天然氣發動機氧傳感器驅動及故障診斷策略設計*

夏真新吳長水*王海峰

(1.上海工程技術大學機械與汽車工程學院，上海 201600；2.青海交通職業技術學院汽車工程學院，青海 西寧 810003)

隨著國六排放標準的出臺，使得各大廠商對汽車排放性能的要求日趨嚴格[1]，而影響汽車排放性能最直接的因素就是空燃比。氧傳感器是發動機空燃比控制中最重要的傳感器，它通過檢測廢氣中的氧含量實時地將空燃比反饋給電控單元，電控單元則根據上一時刻的空燃比調整下一時刻的噴氣脈寬，從而將空燃比控制在理論空燃比附近，實現空燃比的閉環控制。發動機空燃比閉環能否取得預期效果，直接取決于氧傳感器能否快速、精確反饋空燃比，特別是在發動機瞬態工況過程中[2]。由于氧傳感器須工作在指定溫度下，而發動機頻繁的工況轉換導致的轉速、噴油量變化，以及不同進氣量引起的混合氣溫度變化都會造成排氣管中的溫度差異。溫度的變化會影響過量空氣系數的測量精度，繼而影響空燃比的閉環控制。因此監測氧傳感器的運行狀況，控制加熱溫度，使溫度穩定在某一固定值附近顯得十分重要。

隨著氧傳感器的廣泛使用，國內外研究人員對氧傳感器控制展開了研究。劉瑞祥等[3]采用模擬電路設計了氧傳感器控制器，模擬PID電路控制泵電流，但是這種方法參數調整不便，溫度控制沒有形成閉環；盧繼飛[4]等建立了傳感器溫度模塊被控對象的數學模型，提出利用PID控制算法對溫度進行控制，采用Z-N法進行參數整定，但超調量大、調節時間長，難以用于瞬態過程的準確控制；周樹艷[5]等提出了分段加熱的控制方法，縮短了冷啟動時間，但未給出參數整定方法及結果；合肥工業大學DSP實驗室[6-7]研制了基于dSPACE平臺的氧傳感器控制系統，采用分段加熱控制算法控制溫度克服了非線性問題，但傳感器的冷啟動加熱時間較長。

針對上述應用中的一些不足，本文基于LSU 4.9型寬域氧傳感器[8]和CJ125控制芯片[9]，針對氧傳感器的溫度非線性特性和快速冷啟動時的加熱限制要求，采用了分段式加熱[10]和PID控制相結合的溫度控制方法，對氧傳感器溫度進行閉環控制，并在快速原型測試試驗臺上進行PID控制參數在線自整定，縮短了溫度控制時間，提升了動態性能。另外，本文設計了在線故障診斷策略，實時監測氧傳感器狀態和加熱過程，在準確獲取信號的同時，還可以起到保護作用。

1 寬域氧傳感器工作原理

LSU4.9型寬域氧傳感器屬于氧化鋯型，其主要結構包括檢測室、泵氧單元、能斯特單元、參考室以及加熱組件五部分[11]。高溫狀態時，氧化鋯能把氧氣電解成移動的氧離子。氧傳感器工作時，參考室中氧濃度不變，廢氣中氧濃度則一直在變化。由電化學可知，濃度差產生電勢差[12]。ECU將電壓加在泵氧元上，把排氣中的氧泵入檢測室中，使電壓維持在0.45 V。施加在泵氧元上的電壓，即為所需的氧含量信號。氧傳感器據此電壓計算出氧含量，從而測量出過量空氣系數。由于氧化鋯具有溫度超過350℃，遇液態水易熱沖擊炸裂的物理特性，因此要精確控制溫度。但氧傳感器溫度不可直接測量，需通過測量能斯特單元的內阻實現對溫度的檢測[13]，而后通過控制算法調節PWM的占空比，改變加熱電壓，實現氧傳感器溫度的升高和維持。氧傳感器溫度和內阻對應關系曲線如圖1。

