宽域氧传感器控制器开发与试验

【摘要】宽域氧传感器（UEGO）是柴油发动机后处理系统的重要传感器。UEGO传感器结构特殊，需要控制器协同工作。本文以MC9S12XS128为核心设计了一种控制器，采用比例积分微分（PID）加热策略维持传感器的温度，实现对过量空气系数λ的采集与显示。最后利用测试台架对传感器进行了标定，验证了数据有效性。

【关键词】宽域氧传感器;PID;控制器;标定

Abstract：UEGO（Universal Exhaust Gas Oxygen Sensor）is a key sensor for aftertreatment system of diesel engine.A controller is necessary because of particular structure and function of UEGO.A stand-alone controller was designed based on MC9S12XS128，which can acquire and display λ value，and temperature of UEGO was maintained of PID method.Then the λ value was calibrated on an engine and data were also verified.

Key words：UEGO;PID;controller;calibration

1.引言

随着减排法规的日趋严格，各种节能减排新技术正被不断应用于乘用车、柴油机、重型卡车等领域。宽域氧传感器（UEGO）能够在较大范围内准确测量排放尾气中混合气体的过量空气系数λ，从而间接得出空燃比。UEGO传感器与三元催化转换器配合所形成的闭环燃油控制系统构成了当前发动机废气排放控制系统的最有效手段[1]。

1976年，氧传感器开始在美国和欧洲的废气排放控制系统中得以应用[2]。随后，氧传感器技术持续提升。相对于传统开关型氧传感器，UEGO不仅可以在普通发动机上用于控制混合气体空燃比，而且在稀燃发动机混合气体空燃比控制中起着极其重要的作用[3]。

为了对UEGO进行控制和检测，需要专用控制器实现数据采集和诊断[4]。一种设计方案是将专用控制器集成到发动机电控单元（ECU）中，这种方案已经在许多高端乘用车中得到应用[5]。然而，对已经量产的发动机ECU进行重新设计会带来成本压力。另一种设计方案是设计独立的控制器[6]，利用控制器局域网（CAN）总线与发动机ECU进行通讯，实现对废气排放的控制，这种方案可有效降低后期开发成本。本文基于LSU4.9型UEGO采用第2种方案设计了的独立控制器，并对系统进行了标定。

2.UEGO原理简介

UEGO属于氧化锆型氧传感器，在传统开关型氧传感器的基础上增加一个氧泵构成，能检测混合气体的化学计量比以及临界电流。其工作原理是保持被测气体的含氧量与λ=1时的排气含氧量相等，并根据氧泵上的电流方向和大小间接确定混合气的空燃比。

图1 UEGO结构图

UEGO结构[7]如图1所示。氧化锆材料具有氧离子电导特性[8]，当温度超过300℃时，吸附表面O2会离子化，并且会从氧气分压高的大气侧向氧气分压低的排气侧流动，在排气侧堆积较多的氧离子，从而形成两侧铂膜的电位差。因此，UEGO控制器的主要任务是精确控制内部氧泵电流，并加热维持探头工作温度。

3.宽域氧传感器控制系统

3.1 硬件系统设计

LSU4.9型UEGO对控制器有以下几个方面要求：首先，控制系统需维持探头处于最佳工作温度范围。其次，系统能实时感测温度及氧含量值，并处理后送显示。最后，系统为探头提供电源。根据需求，所设计系统框图如图2所示。

图2 硬件系统框图

系统由电源模块、单片机模块、显示模块、通讯接口模块等组成。控制器采用Freescale公司64pin的LQFP封装的16bit MC9S12XS128型单片机[9]，该型号具有模数转换（AD）模块、串行外设接口（SPI）模块、CAN模块、通用异步收发传输器（UART）模块、脉冲调制（PWM）模块以及丰富的输入输出（IO）资源，完全能满足系统需求。显示模块由3位7段数码管组成。电源模块将24V灾转换成5V以及3.3V分别供给探头和单片机。传感器驱动模块采用BOSCH公司ASIC芯片，芯片具有4部分功能，即：探头加热控制模块，电源模块，Ip控制电路以及Vout输出电路。

3.2 控制软件设计

在软件方面，系统有以下需求：首先，满足探头的冷启动及加热时序，如图3所示。其次，响应上位机及发动机ECU的控制命令。再者，对空燃比电压值Ua值线性拟合，计算并测定λ值。第三，上位机监控界面显示。最后，在测试台架现场的在线编程。

