夏真新吳長(zhǎng)水*王海峰
(1.上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,上海 201600;2.青海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院,青海 西寧 810003)
隨著國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái),使得各大廠商對(duì)汽車排放性能的要求日趨嚴(yán)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(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制中最重要的傳感器,它通過檢測(cè)廢氣中的氧含量實(shí)時(shí)地將空燃比反饋給電控單元,電控單元?jiǎng)t根據(jù)上一時(shí)刻的空燃比調(diào)整下一時(shí)刻的噴氣脈寬,從而將空燃比控制在理論空燃比附近,實(shí)現(xiàn)空燃比的閉環(huán)控制。發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比閉環(huán)能否取得預(yù)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(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工況過程中[2]。由于氧傳感器須工作在指定溫度下,而發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁的工況轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速、噴油量變化,以及不同進(jìn)氣量引起的混合氣溫度變化都會(huì)造成排氣管中的溫度差異。溫度的變化會(huì)影響過量空氣系數(shù)的測(cè)量精度,繼而影響空燃比的閉環(huán)控制。因此監(jiān)測(cè)氧傳感器的運(yùn)行狀況,控制加熱溫度,使溫度穩(wěn)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(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)氧傳感器控制展開了研究。劉瑞祥等[3]采用模擬電路設(shè)計(jì)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(shù)調(diào)整不便,溫度控制沒有形成閉環(huán);盧繼飛[4]等建立了傳感器溫度模塊被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型,提出利用PID控制算法對(duì)溫度進(jìn)行控制,采用Z-N法進(jìn)行參數(shù)整定,但超調(diào)量大、調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng),難以用于瞬態(tài)過程的準(zhǔn)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(dòng)時(shí)間,但未給出參數(shù)整定方法及結(jié)果;合肥工業(yè)大學(xué)DSP實(shí)驗(yàn)室[6-7]研制了基于dSPACE平臺(tái)的氧傳感器控制系統(tǒng),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(dòng)加熱時(shí)間較長(zhǎng)。
針對(duì)上述應(yīng)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(duì)氧傳感器的溫度非線性特性和快速冷啟動(dòng)時(shí)的加熱限制要求,采用了分段式加熱[10]和PID控制相結(jié)合的溫度控制方法,對(duì)氧傳感器溫度進(jìn)行閉環(huán)控制,并在快速原型測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行PID控制參數(shù)在線自整定,縮短了溫度控制時(shí)間,提升了動(dòng)態(tài)性能。另外,本文設(shè)計(jì)了在線故障診斷策略,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氧傳感器狀態(tài)和加熱過程,在準(zhǔn)確獲取信號(hào)的同時(shí),還可以起到保護(hù)作用。
