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Ⅵ[1]標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計將于2019年1月1日起實施。國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Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)相比，國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的檢測精度提出了更高的要求。傳統(tǒng)的NOx檢測方法(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，已在工業(yè)燃燒環(huán)境檢測中使用，但由于裝置復(fù)雜、價格昂貴，不宜在汽車上安裝和使用。而電化學(xué)型NOx傳感器則實現(xiàn)了汽車尾氣中NOx氣體的簡便、快速、連續(xù)檢測，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時間被國外各大公司所壟斷，另一方面，目前市場上的NOx傳感器專用控制是基于電壓參考方式設(shè)計的，由于該方式參考電壓值極易受測量腔內(nèi)氧濃度的影響，導(dǎo)致測量精度下降。

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

1 傳感器原理以及控制器硬件設(shè)計

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NOx傳感器探頭上各個電極施加特定電壓信號，然后采集各個電極引線上的電流信號進行轉(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)，且要求有較強的抗干擾能力和計算能力，本文控制器選用STM32F103C8單片機為微處理器。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、泵電流檢測電路以及由單片機控制的數(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社(NGK)的NOx傳感器探頭，結(jié)構(gòu)上主要有3個氣體腔室組成，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氧泵外電極(d)，工作過程中該電極給其他電極提供一個參考的公共地，本文設(shè)計將該電極電壓恒定為1.8 V。在第一腔室內(nèi)部放置一個氧泵內(nèi)電極e，在一定溫度下給氧泵內(nèi)外點電極施加電壓，第一腔室的氧氣會在氧泵內(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,V;R為氣體常數(shù)，數(shù)值為8.314 3 J/(K·mol);T為絕對溫度,K;F為法拉第常數(shù)=NA(阿伏伽德羅常數(shù))×e(每個電子的電量)(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輔助泵電極f，同樣施加一定電壓后可以將第一腔室擴散進來的被測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測量泵電極g，在該電極上一氧化氮(NO)被分解成氮氣和氧氣，分解得到的氧氣在測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]，在對加熱溫度進行控制時，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)

為了減少實際操作的復(fù)雜性，在設(shè)計時，將引線d,e設(shè)計為同一形狀，即 d線與e線的電阻值相等，都為RL。式(4)則表達為

Rh=R-2RL

(5)

根據(jù)式(4)、式(5)，通過外接電路對加熱電極的電阻值進行測量。如圖2所示，可以通過電壓表測出引線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， 計算出加熱電極的電阻值Rh。其計算公式如下所示

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)下所測得的Pt電極的電阻值，Rt為在溫度為T時所測得電極的電阻值， 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，在實際操作中，并不需要對加熱電極的實際溫度進行測量，只需要間接地測量敏感件工作時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)境中進行工作時，只需要預(yù)先設(shè)定加熱電極所需要達到的電阻值，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)，就可以達到要求的控制效果，使得加熱電極總是能夠穩(wěn)定在一個恒定的值，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、測量泵電極是通過保持與參考泵電極上的壓差來改變每個泵電極周圍的氣體濃度。為了保持每個電極與參考泵電極之間的壓差，可通過單片機采樣參考泵電極的電壓，單片機內(nèi)部經(jīng)過計算得到每個泵電極所需電壓后，通過DAC芯片輸出。但這種方法會導(dǎo)致電極之間設(shè)置的壓差和實際壓差有一個時間上的滯后，且單片機ADC采樣會引入一定的誤差[5]，為此本文通過在每個泵電極和參考泵電極之間搭建一個硬件減法電路，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、測量泵電極上。其中一路由減法電路實現(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 泵電流檢測與測量電路

氧泵電極、輔助泵電極、測量泵電極的電流經(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AD采樣的精度將轉(zhuǎn)換的電壓信號進行放大，泵電流檢測放大電路如圖4所示。

圖4 泵電流檢測放大電路電路

2 軟件程序設(shè)計

軟件設(shè)計基于STM32F103C8單片機，該單片機具有高達72 MHz的運行時鐘，單片機內(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，首先對單片機端口、振蕩器進行配置，然后對CAN控制器寄存器進行CAN初始化。采用薄膜晶體管(thin-film transistor,TFT)觸摸屏進行操作，觸摸屏上啟動按鈕按下后程序開始執(zhí)行。首先進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達到設(shè)定的最大值之后，進入比例-積分-微分(proportion-integration-differentiation,PID)控制加熱模式，同時程序由初始化階段進入到正常運行階段。在運行階段里，程序循環(huán)檢測泵電流，同時通過泵電流和泵電壓的關(guān)系進行傳感器在線故障診斷，傳感器未有異常的情況下,通過泵電流進行PID計算得出下一循環(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，程序進入錯誤狀態(tài)，該狀態(tài)下控制器會關(guān)閉所有泵電壓的輸出和參考泵電流的輸出，同時關(guān)閉加熱器輸出，然后回到初始階段。

3 實驗與結(jié)果分析

系統(tǒng)實物如圖6所示。圖中左側(cè)部分為測試使用的NGK的NOx傳感器探頭，右側(cè)為本文所設(shè)計及實現(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。控制器電路板左下方5P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 恒壓法精度測試

為了驗證傳感器控制器在NGK探頭配合的情況下對不同濃度的NOx氣體的響應(yīng)情況和不同濃度O2的響應(yīng)情況，在實驗室靜態(tài)配氣臺進行了測試。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，測量泵電壓570 mV測得表1數(shù)據(jù)。

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

3.2 恒流法精度測試

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

表1 恒壓法與恒流法NOx測量數(shù)據(jù)

用Origin畫出標(biāo)準(zhǔn)濃度值與實測Ip2電流的曲線并進行線性擬合，其線性度為0.998 7。對應(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)換濃度公式計算出實測濃度值，計算其平均相對誤差

(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測量數(shù)據(jù)

用Origin畫出曲線后進行線性擬合，計算其線性度為0.998。對應(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

本文針對應(yīng)用于汽車尾氣處理環(huán)境的NOx傳感器，設(shè)計并實現(xiàn)了一種可用于汽車尾氣中氮氧化物檢測的NOx傳感器控制器。測試結(jié)果表明：該控制器的軟硬件設(shè)計穩(wěn)定可靠，可用于溫度在0～750 ℃,NOx氣體濃度范圍為(100～1000)×10-6的氣體濃度測量。基于恒電流法控制方式，本文設(shè)計的NOx傳感器可以在不同濃度的氧氣中對NOx氣體精確采集，測量誤差控制在4.2 %以內(nèi)。本文實現(xiàn)了車用高精度NOx傳感器控制器的自主設(shè)計。