專利名稱：數控式寬帶氧傳感器控制器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種發 動機用寬帶氧傳感器的電子控制裝置，尤其是通過數字信號處理功能并采用單片微處理器實現的寬帶氧傳感器的電子控制裝置。
背景技術：
現代汽油發動機的燃油系統普遍采用閉環的方式來對空燃比進行控制，以便維持氣缸中燃料與氧氣的化學平衡，提高燃燒效率，減少排放。這就不可避免地要采用氧傳感器來作為傳感器件，對發動機排氣中的含氧量進行檢測。在汽油發動機引入了動態停缸技術的情況下，其空燃比將大大提高，遠遠超過普通窄帶氧傳感器的正常工作范圍，因而必須引入寬帶氧傳感器來進行燃油系統的閉環控制。寬帶氧傳感器本身不能夠單獨工作，它必須有專門的加熱器供電系統、泵電流閉環控制系統和泵電流檢測放大系統。這一系列電路單元共同支持寬帶氧傳感器的工作，從而構成了專門的寬帶氧傳感器控制器。中國實用新型專利申請201120221221. 3披露了寬帶氧傳感器控制器的工作原理與電路結構。它將寬帶氧傳感器信號處理成為動態停缸控制所需要的信號格式，以便實現燃油系統在動態停缸狀態下的閉環控制。在汽油發動機引入動態停缸技術的情況下，其空燃比將隨著動態停缸的控制程度而發生變化。因此還必須采用氧傳感器信號處理電路來參與控制，以便將在不同空燃比情況下的寬帶氧傳感器信號處理成為能夠模仿普通窄帶氧傳感器特征的信號，以原車的發動機控制器(ECU)所能夠接受的方式注入到ECU之中，使得原車ECU在多種較高的空燃比之下能夠繼續維持閉環控制操作。本實用新型對上述寬帶氧傳感器控制器中能夠進行數字化的部位進行了數字化改造，并且將所有涉及數字化處理的功能集成到單片微處理器之中。
發明內容本實用新型是一種通過數字信號處理功能實現的寬帶氧傳感器的電子控制裝置。 它主要由以單片微處理器為主的電子線路所構成，用來實現對寬帶氧傳感器的數字控制和
數字信號處理。在現代汽油發動機中，氧傳感器普遍被用來進行燃油系統和空燃比的閉環控制。 在發動機引入動態停缸技術的情況下，其空燃比將隨著動態停缸占空比而發生變化。因此必須引入寬帶氧傳感器并且使之在本實用新型的控制下，才能夠在各種不同的空燃比情況下的實現燃油系統的閉環控制。本實用新型的輸入信號來自寬帶氧傳感器。寬帶氧傳感器的典型產品為德國“博世”公司的LSU4. 2系列產品。該系列產品又分為多種型號，以便通過不同的接插件與不同的車型配合使用。它們的共同特點都是具有五根引線，而其接插件則為六芯的。其中與本實用新型相關的接插件線端為泵電流注入端和泵電流檢測端。本實用新型的輸出信號為模仿普通窄帶氧傳感器特征的信號，即信號的中點值為450毫伏；信號的幅度值最大在0毫伏到900毫伏之間來回擺動，最小在100毫伏到800毫伏之間來回擺動，信號幅度在目標空燃比附近劇烈變化，如圖1所示。其信號特征與普通窄帶氧傳感器的信號特征完全兼容，以便于直接送入常規的發動機控制器(ECU)，實現燃油系統的閉環控制。輸出信號的幅值遠低于450毫伏表示氧含量偏高，混合氣偏稀，或空燃比偏高。反之，輸出信號的幅值遠高于450毫伏則表示氧含量偏低，混合氣偏濃，或空燃比偏低。 本實用新型采用數字信號處理的方式來實現其關鍵功能。寬帶氧傳感器的泵電流首先經過采樣電阻轉換成為差分電壓信號。該差分電壓信號再經過差分放大器進行放大。 經過差分放大器放大的信號被轉換成為非差分的形式，隨即被送入到模數轉換器(A/D)，被轉換成為數字信號。該數字信號先經過數字式低通濾波處理，然后再根據當前的空燃比控制目標值及控制目標的允許偏差值進行線性變換計算，得到相應的輸出數據。該輸出數據隨即被送入到數模轉換器(D/A)，被還原成為模擬信號。該模擬信號經過輸出緩沖和幅度衰減即成為本實用新型的輸出信號NB0UT。本實用新型在數字化控制的情況下，對多檔不同目標空燃比的控制就變得十分簡單明了。