基于参考电流控制法的NOx传感器专用控制器*

周 坤， 陈焕波， 邹 杰， 简家文， 谢建军

(宁波大学 信息科学与工程学院，浙江 宁波 315211)

0 引 言

排放要求更高的国Ⅵ[1]标准预计将于2019年1月1日起实施。国Ⅵ的汽/柴油排放标准将全面与欧盟标准接轨，甚至在个别指标上超过欧盟标准。数据显示与当前的国Ⅴ标准相比，国Ⅵ要求的氮氧化物排放下降了42 %，因此，必须降低NOx的排放量，对于汽车半导体控制整流器(semiconductor control rectifier,SCR)系统以及NOx的检测精度提出了更高的要求。传统的NOx检测方法(如Saltzman法、化学发光法、色谱法等)具有灵敏度高、检出限低的优点，已在工业燃烧环境检测中使用，但由于装置复杂、价格昂贵，不宜在汽车上安装和使用。而电化学型NOx传感器则实现了汽车尾气中NOx气体的简便、快速、连续检测，已在汽车电子行业得到广泛应用。但一方面， NOx传感器的陶瓷芯片和控制器部分长时间被国外各大公司所垄断，另一方面，目前市场上的NOx传感器专用控制是基于电压参考方式设计的，由于该方式参考电压值极易受测量腔内氧浓度的影响，导致测量精度下降。

针对以上问题，本文根据NOx传感器陶瓷芯片的工作机理，采用嵌入式微控制器结合通用分立元器件的方式实现了传用控制器的设计与制备，并实现对氧浓度值和NOx浓度值较高精度的测量。

1 传感器原理以及控制器硬件设计

车用NOx传感器控制器主要通过硬件电路以及软件控制算法对NOx传感器探头上各个电极施加特定电压信号，然后采集各个电极引线上的电流信号进行转换后通过控制器局域网(controller area network,CAN)总线与电控单元(electronic control unit,ECU)通信。车用尾气传感器遵循CAN通信标准，且要求有较强的抗干扰能力和计算能力，本文控制器选用STM32F103C8单片机为微处理器。主要硬件部分有传感器的加热电路和温度采集电路、减法器电路、泵电流检测电路以及由单片机控制的数/模转换器(digital to analog converter,DAC)输出电路。NOx控制器传感器接口部分的功能模块如图1所示。

图1 控制器的功能模块

图1中左下角方框代表了日本碍子株式会社(NGK)的NOx传感器探头，结构上主要有3个气体腔室组成，分别是第一腔室(a)、第二腔室(b)和参考腔室(c)。在传感器的外层放置一个氧泵外电极(d)，工作过程中该电极给其他电极提供一个参考的公共地，本文设计将该电极电压恒定为1.8 V。在第一腔室内部放置一个氧泵内电极e，在一定温度下给氧泵内外点电极施加电压，第一腔室的氧气会在氧泵内电极上得到电子生成氧离子后被泵出，因此可以在该电极上测得的电流Ip0[2]，根据能斯特公式

(1)

式中E0为标准电极电势,V;R为气体常数，数值为8.314 3 J/(K·mol);T为绝对温度,K;F为法拉第常数=NA(阿伏伽德罗常数)×e(每个电子的电量)(96 500C);n为电极反应中得失的电子数。在恒定工作的条件下由式(1)能得出如下关系

PO2=α×IP0

(2)

在第二腔室上方放置一个辅助泵电极f，同样施加一定电压后可以将第一腔室扩散进来的被测气体中所剩余的氧气继续泵出。第二腔室下方放置了一个测量泵电极g，在该电极上一氧化氮(NO)被分解成氮气和氧气，分解得到的氧气在测量泵电极得到电子后泵出，同理于氧泵电极电流IP0与氧浓度PO2的关系，在理想状态下在测量泵电极上产生的电流IP2与NOx浓度呈正比关系[3]

PNOx=β×IP2

(3)

在参考腔室存在一个参考泵电极h，正常工作过程中在参考泵电极以方波的形式泵入恒定电流，以保持参考腔室在高氧状态。

1.1 温度反馈加热方式

传感器需要工作在860 ℃左右的恒温环境，但尾气的温度是不稳定的，所以本文设计温度反馈加热电路使传感器恒定在所需工作温度，以满足传感器在尾气温度环境下能正常工作。传感器温度采集和加热部分电路示意如图2。

图2 加热电极电阻测量电路

由于所使用的加热电极是Pt电极，温度与其电阻值具有相应关系[4]，在对加热温度进行控制时，只需要监控加热电极的电阻值(Rh)变化情况。加热电极 (即图2中的弯曲部分)是通过引线(d,e)连接到外部的，而且引线本身也具有一定的电阻值。因此，为得知加热电极的电阻，需要知道引线的电阻值

Rh=R-Rd-Re

(4)

为了减少实际操作的复杂性，在设计时，将引线d,e设计为同一形状，即 d线与e线的电阻值相等，都为RL。式(4)则表达为

Rh=R-2RL

(5)

根据式(4)、式(5)，通过外接电路对加热电极的电阻值进行测量。如图2所示，可以通过电压表测出引线d两端的电压值V， 且引线e与d阻值相等，所以引线e的分压也是V，根据回路中的电流值， 计算出加热电极的电阻值Rh。其计算公式如下所示

Rh=(U-2V)/I

(6)

根据Pt电阻与温度的关系曲线，可以得到以下的方程

Rt=R0(1+αt)

(7)