圖1 能斯特單元電阻特性曲線

2 氧傳感器底層驅動

本文的控制器采用飛思卡爾MPC5674F作為主控芯片，博世CJ125作為氧傳感器驅動芯片[14]。兩芯片間通過SPI總線進行通信。LSU4.9氧傳感器、主芯片MPC5674F以及CJ125驅動芯片之間的連接原理如圖2所示，其中，IP是氧傳感器泵電流輸出運算放大器的反向輸入端，由泵氧元產生的泵電流可以計算出過量空氣系數大?。籌A為泵電流輸出運算放大器的正向輸入端，也叫調整電流端；VM為虛地端；UN為氧濃差電池內阻測量端，由這根引腳和CJ125驅動芯片相連，CJ125由此得到最主要的2個信號，空燃比電壓信號輸出UA和溫度測量信號輸出UR，根據UA可計算出過量空氣系數，進而計算出空燃比[15]。根據UR可計算出氧傳感器當前工作溫度，并將這一信號反饋給ECU，對氧傳感器的溫度進行實時控制。

圖2 硬件連接原理

3 氧傳感器加熱控制策略設計

氧傳感器從冷啟動狀態加熱到工作狀態，需經歷三個階段，小功率加熱、全功率加熱及溫度維持階段。這三個加熱階段需要由兩個控制方式來進行控制，分別是開環控制(OpenLoopControl)和閉環控制(ClosedLoopControl)，本文設計的控制策略根據氧傳感器所處狀態選擇控制方式，最終計算出加熱占空比。當加熱器被使能(EnblHeater＝1)時，判斷此時氧傳感器溫度，如果氧傳感器溫度小于最佳氧傳感器溫度閥值(HTRc_OptimalSensorTemp_apv)，則進行開環控制，即OpenLoopActv＝1；待氧傳感器溫度大于最佳傳感器溫度閥值后則進行閉環控制，即OpenLoopActv＝0。

當采集的信號經過故障檢測后，進入標定使能階段，隨后判斷SPI和OOR故障標志位，若故障標志位全為0，則會激活標定使能模式(EnblCalMode＝1)，否則不激活(EnblCalMode＝0)。進入標定使能模式后，使能溫度傳感器，通過當前電壓信號UR查表得出氧傳感器溫度。當溫度傳感器被使能并且SPI無錯誤標志位時，使能參考電流。同時，對故障進行監測，當傳感器未達到使能加熱器的溫度時，只考慮短接到地、電源和開路故障，若無故障且參考電流被使能，則使能加熱器。期間如果故障標志位非0，則限制加熱(HeaterLimit＝1)，直到相應的故障標志位清除。加熱控制使能策略的示意圖如圖3所示。

圖3 加熱控制使能示意圖

3.1 加熱器開環控制策略設計

氧傳感器從冷機狀態啟動，當加熱器激活且氧傳感器溫度小于最佳溫度閥值時，使能開環控制(OpenLoopActv＝1)。此時比較氧傳感器溫度和水凝結階段溫度，若傳感器溫度小于水凝結階段溫度，則進入水凝結階段。此階段初始加熱占空比不能過大，需以較小且固定的占空比加熱傳感器[16]，這樣可避免升溫過快導致氧傳感器陶瓷熱應力過大而損壞。此外一旦進入水凝結階段，加熱占空比將會持續一固定時長，并且直到該子系統被再次觸發之前不會再次進入此階段。當水凝結階段結束后且氧傳感器溫度大于一定閥值時，將會以HTRc_LinRamp-PWMCmd_apv為初值，HTRc_OpenLoopLinRamp_apv為斜率線性增大占空比加熱氧傳感器。最終的加熱占空比受蓄電池電壓的影響，因此需要通過蓄電池電壓查表得到一個修正因子，水凝結階段的占空比和線性計算得到的占空比均需根據蓄電池電壓乘上相應的修正因子才能得到最終的加熱占空比PWMCmd。在加熱過程中，如果檢測到故障的存在，即HeaterLimit＝1，需要對PWMCmd進行限幅處理。圖4為加熱器開環控制策略。

圖4 加熱器開環控制策略

3.2 加熱器閉環控制策略設計

經歷小功率和大功率加熱后，氧傳感器溫度迅速爬升，當氧傳感器溫度接近工作溫度780℃時，啟動閉環控制。加熱器通過溫度信號電壓值獲取當前傳感器的溫度值，進一步與目標溫度值進行比較，兩值之間的誤差反饋到輸入端，分別在PID控制參數的K p、K i、K d下實現閉環PID調節[17]，輸出調節結果占空比PWM基本量。與開環控制相同，得到的PWM基本量需乘以根據蓄電池電壓查表得到的修正因子才能得到最終的PWMCmd。受排氣溫度的影響，輸出的占空比實時變化。如果存在故障，即HeaterLimit＝1，此外還需對PWMCmd進行限幅處理，這一過程持續進行。為使傳感器穩定在設定溫度點附近，氧傳感器溫度控制的響應性與準確性取決于PID控制參數，因此PID參數的選擇尤為重要。