LSU4.9型寬域氧傳感器屬于氧化鋯型,其主要結(jié)構(gòu)包括檢測(cè)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(tài)時(shí),氧化鋯能把氧氣電解成移動(dòng)的氧離子。氧傳感器工作時(shí),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(xué)可知,濃度差產(chǎn)生電勢(shì)差[12]。ECU將電壓加在泵氧元上,把排氣中的氧泵入檢測(cè)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(hào)。氧傳感器據(jù)此電壓計(jì)算出氧含量,從而測(cè)量出過量空氣系數(shù)。由于氧化鋯具有溫度超過350℃,遇液態(tài)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(cè)量,需通過測(cè)量能斯特單元的內(nèi)阻實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)[13],而后通過控制算法調(diào)節(jié)PWM的占空比,改變加熱電壓,實(shí)現(xiàn)氧傳感器溫度的升高和維持。氧傳感器溫度和內(nèi)阻對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線如圖1。
圖1 能斯特單元電阻特性曲線
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(qū)動(dòng)芯片[14]。兩芯片間通過SPI總線進(jìn)行通信。LSU4.9氧傳感器、主芯片MPC5674F以及CJ125驅(qū)動(dòng)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(yùn)算放大器的反向輸入端,由泵氧元產(chǎn)生的泵電流可以計(jì)算出過量空氣系數(shù)大小;IA為泵電流輸出運(yùn)算放大器的正向輸入端,也叫調(diào)整電流端;VM為虛地端;UN為氧濃差電池內(nèi)阻測(cè)量端,由這根引腳和CJ125驅(qū)動(dòng)芯片相連,CJ125由此得到最主要的2個(gè)信號(hào),空燃比電壓信號(hào)輸出UA和溫度測(cè)量信號(hào)輸出UR,根據(jù)UA可計(jì)算出過量空氣系數(shù),進(jìn)而計(jì)算出空燃比[15]。根據(jù)UR可計(jì)算出氧傳感器當(dāng)前工作溫度,并將這一信號(hào)反饋給ECU,對(duì)氧傳感器的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。
圖2 硬件連接原理
氧傳感器從冷啟動(dòng)狀態(tài)加熱到工作狀態(tài),需經(jīng)歷三個(gè)階段,小功率加熱、全功率加熱及溫度維持階段。這三個(gè)加熱階段需要由兩個(gè)控制方式來進(jìn)行控制,分別是開環(huán)控制(OpenLoopControl)和閉環(huán)控制(ClosedLoopControl),本文設(shè)計(jì)的控制策略根據(jù)氧傳感器所處狀態(tài)選擇控制方式,最終計(jì)算出加熱占空比。當(dāng)加熱器被使能(EnblHeater=1)時(shí),判斷此時(shí)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(jìn)行開環(huán)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(jìn)行閉環(huán)控制,即OpenLoopActv=0。
當(dāng)采集的信號(hào)經(jīng)過故障檢測(cè)后,進(jìn)入標(biāo)定使能階段,隨后判斷SPI和OOR故障標(biāo)志位,若故障標(biāo)志位全為0,則會(huì)激活標(biāo)定使能模式(EnblCalMode=1),否則不激活(EnblCalMode=0)。進(jìn)入標(biāo)定使能模式后,使能溫度傳感器,通過當(dāng)前電壓信號(hào)UR查表得出氧傳感器溫度。當(dāng)溫度傳感器被使能并且SPI無錯(cuò)誤標(biāo)志位時(shí),使能參考電流。同時(shí),對(duì)故障進(jìn)行監(jiān)測(cè),當(dāng)傳感器未達(dá)到使能加熱器的溫度時(shí),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(biāo)志位非0,則限制加熱(HeaterLimit=1),直到相應(yīng)的故障標(biāo)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