图3 加热时序图

根据系统需求，下位机控制软件在CodeWarrior平台编写，由加热控制，SPI，UART，CAN，数码管显示，线性拟合，Bootloader则等子程序组成，完成对传感器探头的控制，测试数据采集以及指令传输等功能，软件流程如图4所示。上位机监控界面则由LABVIEW编写，实现对测试数据的实时显示，界面如图5所示。

图4 软件流程图

图5 氧传感器监控界面

根据LSU4.9的要求，控制器对探头的冷启动加热过程不能超过30s，初始加热电压小于8.5V，PWM模块加热电压上升速率小于0.4V/s，最大加热电压小于13V;在正常工作阶段，探头温度需维持在780℃（最优λ值采集温度）。文献[10]曾采用尾气维持探头温度，但该方式会因工况变化导致传感器响应性能变差。本文采用PID算法实现主动加热，能在全工况范围保证传感器性能。系统上电后，初始化各模块，并读取当前温度，若未达到设定阈值，则启动冷启动加热策略，在13s左右完成第1阶段加热;否则直接进入第2阶段加热过程，采用PID加热策略维持探头温度处于设定区间。若温度处于设定区间，则读取Ua值并通过查表方式输出λ值，根据需要将λ值送数码管、上位机或发动机ECU。上位机或发动机ECU的控制命令通过中断获得单片机的响应，传感器驱动模块以及探头的工作状态则通过SPI寄存器读取。在测量阶段，上位机可以通过串口（发动机ECU通过CAN总线）查询传感器的工作状态、当前温度以及λ值。

根据调试现场编程需要，利用PA0口判定是否进入Bootloader引导程序，Bootloader通过串口实现对单片机的在线编程，从而使开发人员在远离台架处实现调试。

4.标定试验

4.1 试验方案

LSU4.9型UEGO输出的参数为模拟电压值Ua，Ur（传感器温度电压），其中Ua与λ呈函数关系[11]，为获取二者之间的对应关系，需要对传感器进行标定。如图6所示为所采用的氧传感器标定试验流程图。试验装置包括：电涡流测功机500，AVL PUMA台架，Horiba公司空燃比分析仪MEXA-700λ，宽域氧传感器控制器，PC机，稳压电源等。为准确测定λ值，在AVL PUMA试验台的排气管处安装宽域氧传感器及控制器，通过RS232总线将温度、λ以及诊断数据连接到PC端监控界面，并且与Horiba空燃比仪所显示λ进行对标。

图6 实验台架布局

4.2 标定方案

a.标定基准

为准确界定LSU4.9型UEGO的工作状态，需要确定最优工作温度范围和λ的标定基准。根据UEGO传感器对工作温度环境的要求：当探头材料的电阻Ri为300Ω时，探头处于最佳温度780℃，以此作为温度标定基准点。当尾气空燃比值处于理论值时，输出电压Ua处于1.5V，以此作为λ=1的标定基准点。

b.标定方案

利用台架柴油发动机控制系统连续调整发动机工况，从而改变排气管混合气体的空燃比，待稳态后，根据Horiba空燃比分析仪数据进行标定。标定过程中工况越多，标定数据范围越大，拟合曲线精度越高。

4.3 数据分析

根据试验条件，共获取了31组有效测试数据，经软件滤波与均值处理后读取了测试点对应的Ua电压值，如图7所示，这里采用分段线性拟合法确立λ与Ua函数关系。首次标定后，对λ值拟合函数重新编程并在上位机监控界面输出并记录;再次标定试验后，将UEGO控制器输出λ值与Horiba空燃比分析仪数据对标。对标结果表明，所测数据与首次标定工况点处重合，在测试区间范围内，λ值误差小于5%。

图7 λ值标定曲线图

5.结束语

本文根据UEGO传感器的工作原理和特点，设计了以单片机为核心的控制器，通过UART总线与PC监控界面，CAN总线与发动机ECU进行数据通讯，实现了对过量空气系数λ值的采集。最后，在AVL PUMA试验台架进行了UEGO的标定试验，结果表明，所设计控制系统在测试范围内有较高的精度。

参考文献

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