本文利用開放式ECU快速原型測試平臺，采用基于Z-N法進行PID參數整定[18]。當氧傳感器閉環控制構建完成時，將PID控制器的積分和微分作用去掉僅留下比例作用，然后在系統中加入一個擾動，若系統響應是衰減的，則需增大控制器的比例增益K p，重做實驗，相反若系統響應的振蕩幅度不斷增大，則需要減小K p。最終使閉環系統做臨界等幅周期振蕩的比例增益K p就被稱為臨界增益，記為K u；而此時系統的振蕩周期被稱為臨界振蕩周期，記為T u。然后再根據經驗公式求出PID控制器的參數整定值。加熱器閉環控制策略如圖5所示。

圖5 加熱器閉環控制策略

4 氧傳感器驅動故障診斷策略設計

由于氧傳感器需工作在穩定的溫度區間，加熱溫度過高會損壞氧傳感器，因此當檢測溫度過高時，應停止加熱。加熱一段時間后，溫度未正常升高，也應停止加熱。此外，硬件電路工作過程中，經常會出現開路、短路的電路故障，驅動芯片與主芯片間也會出現SPI通訊故障[19]。氧傳感器的正常啟動、工作是保證空燃比快速、精確反饋的重要前提，如果不能及時、準確的獲取氧傳感器信號來測量其溫度，氧傳感器就會處于失效狀態，同時氧氣含量及Lambda就無法獲取，發動機空燃比閉環控制就不能正常進行，因此對氧傳感器工作過程進行實時故障檢測十分必要。具體的診斷策略如圖6所示。

圖6 氧傳感器驅動故障診斷策略

當ECU上電時，氧傳感器接收電壓信號和工作開啟信號，通過CJ125控制芯片引腳產生UA和UR信號，主控芯片收到信號后，先對其進行一階低通濾波，提高信號的穩定性，之后進行故障診斷。故障診斷分為兩部分，其一是對UA和UR信號的診斷，其二是進行SPI(串行外設接口)通訊故障診斷。

對于信號診斷，在初始狀態時，此模塊的故障狀態輸出為0，即無故障狀態。由于采集的信號為電壓信號，首先對其進行限幅處理，將輸入信號的物理電壓值與標定的信號最大最小值進行比較。當UA值大于信號電壓高限值(HTRc_UA_OORHi_apv)或小于信號電壓低限值(HTRc_UA_OORLo_apv)成立，且處在此狀態時間大于故障消除抖動時間，故障標志位置1。如果在消除抖動過程中，UA值又處于高、低限值之間，則故障標志位清零。同理，當UR值大于高限值或小于低限值，且處在此狀態時間大于消除抖動時間，故障標志位置1。若在消除抖動過程中，UR值又處于高、低限值之間，則故障標志位清零[20]。

當加熱器PWM指令為高電平時，檢查UR響應。當檢測加熱器PWM為高電平且UR大于加熱的閾值電壓，表示此時處于低溫環境，加熱器正在進行加熱，若處于此狀態時間大于信號抖動時間，表明加熱器沒有正確加熱傳感器，則設置故障標志位，該診斷有利于保護氧傳感器探針。當故障出現時，PWM指令會受到限制，整個工作過程中，PWM指令實時受到故障檢測結果的控制。與此同時，檢測UR值是否小于加熱閾值電壓或加熱信號PWM是否為0，若符合，則此故障標志位自動清除。

對于SPI診斷，軟件平臺事先將值寫入寄存器中，數據通過CJ125的SPI通訊進行傳輸，當出現數據傳輸錯誤時，重新讀取該值，同時會對錯誤通訊消息進行計數，該計數器會遞增到255，直到計數器返回到軟件平臺重新裝載為0。同時，為了可以確定是否是暫時的SPI問題，使用泄露桶計數器原理:如果SPI存在錯誤數(非0)且值增大，則會啟動計數，計數器值會以一個權重增加，直到最大值max，設置計數溢出標志。若SPI無錯誤數(為0)則不會啟動計數，或者錯誤數減小，則計數器值會以一個權重減小，計數溢出標志則會清除。因此，無論是計數器溢出標志為1或者SPI錯誤達到255，均會設置故障標志位。如果SPI返回，則會清除此故障標志位。此外由于硬件電路經常會出現電路故障，需要實時的對連接氧傳感器的各路引腳進行對地、電源短路以及斷路檢測，若出現故障，均會設置對應的故障標志位。