氧傳感器從冷機(jī)狀態(tài)啟動(dòng),當(dāng)加熱器激活且氧傳感器溫度小于最佳溫度閥值時(shí),使能開環(huán)控制(OpenLoopActv=1)。此時(shí)比較氧傳感器溫度和水凝結(jié)階段溫度,若傳感器溫度小于水凝結(jié)階段溫度,則進(jìn)入水凝結(jié)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(dǎo)致氧傳感器陶瓷熱應(yīng)力過大而損壞。此外一旦進(jìn)入水凝結(jié)階段,加熱占空比將會(huì)持續(xù)一固定時(shí)長(zhǎng),并且直到該子系統(tǒng)被再次觸發(fā)之前不會(huì)再次進(jìn)入此階段。當(dāng)水凝結(jié)階段結(jié)束后且氧傳感器溫度大于一定閥值時(shí),將會(huì)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(gè)修正因子,水凝結(jié)階段的占空比和線性計(jì)算得到的占空比均需根據(jù)蓄電池電壓乘上相應(yīng)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(cè)到故障的存在,即HeaterLimit=1,需要對(duì)PWMCmd進(jìn)行限幅處理。圖4為加熱器開環(huán)控制策略。
圖4 加熱器開環(huán)控制策略
經(jīng)歷小功率和大功率加熱后,氧傳感器溫度迅速爬升,當(dāng)氧傳感器溫度接近工作溫度780℃時(shí),啟動(dòng)閉環(huán)控制。加熱器通過溫度信號(hào)電壓值獲取當(dāng)前傳感器的溫度值,進(jìn)一步與目標(biāo)溫度值進(jìn)行比較,兩值之間的誤差反饋到輸入端,分別在PID控制參數(shù)的K p、K i、K d下實(shí)現(xiàn)閉環(huán)PID調(diào)節(jié)[17],輸出調(diào)節(jié)結(jié)果占空比PWM基本量。與開環(huán)控制相同,得到的PWM基本量需乘以根據(jù)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(shí)時(shí)變化。如果存在故障,即HeaterLimit=1,此外還需對(duì)PWMCmd進(jìn)行限幅處理,這一過程持續(xù)進(jìn)行。為使傳感器穩(wěn)定在設(shè)定溫度點(diǎn)附近,氧傳感器溫度控制的響應(yīng)性與準(zhǔn)確性取決于PID控制參數(shù),因此PID參數(shù)的選擇尤為重要。
本文利用開放式ECU快速原型測(cè)試平臺(tái),采用基于Z-N法進(jìn)行PID參數(shù)整定[18]。當(dāng)氧傳感器閉環(huán)控制構(gòu)建完成時(shí),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(tǒng)中加入一個(gè)擾動(dòng),若系統(tǒng)響應(yīng)是衰減的,則需增大控制器的比例增益K p,重做實(shí)驗(yàn),相反若系統(tǒng)響應(yīng)的振蕩幅度不斷增大,則需要減小K p。最終使閉環(huán)系統(tǒng)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(shí)系統(tǒng)的振蕩周期被稱為臨界振蕩周期,記為T u。然后再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式求出PID控制器的參數(shù)整定值。加熱器閉環(huán)控制策略如圖5所示。
圖5 加熱器閉環(huán)控制策略
由于氧傳感器需工作在穩(wěn)定的溫度區(qū)間,加熱溫度過高會(huì)損壞氧傳感器,因此當(dāng)檢測(cè)溫度過高時(shí),應(yīng)停止加熱。加熱一段時(shí)間后,溫度未正常升高,也應(yīng)停止加熱。此外,硬件電路工作過程中,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)開路、短路的電路故障,驅(qū)動(dòng)芯片與主芯片間也會(huì)出現(xiàn)SPI通訊故障[19]。氧傳感器的正常啟動(dòng)、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(shí)、準(zhǔn)確的獲取氧傳感器信號(hào)來測(cè)量其溫度,氧傳感器就會(huì)處于失效狀態(tài),同時(shí)氧氣含量及Lambda就無法獲取,發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比閉環(huán)控制就不能正常進(jìn)行,因此對(duì)氧傳感器工作過程進(jìn)行實(shí)時(shí)故障檢測(cè)十分必要。具體的診斷策略如圖6所示。
圖6 氧傳感器驅(qū)動(dòng)故障診斷策略
當(dāng)ECU上電時(shí),氧傳感器接收電壓信號(hào)和工作開啟信號(hào),通過CJ125控制芯片引腳產(chǎn)生UA和UR信號(hào),主控芯片收到信號(hào)后,先對(duì)其進(jìn)行一階低通濾波,提高信號(hào)的穩(wěn)定性,之后進(jìn)行故障診斷。故障診斷分為兩部分,其一是對(duì)UA和UR信號(hào)的診斷,其二是進(jìn)行SPI(串行外設(shè)接口)通訊故障診斷。
