天然气发动机氧传感器驱动及故障诊断策略设计*

夏真新吴长水*王海峰

(1.上海工程技术大学机械与汽车工程学院，上海 201600；2.青海交通职业技术学院汽车工程学院，青海 西宁 810003)

随着国六排放标准的出台，使得各大厂商对汽车排放性能的要求日趋严格[1]，而影响汽车排放性能最直接的因素就是空燃比。氧传感器是发动机空燃比控制中最重要的传感器，它通过检测废气中的氧含量实时地将空燃比反馈给电控单元，电控单元则根据上一时刻的空燃比调整下一时刻的喷气脉宽，从而将空燃比控制在理论空燃比附近，实现空燃比的闭环控制。发动机空燃比闭环能否取得预期效果，直接取决于氧传感器能否快速、精确反馈空燃比，特别是在发动机瞬态工况过程中[2]。由于氧传感器须工作在指定温度下，而发动机频繁的工况转换导致的转速、喷油量变化，以及不同进气量引起的混合气温度变化都会造成排气管中的温度差异。温度的变化会影响过量空气系数的测量精度，继而影响空燃比的闭环控制。因此监测氧传感器的运行状况，控制加热温度，使温度稳定在某一固定值附近显得十分重要。

随着氧传感器的广泛使用，国内外研究人员对氧传感器控制展开了研究。刘瑞祥等[3]采用模拟电路设计了氧传感器控制器，模拟PID电路控制泵电流，但是这种方法参数调整不便，温度控制没有形成闭环；卢继飞[4]等建立了传感器温度模块被控对象的数学模型，提出利用PID控制算法对温度进行控制，采用Z-N法进行参数整定，但超调量大、调节时间长，难以用于瞬态过程的准确控制；周树艳[5]等提出了分段加热的控制方法，缩短了冷启动时间，但未给出参数整定方法及结果；合肥工业大学DSP实验室[6-7]研制了基于dSPACE平台的氧传感器控制系统，采用分段加热控制算法控制温度克服了非线性问题，但传感器的冷启动加热时间较长。

针对上述应用中的一些不足，本文基于LSU 4.9型宽域氧传感器[8]和CJ125控制芯片[9]，针对氧传感器的温度非线性特性和快速冷启动时的加热限制要求，采用了分段式加热[10]和PID控制相结合的温度控制方法，对氧传感器温度进行闭环控制，并在快速原型测试试验台上进行PID控制参数在线自整定，缩短了温度控制时间，提升了动态性能。另外，本文设计了在线故障诊断策略，实时监测氧传感器状态和加热过程，在准确获取信号的同时，还可以起到保护作用。

1 宽域氧传感器工作原理

LSU4.9型宽域氧传感器属于氧化锆型，其主要结构包括检测室、泵氧单元、能斯特单元、参考室以及加热组件五部分[11]。高温状态时，氧化锆能把氧气电解成移动的氧离子。氧传感器工作时，参考室中氧浓度不变，废气中氧浓度则一直在变化。由电化学可知，浓度差产生电势差[12]。ECU将电压加在泵氧元上，把排气中的氧泵入检测室中，使电压维持在0.45 V。施加在泵氧元上的电压，即为所需的氧含量信号。氧传感器据此电压计算出氧含量，从而测量出过量空气系数。由于氧化锆具有温度超过350℃，遇液态水易热冲击炸裂的物理特性，因此要精确控制温度。但氧传感器温度不可直接测量，需通过测量能斯特单元的内阻实现对温度的检测[13]，而后通过控制算法调节PWM的占空比，改变加热电压，实现氧传感器温度的升高和维持。氧传感器温度和内阻对应关系曲线如图1。