多檔不同的空燃比控制目標值及其允許偏差值被儲存在控制參數表格之中，只要根據當前的空燃比控制輸入數據選擇出需要的控制參數來進行計算與處理，就能夠輕而易舉地實現多檔可變目標空燃比的控制。空燃比控制輸入數據的形式為二進制或其它任意編碼方式，其字長一般為一位到三位。于是就可能實現從兩檔到八檔可變目標空燃比的控制。本實用新型對目標空燃比的有效控制范圍在一點零零(1. 00)到三點零零(3. 00) 之間。為配合不同的動態停缸控制器工作，本實用新型對目標空燃比的實用控制目標值分別為一點零零(1.00)；一點一七(1. 17)；一點二五(1.25)；一點三三(1.33)；一點四零 (1. 40)；一點五零(1. 50)；一點六七(1. 67)；一點七五(1. 75) ；二點零零(2. 00) ；二點二五 (2. 25) ；二點三三(2. 33) ；二點五零(2. 50) ；二點六七(2. 67) ；二點七五(2. 75)和三點零零(3. 00)。具體的空燃比控制目標值應當由動態停缸占空比來決定。動態停缸占空比的數值越大，相應的空燃比控制目標值就越大。本實用新型可以通過以單片微處理器為主的電子線路來實現。其中數字信號處理部分可以全部被集成到單片微處理器之中。現代單片微處理器之中一般都還集成有模數轉換器(A/D)和數模轉換器(D/A)，甚至還有運算放大器，于是本實用新型的集成度可以進一步得到提高。這樣就能夠進一步提高可靠性，并且降低成本。單片微處理器所集成的模數轉換器(A/D)和數模轉換器(D/A)的字長一般為八位或十位，足以滿足本實用新型所需要的精度。除了單片微處理器之外，近年來問世的新型數模混合可編程器件或系統平臺管理器件也不失為實施本實用新型的最佳選擇。本實用新型還具有數字化的校正功能。初次進行數字化系統校正時所產生的有關重要數據可以被儲存起來，供以后反復調用。有關數字化系統校正的重要參數至少包括輸入端的中點電壓，輸出端的中點電壓，以及輸入端差分放大器的增益電壓等。本實用新型所設置的校正開關，能夠指令單片微處理器在校正狀況下讀入并儲存這些有關系統校正的重要數據。數字化的校正功能免除了諸如微調電位器之類的常規的模擬式調節校正機構，能夠進一步提高穩定性與可靠性，并且降低成本。本實用新型的性能特點為體積小，重量輕，功耗低，可靠性高，使用壽命長。數字式控制輸入，性能穩定，易于操作，且控制目標空燃比分多檔可調。[0016]本實用新型的有益效果是，能夠對汽油發動機實現燃油系統的可變空燃比控制， 可以配合發動機動態停缸控制器對各種結構和各種燃料的點燃式發動機實現動態停缸控制，以便提高發動機的燃油轉換效率和使用壽命。本實用新型的所能夠實現的相對空燃比在1. 00到3. 00之間。采用本實用新型能夠實現從常規發動機(相對空燃比等于1. 00)到高空燃比(相對空燃比大于1.00)發動機的改造。本實用新型還適用于稀質燃燒發動機燃油系統的閉環控制。本實用新型能夠廣泛運用于各種采用汽油發動機作為動力的車輛、船舶和工程機械。它不僅能夠在后裝市場領域進行實施，而且還能夠被集成到原車的發動機控制器(ECU) 之中，在前裝市場領域進行實施。
圖1是本 實用新型輸出信號NBOUT的波形圖。圖2是本實用新型的電路原理框圖。圖中10.泵電流采樣電阻，12.泵電流注入端口，14.泵電流檢測端口，20.差分測量放大器，30.模數轉換器(A/D)，40.數字信號處理模塊(DSP)，50.數模轉換器(D/A)， 60.輸出緩沖器，70.輸出衰減器，75.輸出信號NB0UT，80.空燃比控制接口，90.數字化校正模塊，95.校正開關。圖3是本實用新型集成到單片微處理器或數模混合可編程器件之后的結構框圖。圖中10.泵電流采樣電阻，12.泵電流注入端口，14.泵電流檢測端口，20.差分測量放大器，60.輸出緩沖器，70.輸出衰減器，75.輸出信號NB0UT，80.空燃比控制接口， 95.校正開關，100.單片微處理器或數模混合可編程器件。
具體實施方式