對(duì)于信號(hào)診斷,在初始狀態(tài)時(shí),此模塊的故障狀態(tài)輸出為0,即無故障狀態(tài)。由于采集的信號(hào)為電壓信號(hào),首先對(duì)其進(jìn)行限幅處理,將輸入信號(hào)的物理電壓值與標(biāo)定的信號(hào)最大最小值進(jìn)行比較。當(dāng)UA值大于信號(hào)電壓高限值(HTRc_UA_OORHi_apv)或小于信號(hào)電壓低限值(HTRc_UA_OORLo_apv)成立,且處在此狀態(tài)時(shí)間大于故障消除抖動(dòng)時(shí)間,故障標(biāo)志位置1。如果在消除抖動(dòng)過程中,UA值又處于高、低限值之間,則故障標(biāo)志位清零。同理,當(dāng)UR值大于高限值或小于低限值,且處在此狀態(tài)時(shí)間大于消除抖動(dòng)時(shí)間,故障標(biāo)志位置1。若在消除抖動(dòng)過程中,UR值又處于高、低限值之間,則故障標(biāo)志位清零[20]。
當(dāng)加熱器PWM指令為高電平時(shí),檢查UR響應(yīng)。當(dāng)檢測(cè)加熱器PWM為高電平且UR大于加熱的閾值電壓,表示此時(shí)處于低溫環(huán)境,加熱器正在進(jìn)行加熱,若處于此狀態(tài)時(shí)間大于信號(hào)抖動(dòng)時(shí)間,表明加熱器沒有正確加熱傳感器,則設(shè)置故障標(biāo)志位,該診斷有利于保護(hù)氧傳感器探針。當(dāng)故障出現(xiàn)時(shí),PWM指令會(huì)受到限制,整個(gè)工作過程中,PWM指令實(shí)時(shí)受到故障檢測(cè)結(jié)果的控制。與此同時(shí),檢測(cè)UR值是否小于加熱閾值電壓或加熱信號(hào)PWM是否為0,若符合,則此故障標(biāo)志位自動(dòng)清除。
對(duì)于SPI診斷,軟件平臺(tái)事先將值寫入寄存器中,數(shù)據(jù)通過CJ125的SPI通訊進(jìn)行傳輸,當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤時(shí),重新讀取該值,同時(shí)會(huì)對(duì)錯(cuò)誤通訊消息進(jìn)行計(jì)數(shù),該計(jì)數(shù)器會(huì)遞增到255,直到計(jì)數(shù)器返回到軟件平臺(tái)重新裝載為0。同時(shí),為了可以確定是否是暫時(shí)的SPI問題,使用泄露桶計(jì)數(shù)器原理:如果SPI存在錯(cuò)誤數(shù)(非0)且值增大,則會(huì)啟動(dòng)計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)器值會(huì)以一個(gè)權(quán)重增加,直到最大值max,設(shè)置計(jì)數(shù)溢出標(biāo)志。若SPI無錯(cuò)誤數(shù)(為0)則不會(huì)啟動(dòng)計(jì)數(shù),或者錯(cuò)誤數(shù)減小,則計(jì)數(shù)器值會(huì)以一個(gè)權(quán)重減小,計(jì)數(shù)溢出標(biāo)志則會(huì)清除。因此,無論是計(jì)數(shù)器溢出標(biāo)志為1或者SPI錯(cuò)誤達(dá)到255,均會(huì)設(shè)置故障標(biāo)志位。如果SPI返回,則會(huì)清除此故障標(biāo)志位。此外由于硬件電路經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)電路故障,需要實(shí)時(shí)的對(duì)連接氧傳感器的各路引腳進(jìn)行對(duì)地、電源短路以及斷路檢測(cè),若出現(xiàn)故障,均會(huì)設(shè)置對(duì)應(yīng)的故障標(biāo)志位。
為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的寬域氧傳感器加熱控制策略的實(shí)際控制效果,將本策略在一臺(tái)大功率天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)YC6G260N-50上進(jìn)行實(shí)際性能測(cè)試,其性能參數(shù)如表1所示,發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架布置如圖7所示。
圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架布置圖
表1 YC6G260N-50發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)
PiSnoop主要用于參數(shù)優(yōu)化,在控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中同時(shí)采集測(cè)量信號(hào)和標(biāo)定參數(shù)值,并且可以提供圖形化的檢測(cè)與標(biāo)定視圖。