图1 能斯特单元电阻特性曲线

2 氧传感器底层驱动

本文的控制器采用飞思卡尔MPC5674F作为主控芯片，博世CJ125作为氧传感器驱动芯片[14]。两芯片间通过SPI总线进行通信。LSU4.9氧传感器、主芯片MPC5674F以及CJ125驱动芯片之间的连接原理如图2所示，其中，IP是氧传感器泵电流输出运算放大器的反向输入端，由泵氧元产生的泵电流可以计算出过量空气系数大小；IA为泵电流输出运算放大器的正向输入端，也叫调整电流端；VM为虚地端；UN为氧浓差电池内阻测量端，由这根引脚和CJ125驱动芯片相连，CJ125由此得到最主要的2个信号，空燃比电压信号输出UA和温度测量信号输出UR，根据UA可计算出过量空气系数，进而计算出空燃比[15]。根据UR可计算出氧传感器当前工作温度，并将这一信号反馈给ECU，对氧传感器的温度进行实时控制。

图2 硬件连接原理

3 氧传感器加热控制策略设计

氧传感器从冷启动状态加热到工作状态，需经历三个阶段，小功率加热、全功率加热及温度维持阶段。这三个加热阶段需要由两个控制方式来进行控制，分别是开环控制(OpenLoopControl)和闭环控制(ClosedLoopControl)，本文设计的控制策略根据氧传感器所处状态选择控制方式，最终计算出加热占空比。当加热器被使能(EnblHeater＝1)时，判断此时氧传感器温度，如果氧传感器温度小于最佳氧传感器温度阀值(HTRc_OptimalSensorTemp_apv)，则进行开环控制，即OpenLoopActv＝1；待氧传感器温度大于最佳传感器温度阀值后则进行闭环控制，即OpenLoopActv＝0。

当采集的信号经过故障检测后，进入标定使能阶段，随后判断SPI和OOR故障标志位，若故障标志位全为0，则会激活标定使能模式(EnblCalMode＝1)，否则不激活(EnblCalMode＝0)。进入标定使能模式后，使能温度传感器，通过当前电压信号UR查表得出氧传感器温度。当温度传感器被使能并且SPI无错误标志位时，使能参考电流。同时，对故障进行监测，当传感器未达到使能加热器的温度时，只考虑短接到地、电源和开路故障，若无故障且参考电流被使能，则使能加热器。期间如果故障标志位非0，则限制加热(HeaterLimit＝1)，直到相应的故障标志位清除。加热控制使能策略的示意图如图3所示。

图3 加热控制使能示意图

3.1 加热器开环控制策略设计

氧传感器从冷机状态启动，当加热器激活且氧传感器温度小于最佳温度阀值时，使能开环控制(OpenLoopActv＝1)。此时比较氧传感器温度和水凝结阶段温度，若传感器温度小于水凝结阶段温度，则进入水凝结阶段。此阶段初始加热占空比不能过大，需以较小且固定的占空比加热传感器[16]，这样可避免升温过快导致氧传感器陶瓷热应力过大而损坏。此外一旦进入水凝结阶段，加热占空比将会持续一固定时长，并且直到该子系统被再次触发之前不会再次进入此阶段。当水凝结阶段结束后且氧传感器温度大于一定阀值时，将会以HTRc_LinRamp-PWMCmd_apv为初值，HTRc_OpenLoopLinRamp_apv为斜率线性增大占空比加热氧传感器。最终的加热占空比受蓄电池电压的影响，因此需要通过蓄电池电压查表得到一个修正因子，水凝结阶段的占空比和线性计算得到的占空比均需根据蓄电池电压乘上相应的修正因子才能得到最终的加热占空比PWMCmd。在加热过程中，如果检测到故障的存在，即HeaterLimit＝1，需要对PWMCmd进行限幅处理。图4为加热器开环控制策略。

图4 加热器开环控制策略

3.2 加热器闭环控制策略设计

经历小功率和大功率加热后，氧传感器温度迅速爬升，当氧传感器温度接近工作温度780℃时，启动闭环控制。加热器通过温度信号电压值获取当前传感器的温度值，进一步与目标温度值进行比较，两值之间的误差反馈到输入端，分别在PID控制参数的K p、K i、K d下实现闭环PID调节[17]，输出调节结果占空比PWM基本量。与开环控制相同，得到的PWM基本量需乘以根据蓄电池电压查表得到的修正因子才能得到最终的PWMCmd。受排气温度的影响，输出的占空比实时变化。如果存在故障，即HeaterLimit＝1，此外还需对PWMCmd进行限幅处理，这一过程持续进行。为使传感器稳定在设定温度点附近，氧传感器温度控制的响应性与准确性取决于PID控制参数，因此PID参数的选择尤为重要。