通过如上公式，可以推导出温度T的值。其中，R0为在冷态下所测得的Pt电极的电阻值，Rt为在温度为T时所测得电极的电阻值， 为Pt的温度系数，可以通过查表得到。通过以上分析可以得知，在实际操作中，并不需要对加热电极的实际温度进行测量，只需要间接地测量敏感件工作时其加热电极的电阻值就可以得到传感器当前的温度值。因此，传感器在温度不断变化的气氛环境中进行工作时，只需要预先设定加热电极所需要达到的电阻值，然后通过调节施加在电极引线两端的电压的升降(若电阻值高于预设值，则降低电压，反之则升压)，就可以达到要求的控制效果，使得加热电极总是能够稳定在一个恒定的值，保持传感器工作性能的稳定。

1.2 泵电压输出电路

从NOx传感器的工作原理分析可见，氧泵内电极、辅助泵电极、测量泵电极是通过保持与参考泵电极上的压差来改变每个泵电极周围的气体浓度。为了保持每个电极与参考泵电极之间的压差，可通过单片机采样参考泵电极的电压，单片机内部经过计算得到每个泵电极所需电压后，通过DAC芯片输出。但这种方法会导致电极之间设置的压差和实际压差有一个时间上的滞后，且单片机ADC采样会引入一定的误差[5]，为此本文通过在每个泵电极和参考泵电极之间搭建一个硬件减法电路，减法电路的正向输入端连接参考泵电极，反向输入端连接每个泵的DAC输出，减法电路输出直接接到氧泵电极、辅助泵电极、测量泵电极上。其中一路由减法电路实现的泵电压输出电路的具体硬件电路如图3所示。

图3 泵电压输出电路

1.3 泵电流检测与测量电路

氧泵电极、辅助泵电极、测量泵电极的电流经过滤波器后输入到不同阻值的高精度电阻器转换成相应电压值，电压范围在-12～+50 mV之间。为了提高单片机AD采样的精度将转换的电压信号进行放大，泵电流检测放大电路如图4所示。

图4 泵电流检测放大电路电路

2 软件程序设计

软件设计基于STM32F103C8单片机，该单片机具有高达72 MHz的运行时钟，单片机内部自带12位的ADC以及全功能的CAN外设接口，满足传感器控制器的工作需求。主程序流程如图5所示。

系统上电后，首先对单片机端口、振荡器进行配置，然后对CAN控制器寄存器进行CAN初始化。采用薄膜晶体管(thin-film transistor,TFT)触摸屏进行操作，触摸屏上启动按钮按下后程序开始执行。首先进行传感器探头芯片的预加热，通过固定斜率的PWM占空比增加方式，设定一定的加热时间，使传感器能在冷态的情况下加热至工作温度，以减少瞬间大功率加热给传感器陶瓷部分带来冲击损伤。在加热的PWM达到设定的最大值之后，进入比例-积分-微分(proportion-integration-differentiation,PID)控制加热模式，同时程序由初始化阶段进入到正常运行阶段。在运行阶段里，程序循环检测泵电流，同时通过泵电流和泵电压的关系进行传感器在线故障诊断，传感器未有异常的情况下,通过泵电流进行PID计算得出下一循环的泵电压然后输出，并且在TFT屏幕上直接显示各种参数，包括每个泵的电流值和电压值以及根据一定关系转换出来的O2浓度和NO2的浓度。当传感器发生异常，比如说泵之间发生击穿或者断路的情况时，程序进入错误状态，该状态下控制器会关闭所有泵电压的输出和参考泵电流的输出，同时关闭加热器输出，然后回到初始阶段。

3 实验与结果分析

系统实物如图6所示。图中左侧部分为测试使用的NGK的NOx传感器探头，右侧为本文所设计及实现的控制器的内部电路板。在控制器电路板左上方为电源输入接口以及电源开关，右边为传感器探头的接口。控制器电路板左下方5P的插口是兼容大陆现有的控制器的CAN总线接口[7]，在其右边为液晶排线接口,用于连接液晶显示器进行参数调整和数据显示。

图6 NOx传感器控制器

3.1 恒压法精度测试

为了验证传感器控制器在NGK探头配合的情况下对不同浓度的NOx气体的响应情况和不同浓度O2的响应情况，在实验室静态配气台进行了测试。为了模拟传统恒压法控制方式[8]，关闭旁路辅助泵的恒流PID[9]控制环，直接给定主泵电压为500 mV，辅助泵电压560 mV，测量泵电压570 mV测得表1数据。

用Origin画出标准浓度值与实测Ip2电流的曲线并进行线性拟合，其线性度为0.985 9。

3.2 恒流法精度测试

在上述实验条件不变的情况下，启动辅助泵电流的PID控制环，设置辅助泵的泵电流为7 μA，此时主泵的泵电压受控于辅助泵的PID，测得表1中数据。

表1 恒压法与恒流法NOx测量数据

用Origin画出标准浓度值与实测Ip2电流的曲线并进行线性拟合，其线性度为0.998 7。对应式(3)，由于电路存在偏置电流,所以最终得出PNOx=288.53×IP2-60。

通过式(8)作为最终电流转换浓度公式计算出实测浓度值，计算其平均相对误差

(8)

表2为传感器控制器采集的主泵电流大小和标准的O2气体浓度关系数据。

表2 O2测量数据

用Origin画出曲线后进行线性拟合，计算其线性度为0.998。对应式(2)，由于电路有偏置电流存在,所以最终得出PO2=8.238×IP0-0.878。

4 结 论

本文针对应用于汽车尾气处理环境的NOx传感器，设计并实现了一种可用于汽车尾气中氮氧化物检测的NOx传感器控制器。测试结果表明：该控制器的软硬件设计稳定可靠，可用于温度在0～750 ℃,NOx气体浓度范围为(100～1000)×10-6的气体浓度测量。基于恒电流法控制方式，本文设计的NOx传感器可以在不同浓度的氧气中对NOx气体精确采集，测量误差控制在4.2 %以内。本文实现了车用高精度NOx传感器控制器的自主设计。