专利名称：数控式宽带氧传感器控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种发 动机用宽带氧传感器的电子控制装置，尤其是通过数字信号处理功能并采用单片微处理器实现的宽带氧传感器的电子控制装置。
背景技术：
现代汽油发动机的燃油系统普遍采用闭环的方式来对空燃比进行控制，以便维持气缸中燃料与氧气的化学平衡，提高燃烧效率，减少排放。这就不可避免地要采用氧传感器来作为传感器件，对发动机排气中的含氧量进行检测。在汽油发动机引入了动态停缸技术的情况下，其空燃比将大大提高，远远超过普通窄带氧传感器的正常工作范围，因而必须引入宽带氧传感器来进行燃油系统的闭环控制。宽带氧传感器本身不能够单独工作，它必须有专门的加热器供电系统、泵电流闭环控制系统和泵电流检测放大系统。这一系列电路单元共同支持宽带氧传感器的工作，从而构成了专门的宽带氧传感器控制器。中国实用新型专利申请201120221221. 3披露了宽带氧传感器控制器的工作原理与电路结构。它将宽带氧传感器信号处理成为动态停缸控制所需要的信号格式，以便实现燃油系统在动态停缸状态下的闭环控制。在汽油发动机引入动态停缸技术的情况下，其空燃比将随着动态停缸的控制程度而发生变化。因此还必须采用氧传感器信号处理电路来参与控制，以便将在不同空燃比情况下的宽带氧传感器信号处理成为能够模仿普通窄带氧传感器特征的信号，以原车的发动机控制器(ECU)所能够接受的方式注入到ECU之中，使得原车ECU在多种较高的空燃比之下能够继续维持闭环控制操作。本实用新型对上述宽带氧传感器控制器中能够进行数字化的部位进行了数字化改造，并且将所有涉及数字化处理的功能集成到单片微处理器之中。
发明内容本实用新型是一种通过数字信号处理功能实现的宽带氧传感器的电子控制装置。 它主要由以单片微处理器为主的电子线路所构成，用来实现对宽带氧传感器的数字控制和
数字信号处理。在现代汽油发动机中，氧传感器普遍被用来进行燃油系统和空燃比的闭环控制。 在发动机引入动态停缸技术的情况下，其空燃比将随着动态停缸占空比而发生变化。因此必须引入宽带氧传感器并且使之在本实用新型的控制下，才能够在各种不同的空燃比情况下的实现燃油系统的闭环控制。本实用新型的输入信号来自宽带氧传感器。宽带氧传感器的典型产品为德国“博世”公司的LSU4. 2系列产品。该系列产品又分为多种型号，以便通过不同的接插件与不同的车型配合使用。它们的共同特点都是具有五根引线，而其接插件则为六芯的。其中与本实用新型相关的接插件线端为泵电流注入端和泵电流检测端。本实用新型的输出信号为模仿普通窄带氧传感器特征的信号，即信号的中点值为450毫伏；信号的幅度值最大在0毫伏到900毫伏之间来回摆动，最小在100毫伏到800毫伏之间来回摆动，信号幅度在目标空燃比附近剧烈变化，如图1所示。其信号特征与普通窄带氧传感器的信号特征完全兼容，以便于直接送入常规的发动机控制器(ECU)，实现燃油系统的闭环控制。输出信号的幅值远低于450毫伏表示氧含量偏高，混合气偏稀，或空燃比偏高。反之，输出信号的幅值远高于450毫伏则表示氧含量偏低，混合气偏浓，或空燃比偏低。 本实用新型采用数字信号处理的方式来实现其关键功能。宽带氧传感器的泵电流首先经过采样电阻转换成为差分电压信号。该差分电压信号再经过差分放大器进行放大。 经过差分放大器放大的信号被转换成为非差分的形式，随即被送入到模数转换器(A/D)，被转换成为数字信号。该数字信号先经过数字式低通滤波处理，然后再根据当前的空燃比控制目标值及控制目标的允许偏差值进行线性变换计算，得到相应的输出数据。该输出数据随即被送入到数模转换器(D/A)，被还原成为模拟信号。该模拟信号经过输出缓冲和幅度衰减即成为本实用新型的输出信号NB0UT。本实用新型在数字化控制的情况下，对多档不同目标空燃比的控制就变得十分简单明了。