以下結合附圖和實施實例對本實用新型作進一步說明。圖1是本實用新型的輸出信號NBOUT的波形圖。該波形圖也即是普通窄帶氧傳感器的輸出波形圖。其中點電壓為450毫伏，其幅度的峰-峰值在800毫伏到900毫伏之間， 其變化頻率在1赫茲到20赫茲之間。圖2是本實用新型的電路原理框圖。該電路由泵電流采樣電阻(10)、泵電流注入端口(12)、泵電流檢測端口(14)、差分測量放大器(20)、模數轉換器(A/D) (30)、數字信號處理模塊(DSP) (40)、數模轉換器(D/A) (50)、輸出緩沖器(60)、輸出衰減器(70)、空燃比控制接口(80)、數字化校正模塊(90)和校正開關(95)所組成。寬帶氧傳感器在工作時所需的氧離子泵電流(Ip)從泵電流注入端口(12)進入電路，流經泵電流采樣電阻(10)之后，再經過泵電流檢測端口(14)流出。于是在泵電流采樣電阻(10)的兩端就獲得了與泵電流(Ip)成正比的采樣電壓。該采樣電壓以差分電壓的形式出現在泵電流采樣電阻(10)的兩端，幅度很小，所以必須采用差分測量放大器(20)來進行放大，同時將信號轉換成為便于模數轉換器(A/D) (30)接受的非差分電壓的形式。差分測量放大器(20)由兩端口差分輸入和單端口非差分輸出的運算放大器所組成，其總直流增益一般在30到120之間，視空燃比的量程而定。模數轉換器(A/D) (30)將代表泵電流 (Ip)的模擬電壓轉換成為數字電壓信號。數字信號處理模塊(DSP) (40)旋即對這一數字電壓信號進行處理。數字信號處理所得到的數字量被送往數模轉換器(D/A) (50)，經過轉換后所得到的電壓信號代表了相對于目標空燃比的偏差。為獲得符合要求的輸出波形NBOUT，從數模轉換器(50)輸出的波形，無論其峰-峰值幅度為何，都應當通過輸出緩沖器(60)和輸出衰減器(70)將其衰減到800毫伏至900毫伏的峰-峰值。數字信號處理模塊(DSP) (40)的功能包括，但不僅僅限于，數字式 低通濾波器，目標空燃比控制數據的讀入，當前空燃比控制目標值及其允許偏差值的儲存和查找，從輸入量到輸出量的線性變換計算，從輸入量到輸出量的中點值映射計算，對越界數據的限幅處理，數字化校正操作和校正數據處理等。在本實用新型中，模數轉換器(A/D) (30)和數模轉換器(D/A) (50)的有效字長一般為八位到十位，即可滿足對于控制精度的需求。對應的數字信號處理模塊(DSP) (40)的字長也應當不少于八位，最好是能夠達到16位。數字信號處理的功能最好能夠采用單片微處理器或者數模混合可編程器件來實現。模數轉換器(A/D) (30)和數模轉換器(D/A) (50) 也希望能夠被集成到單片微處理器或者數模混合可編程器件之中，以期能夠獲得更高的可靠性和更低的成本。空燃比控制接口(80)用于從外界或上級控制設備，如發動機動態停缸控制器，輸入目標空燃比的控制數據。該數據的字長為一位到三位，足以實現從從兩檔到八檔的可變目標空燃比的控制。空燃比控制接口(80)的輸入信號幅度為TTL電平或CMOS電平。數字化校正模塊(90)主要由校正操作程序所組成。它在校正開關(95)的指令下，能夠讀入和儲存輸入端的中點電壓數據，也即差分測量放大器(20)在零輸入時的輸出電壓數據；并且還能夠調節和儲存輸出端的中點電壓數據，也即本實用新型在無空燃比偏差時的輸出電壓數據；另外還能夠讀入和儲存差分放大器的增益電壓數據，據此可以推算出差分放大器的實際增益，以做出相應的補償。圖3是本實用新型集成到單片微處理器或數模混合可編程器件之后的結構框圖。 圖2中的模數轉換器(A/D) (30)、數字信號處理模塊(DSP) (40)、數模轉換器(D/A) (50) 和數字化校正模塊(90)四個功能模塊被集成到了單片微處理器或數模混合可編程器件 (100)之中。最后只剩下純模擬部分和無法進行集成的部分被放置在片外，如空燃比控制接口(80)和校正開關(95)等。近年來帶有模數轉換器和/或數模轉換器的單片微處理器產品比比皆是，再加上最新問世的新型數模混合可編程器件或系統平臺管理器件，它們都為本實用新型的實施提供了最佳器件選擇。此類器件還具有完善的程序代碼保密措施，可以防止非法復制和盜用程序代碼。