5 發動機臺架應用試驗

為驗證本文所設計的寬域氧傳感器加熱控制策略的實際控制效果，將本策略在一臺大功率天然氣發動機YC6G260N-50上進行實際性能測試，其性能參數如表1所示，發動機臺架布置如圖7所示。

圖7 發動機臺架布置圖

表1 YC6G260N-50發動機技術參數

PiSnoop主要用于參數優化，在控制系統運行過程中同時采集測量信號和標定參數值，并且可以提供圖形化的檢測與標定視圖。

如圖8所示，為故障監測標定界面，在快速原型測試中，分別給定一個UR低電壓和UR高電壓值信號，且使虛擬接地端VM開路，所設計的診斷策略能快速準確的檢測到信號高低限故障與開路故障，并使故障標志位置1。

圖8 上位機標定軟件故障監測狀態

通過查詢LSU 4.9的產品手冊得知其最佳工作溫度為780℃。在常規的空氣環境下進行實驗數據采集。圖9為冷啟動狀態下加熱占空比變化曲線，圖10為冷啟動狀態下氧傳感器溫度變化曲線試驗結果。

圖9 冷啟動狀態下加熱占空比變化曲線

從圖9中可看出，一開始進行冷啟動預加熱，進入開環加熱階段，占空比較小，以小功率進行，此時對應圖10中氧傳感器溫度維持在50℃左右，維持一段時間到達氧傳感器露點溫度，而后進入線性加大占空比加熱階段，功率大大增加，氧傳感器溫度迅速上升。最后隨著信號處理模塊檢測到氧傳感器溫度接近工作溫度780℃時，進入閉環加熱階段，占空比不斷減小，溫度上升速率減慢，然后占空比維持在一定的水平，此時對應氧傳感器溫度曲線近似為一條直線，其溫度恰為最佳工作溫度:約為780℃。

圖10 冷啟動狀態下氧傳感器溫度變化曲線試驗結果

為進一步證明氧傳感器溫度控制策略的準確性，對發動機工況進行改變，監測過量空氣系數的變化，變化情況如圖11。

圖11 發動機工況狀態變化試驗結果

由圖11可知，當發動機從啟動工況過渡到穩態工況下，過量空氣系數能得到迅速校正，并且這一過程過量空氣系數穩定的效果較好。當從穩態工況中切換時，過量空氣系數也能快速反應。與此同時，通過改變PID參數來反映溫度的控制效果對過量空氣系數的影響，試驗過程中對過量空氣系數數值監測。前后變化的試驗結果如圖12，從圖中可知，PID參數變化后，溫度閉環控制受到影響，進而使得過量空氣系數的數值受到影響，響應速度和測量精度明顯下降。綜合上述試驗結果，本文所設計的氧傳感器加熱閉環控制策略具有良好的實際控制效果，精確度高。

圖12 PID變化前后過量空氣系數變化試驗結果

6 結論

①分析了氧傳感器加熱控制原理、傳感器與驅動芯片的硬件連接以及主從芯片間通信及信號傳遞關系，設計了氧傳感器驅動及故障診斷策略。

②根據氧傳感器的工作特點，采用基于模型的設計方法建立了加熱溫度開、閉環控制和故障診斷策略，使其在發動機常工況、變工況的條件下，都能有效檢測出傳感器的運行故障，并快速、穩定的工作在最佳狀態，為空燃比控制精確的輸出信號的測量值。

③基于開放式ECU進行了快速原型測試，并在大功率天然氣發動機臺架上進行了實際性能測試，試驗結果表明，當發動機工況發生改變時，本文所設計的氧傳感器加熱控制策略收斂時間短，動態響應性好，能精準快速的控制溫度波動，實時準確的反饋空燃比值。另外通過對比不同PID參數下過量空氣系數的變化情況，驗證了溫度的控制效果影響了空燃比的測量精度，為下一步的空燃比數值的測量和修正提供了基礎。