如圖8所示,為故障監(jiān)測(cè)標(biāo)定界面,在快速原型測(cè)試中,分別給定一個(gè)UR低電壓和UR高電壓值信號(hào),且使虛擬接地端VM開路,所設(shè)計(jì)的診斷策略能快速準(zhǔn)確的檢測(cè)到信號(hào)高低限故障與開路故障,并使故障標(biāo)志位置1。
圖8 上位機(jī)標(biāo)定軟件故障監(jiān)測(cè)狀態(tài)
通過查詢LSU 4.9的產(chǎn)品手冊(cè)得知其最佳工作溫度為780℃。在常規(guī)的空氣環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。圖9為冷啟動(dòng)狀態(tài)下加熱占空比變化曲線,圖10為冷啟動(dòng)狀態(tài)下氧傳感器溫度變化曲線試驗(yàn)結(jié)果。
圖9 冷啟動(dòng)狀態(tài)下加熱占空比變化曲線
從圖9中可看出,一開始進(jìn)行冷啟動(dòng)預(yù)加熱,進(jìn)入開環(huán)加熱階段,占空比較小,以小功率進(jìn)行,此時(shí)對(duì)應(yīng)圖10中氧傳感器溫度維持在50℃左右,維持一段時(shí)間到達(dá)氧傳感器露點(diǎn)溫度,而后進(jìn)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(hào)處理模塊檢測(cè)到氧傳感器溫度接近工作溫度780℃時(shí),進(jìn)入閉環(huán)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(shí)對(duì)應(yīng)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(dòng)狀態(tài)下氧傳感器溫度變化曲線試驗(yàn)結(jié)果
為進(jìn)一步證明氧傳感器溫度控制策略的準(zhǔn)確性,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況進(jìn)行改變,監(jiān)測(cè)過量空氣系數(shù)的變化,變化情況如圖11。
圖11 發(fā)動(dòng)機(jī)工況狀態(tài)變化試驗(yàn)結(jié)果
由圖11可知,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)從啟動(dòng)工況過渡到穩(wěn)態(tài)工況下,過量空氣系數(shù)能得到迅速校正,并且這一過程過量空氣系數(shù)穩(wěn)定的效果較好。當(dāng)從穩(wěn)態(tài)工況中切換時(shí),過量空氣系數(shù)也能快速反應(yīng)。與此同時(shí),通過改變PID參數(shù)來反映溫度的控制效果對(duì)過量空氣系數(shù)的影響,試驗(yàn)過程中對(duì)過量空氣系數(shù)數(shù)值監(jiān)測(cè)。前后變化的試驗(yàn)結(jié)果如圖12,從圖中可知,PID參數(shù)變化后,溫度閉環(huán)控制受到影響,進(jìn)而使得過量空氣系數(shù)的數(shù)值受到影響,響應(yīng)速度和測(cè)量精度明顯下降。綜合上述試驗(yàn)結(jié)果,本文所設(shè)計(jì)的氧傳感器加熱閉環(huán)控制策略具有良好的實(shí)際控制效果,精確度高。
圖12 PID變化前后過量空氣系數(shù)變化試驗(yàn)結(jié)果
①分析了氧傳感器加熱控制原理、傳感器與驅(qū)動(dòng)芯片的硬件連接以及主從芯片間通信及信號(hào)傳遞關(guān)系,設(shè)計(jì)了氧傳感器驅(qū)動(dòng)及故障診斷策略。
②根據(jù)氧傳感器的工作特點(diǎn),采用基于模型的設(shè)計(jì)方法建立了加熱溫度開、閉環(huán)控制和故障診斷策略,使其在發(fā)動(dòng)機(jī)常工況、變工況的條件下,都能有效檢測(cè)出傳感器的運(yùn)行故障,并快速、穩(wěn)定的工作在最佳狀態(tài),為空燃比控制精確的輸出信號(hào)的測(cè)量值。
③基于開放式ECU進(jìn)行了快速原型測(cè)試,并在大功率天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行了實(shí)際性能測(cè)試,試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工況發(fā)生改變時(shí),本文所設(shè)計(jì)的氧傳感器加熱控制策略收斂時(shí)間短,動(dòng)態(tài)響應(yīng)性好,能精準(zhǔn)快速的控制溫度波動(dòng),實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的反饋空燃比值。另外通過對(duì)比不同PID參數(shù)下過量空氣系數(shù)的變化情況,驗(yàn)證了溫度的控制效果影響了空燃比的測(cè)量精度,為下一步的空燃比數(shù)值的測(cè)量和修正提供了基礎(chǔ)。