權利要求1.一種發動機用寬帶氧傳感器電子控制裝置，其特征在于由泵電流采樣電阻(10)、 泵電流注入端口(12)、泵電流檢測端口(14)、差分測量放大器(20)、模數轉換器(A/D) (30)、數字信號處理模塊(DSP) (40)、數模轉換器(D/A) (50)、輸出緩沖器(60)、輸出衰減器 (70)、空燃比控制接口(80)、數字化校正模塊(90)和校正開關(95)所組成。
2.根據權利要求1所述的寬帶氧傳感器電子控制裝置，其特征在于所有涉及數字化處理的功能，包括但不僅僅限于，模數轉換器(A/D) (30)、數字信號處理模塊(DSP) (40)、數模轉換器(D/A) (50)和數字化校正模塊(90)，都被集成到單片微處理器或數模混合可編程器件之中。
3.根據權利要求1所述的寬帶氧傳感器電子控制裝置，其特征在于數字信號處理模塊GO)的功能包括，但不僅僅限于，數字式低通濾波器，目標空燃比控制數據的讀入，當前空燃比控制目標值及其允許偏差值的儲存和查找，從輸入量到輸出量的線性變換計算，從輸入量到輸出量的中點值映射計算，對越界數據的限幅處理，數字化校正操作和校正數據處理。
4.根據權利要求1所述的寬帶氧傳感器電子控制裝置，其特征在于差分測量放大器 (20)為兩端口差分輸入和單端口非差分輸出的運算放大器，其總直流增益在30至120之間。
5.根據權利要求1所述的寬帶氧傳感器電子控制裝置，其特征在于模數轉換器(A/D) (30)和數模轉換器(D/A) (50)的有效字長為八位到十位。
6.根據權利要求1所述的寬帶氧傳感器電子控制裝置，其特征在于輸出衰減器(70) 將來自輸出緩沖器(60)的任何峰-峰值幅度的信號衰減到800毫伏至900毫伏的峰-峰值，或者是任何能夠模仿普通窄帶氧傳感器特征的信號幅值。
7.根據權利要求1所述的寬帶氧傳感器電子控制裝置，其特征在于空燃比控制接口 (80)的字長為一位到三位，能夠實現從兩檔到八檔的可變目標空燃比的控制。
8.根據權利要求1所述的寬帶氧傳感器電子控制裝置，其特征在于數字化校正模塊 (90)的功能包括，但不僅僅限于，執行校正開關(95)的指令；讀入和儲存輸入端的中點電壓數據；調節和儲存輸出端的中點電壓校正數據；以及讀入和儲存差分放大器的增益電壓數據。
9.根據權利要求1所述的寬帶氧傳感器電子控制裝置，其特征在于對目標空燃比的有效控制范圍在一點零零(1.00)到三點零零(3.00)之間。
10.根據權利要求1所述的寬帶氧傳感器電子控制裝置，其特征在于對目標空燃比的具體控制目標值可以在一點零零(1.00)；一點一七(1. 17)；一點二五(1.25)；一點三三 (1. 33)；一點四零(1. 40)；一點五零(1. 50)；一點六七(1. 67)；一點七五(1. 75) ；二點零零 (2. 00) ；二點二五(2. 25) ；二點三三(2. 33) ；二點五零(2. 50) ；二點六七(2. 67) ；二點七五 (2. 75)和三點零零(3. 00)之間進行選取。
專利摘要本實用新型是一種通過數字信號處理功能實現的發動機寬帶氧傳感器電子控制裝置。它主要由以單片微處理器為主的電子線路所構成，用來實現對寬帶氧傳感器的數字控制和數字信號處理。在發動機引入動態停缸技術(Dynamic Cylinder Deactivation，簡寫為DCD)的情況下，其空燃比將隨著動態停缸占空比而發生變化。因此必須引入寬帶氧傳感器并使之在本實用新型的控制下，才能夠在各種不同的空燃比情況下實現燃油系統的閉環控制。
文檔編號F02D41/26GK202117781SQ20112024131
公開日2012年1月18日 申請日期2011年7月11日 優先權日2011年7月11日
發明者周弼蕓, 趙元平, 趙元藩 申請人:趙元藩