同時(shí)關(guān)閉加熱器輸出，然后回到初始階段。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

系統(tǒng)實(shí)物如圖6所示。圖中左側(cè)部分為測(cè)試使用的NGK的NOx傳感器探頭，右側(cè)為本文所設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)的控制器的內(nèi)部電路板。在控制器電路板左上方為電源輸入接口以及電源開關(guān)，右邊為傳感器探頭的接口?？刂破麟娐钒遄笙路?P的插口是兼容大陸現(xiàn)有的控制器的CAN總線接口[7]，在其右邊為液晶排線接口,用于連接液晶顯示器進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和數(shù)據(jù)顯示。

圖6 NOx傳感器控制器

3.1 恒壓法精度測(cè)試

為了驗(yàn)證傳感器控制器在NGK探頭配合的情況下對(duì)不同濃度的NOx氣體的響應(yīng)情況和不同濃度O2的響應(yīng)情況，在實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)配氣臺(tái)進(jìn)行了測(cè)試。為了模擬傳統(tǒng)恒壓法控制方式[8]，關(guān)閉旁路輔助泵的恒流PID[9]控制環(huán)，直接給定主泵電壓為500 mV，輔助泵電壓560 mV，測(cè)量泵電壓570 mV測(cè)得表1數(shù)據(jù)。

用Origin畫出標(biāo)準(zhǔn)濃度值與實(shí)測(cè)Ip2電流的曲線并進(jìn)行線性擬合，其線性度為0.985 9。

3.2 恒流法精度測(cè)試

在上述實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，啟動(dòng)輔助泵電流的PID控制環(huán)，設(shè)置輔助泵的泵電流為7 μA，此時(shí)主泵的泵電壓受控于輔助泵的PID，測(cè)得表1中數(shù)據(jù)。

表1 恒壓法與恒流法NOx測(cè)量數(shù)據(jù)

用Origin畫出標(biāo)準(zhǔn)濃度值與實(shí)測(cè)Ip2電流的曲線并進(jìn)行線性擬合，其線性度為0.998 7。對(duì)應(yīng)式(3)，由于電路存在偏置電流,所以最終得出PNOx=288.53×IP2-60。

通過式(8)作為最終電流轉(zhuǎn)換濃度公式計(jì)算出實(shí)測(cè)濃度值，計(jì)算其平均相對(duì)誤差

(8)

表2為傳感器控制器采集的主泵電流大小和標(biāo)準(zhǔn)的O2氣體濃度關(guān)系數(shù)據(jù)。

表2 O2測(cè)量數(shù)據(jù)

用Origin畫出曲線后進(jìn)行線性擬合，計(jì)算其線性度為0.998。對(duì)應(yīng)式(2)，由于電路有偏置電流存在,所以最終得出PO2=8.238×IP0-0.878。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)應(yīng)用于汽車尾氣處理環(huán)境的NOx傳感器，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種可用于汽車尾氣中氮氧化物檢測(cè)的NOx傳感器控制器。測(cè)試結(jié)果表明：該控制器的軟硬件設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠，可用于溫度在0～750 ℃,NOx氣體濃度范圍為(100～1000)×10-6的氣體濃度測(cè)量?；诤汶娏鞣刂品绞?，本文設(shè)計(jì)的NOx傳感器可以在不同濃度的氧氣中對(duì)NOx氣體精確采集，測(cè)量誤差控制在4.2 %以內(nèi)。本文實(shí)現(xiàn)了車用高精度NOx傳感器控制器的自主設(shè)計(jì)。