本文利用开放式ECU快速原型测试平台，采用基于Z-N法进行PID参数整定[18]。当氧传感器闭环控制构建完成时，将PID控制器的积分和微分作用去掉仅留下比例作用，然后在系统中加入一个扰动，若系统响应是衰减的，则需增大控制器的比例增益K p，重做实验，相反若系统响应的振荡幅度不断增大，则需要减小K p。最终使闭环系统做临界等幅周期振荡的比例增益K p就被称为临界增益，记为K u；而此时系统的振荡周期被称为临界振荡周期，记为T u。然后再根据经验公式求出PID控制器的参数整定值。加热器闭环控制策略如图5所示。

图5 加热器闭环控制策略

4 氧传感器驱动故障诊断策略设计

由于氧传感器需工作在稳定的温度区间，加热温度过高会损坏氧传感器，因此当检测温度过高时，应停止加热。加热一段时间后，温度未正常升高，也应停止加热。此外，硬件电路工作过程中，经常会出现开路、短路的电路故障，驱动芯片与主芯片间也会出现SPI通讯故障[19]。氧传感器的正常启动、工作是保证空燃比快速、精确反馈的重要前提，如果不能及时、准确的获取氧传感器信号来测量其温度，氧传感器就会处于失效状态，同时氧气含量及Lambda就无法获取，发动机空燃比闭环控制就不能正常进行，因此对氧传感器工作过程进行实时故障检测十分必要。具体的诊断策略如图6所示。

图6 氧传感器驱动故障诊断策略

当ECU上电时，氧传感器接收电压信号和工作开启信号，通过CJ125控制芯片引脚产生UA和UR信号，主控芯片收到信号后，先对其进行一阶低通滤波，提高信号的稳定性，之后进行故障诊断。故障诊断分为两部分，其一是对UA和UR信号的诊断，其二是进行SPI(串行外设接口)通讯故障诊断。

对于信号诊断，在初始状态时，此模块的故障状态输出为0，即无故障状态。由于采集的信号为电压信号，首先对其进行限幅处理，将输入信号的物理电压值与标定的信号最大最小值进行比较。当UA值大于信号电压高限值(HTRc_UA_OORHi_apv)或小于信号电压低限值(HTRc_UA_OORLo_apv)成立，且处在此状态时间大于故障消除抖动时间，故障标志位置1。如果在消除抖动过程中，UA值又处于高、低限值之间，则故障标志位清零。同理，当UR值大于高限值或小于低限值，且处在此状态时间大于消除抖动时间，故障标志位置1。若在消除抖动过程中，UR值又处于高、低限值之间，则故障标志位清零[20]。

当加热器PWM指令为高电平时，检查UR响应。当检测加热器PWM为高电平且UR大于加热的阈值电压，表示此时处于低温环境，加热器正在进行加热，若处于此状态时间大于信号抖动时间，表明加热器没有正确加热传感器，则设置故障标志位，该诊断有利于保护氧传感器探针。当故障出现时，PWM指令会受到限制，整个工作过程中，PWM指令实时受到故障检测结果的控制。与此同时，检测UR值是否小于加热阈值电压或加热信号PWM是否为0，若符合，则此故障标志位自动清除。

对于SPI诊断，软件平台事先将值写入寄存器中，数据通过CJ125的SPI通讯进行传输，当出现数据传输错误时，重新读取该值，同时会对错误通讯消息进行计数，该计数器会递增到255，直到计数器返回到软件平台重新装载为0。同时，为了可以确定是否是暂时的SPI问题，使用泄露桶计数器原理:如果SPI存在错误数(非0)且值增大，则会启动计数，计数器值会以一个权重增加，直到最大值max，设置计数溢出标志。若SPI无错误数(为0)则不会启动计数，或者错误数减小，则计数器值会以一个权重减小，计数溢出标志则会清除。因此，无论是计数器溢出标志为1或者SPI错误达到255，均会设置故障标志位。如果SPI返回，则会清除此故障标志位。此外由于硬件电路经常会出现电路故障，需要实时的对连接氧传感器的各路引脚进行对地、电源短路以及断路检测，若出现故障，均会设置对应的故障标志位。

5 发动机台架应用试验

为验证本文所设计的宽域氧传感器加热控制策略的实际控制效果，将本策略在一台大功率天然气发动机YC6G260N-50上进行实际性能测试，其性能参数如表1所示，发动机台架布置如图7所示。

图7 发动机台架布置图

表1 YC6G260N-50发动机技术参数

PiSnoop主要用于参数优化，在控制系统运行过程中同时采集测量信号和标定参数值，并且可以提供图形化的检测与标定视图。

如图8所示，为故障监测标定界面，在快速原型测试中，分别给定一个UR低电压和UR高电压值信号，且使虚拟接地端VM开路，所设计的诊断策略能快速准确的检测到信号高低限故障与开路故障，并使故障标志位置1。

图8 上位机标定软件故障监测状态

通过查询LSU 4.9的产品手册得知其最佳工作温度为780℃。在常规的空气环境下进行实验数据采集。图9为冷启动状态下加热占空比变化曲线，图10为冷启动状态下氧传感器温度变化曲线试验结果。

图9 冷启动状态下加热占空比变化曲线

从图9中可看出，一开始进行冷启动预加热，进入开环加热阶段，占空比较小，以小功率进行，此时对应图10中氧传感器温度维持在50℃左右，维持一段时间到达氧传感器露点温度，而后进入线性加大占空比加热阶段，功率大大增加，氧传感器温度迅速上升。最后随着信号处理模块检测到氧传感器温度接近工作温度780℃时，进入闭环加热阶段，占空比不断减小，温度上升速率减慢，然后占空比维持在一定的水平，此时对应氧传感器温度曲线近似为一条直线，其温度恰为最佳工作温度:约为780℃。

图10 冷启动状态下氧传感器温度变化曲线试验结果

为进一步证明氧传感器温度控制策略的准确性，对发动机工况进行改变，监测过量空气系数的变化，变化情况如图11。

图11 发动机工况状态变化试验结果

由图11可知，当发动机从启动工况过渡到稳态工况下，过量空气系数能得到迅速校正，并且这一过程过量空气系数稳定的效果较好。当从稳态工况中切换时，过量空气系数也能快速反应。与此同时，通过改变PID参数来反映温度的控制效果对过量空气系数的影响，试验过程中对过量空气系数数值监测。前后变化的试验结果如图12，从图中可知，PID参数变化后，温度闭环控制受到影响，进而使得过量空气系数的数值受到影响，响应速度和测量精度明显下降。综合上述试验结果，本文所设计的氧传感器加热闭环控制策略具有良好的实际控制效果，精确度高。

图12 PID变化前后过量空气系数变化试验结果

6 结论

①分析了氧传感器加热控制原理、传感器与驱动芯片的硬件连接以及主从芯片间通信及信号传递关系，设计了氧传感器驱动及故障诊断策略。

②根据氧传感器的工作特点，采用基于模型的设计方法建立了加热温度开、闭环控制和故障诊断策略，使其在发动机常工况、变工况的条件下，都能有效检测出传感器的运行故障，并快速、稳定的工作在最佳状态，为空燃比控制精确的输出信号的测量值。

③基于开放式ECU进行了快速原型测试，并在大功率天然气发动机台架上进行了实际性能测试，试验结果表明，当发动机工况发生改变时，本文所设计的氧传感器加热控制策略收敛时间短，动态响应性好，能精准快速的控制温度波动，实时准确的反馈空燃比值。另外通过对比不同PID参数下过量空气系数的变化情况，验证了温度的控制效果影响了空燃比的测量精度，为下一步的空燃比数值的测量和修正提供了基础。