多档不同的空燃比控制目标值及其允许偏差值被储存在控制参数表格之中，只要根据当前的空燃比控制输入数据选择出需要的控制参数来进行计算与处理，就能够轻而易举地实现多档可变目标空燃比的控制。空燃比控制输入数据的形式为二进制或其它任意编码方式，其字长一般为一位到三位。于是就可能实现从两档到八档可变目标空燃比的控制。本实用新型对目标空燃比的有效控制范围在一点零零(1. 00)到三点零零(3. 00) 之间。为配合不同的动态停缸控制器工作，本实用新型对目标空燃比的实用控制目标值分别为一点零零(1.00)；一点一七(1. 17)；一点二五(1.25)；一点三三(1.33)；一点四零 (1. 40)；一点五零(1. 50)；一点六七(1. 67)；一点七五(1. 75) ；二点零零(2. 00) ；二点二五 (2. 25) ；二点三三(2. 33) ；二点五零(2. 50) ；二点六七(2. 67) ；二点七五(2. 75)和三点零零(3. 00)。具体的空燃比控制目标值应当由动态停缸占空比来决定。动态停缸占空比的数值越大，相应的空燃比控制目标值就越大。本实用新型可以通过以单片微处理器为主的电子线路来实现。其中数字信号处理部分可以全部被集成到单片微处理器之中。现代单片微处理器之中一般都还集成有模数转换器(A/D)和数模转换器(D/A)，甚至还有运算放大器，于是本实用新型的集成度可以进一步得到提高。这样就能够进一步提高可靠性，并且降低成本。单片微处理器所集成的模数转换器(A/D)和数模转换器(D/A)的字长一般为八位或十位，足以满足本实用新型所需要的精度。除了单片微处理器之外，近年来问世的新型数模混合可编程器件或系统平台管理器件也不失为实施本实用新型的最佳选择。本实用新型还具有数字化的校正功能。初次进行数字化系统校正时所产生的有关重要数据可以被储存起来，供以后反复调用。有关数字化系统校正的重要参数至少包括输入端的中点电压，输出端的中点电压，以及输入端差分放大器的增益电压等。本实用新型所设置的校正开关，能够指令单片微处理器在校正状况下读入并储存这些有关系统校正的重要数据。数字化的校正功能免除了诸如微调电位器之类的常规的模拟式调节校正机构，能够进一步提高稳定性与可靠性，并且降低成本。本实用新型的性能特点为体积小，重量轻，功耗低，可靠性高，使用寿命长。数字式控制输入，性能稳定，易于操作，且控制目标空燃比分多档可调。[0016]本实用新型的有益效果是，能够对汽油发动机实现燃油系统的可变空燃比控制， 可以配合发动机动态停缸控制器对各种结构和各种燃料的点燃式发动机实现动态停缸控制，以便提高发动机的燃油转换效率和使用寿命。本实用新型的所能够实现的相对空燃比在1. 00到3. 00之间。采用本实用新型能够实现从常规发动机(相对空燃比等于1. 00)到高空燃比(相对空燃比大于1.00)发动机的改造。本实用新型还适用于稀质燃烧发动机燃油系统的闭环控制。本实用新型能够广泛运用于各种采用汽油发动机作为动力的车辆、船舶和工程机械。它不仅能够在后装市场领域进行实施，而且还能够被集成到原车的发动机控制器(ECU) 之中，在前装市场领域进行实施。
图1是本 实用新型输出信号NBOUT的波形图。图2是本实用新型的电路原理框图。图中10.泵电流采样电阻，12.泵电流注入端口，14.泵电流检测端口，20.差分测量放大器，30.模数转换器(A/D)，40.数字信号处理模块(DSP)，50.数模转换器(D/A)， 60.输出缓冲器，70.输出衰减器，75.输出信号NB0UT，80.空燃比控制接口，90.数字化校正模块，95.校正开关。图3是本实用新型集成到单片微处理器或数模混合可编程器件之后的结构框图。图中10.泵电流采样电阻，12.泵电流注入端口，14.泵电流检测端口，20.差分测量放大器，60.输出缓冲器，70.输出衰减器，75.输出信号NB0UT，80.空燃比控制接口， 95.校正开关，100.单片微处理器或数模混合可编程器件。
具体实施方式
以下结合附图和实施实例对本实用新型作进一步说明。图1是本实用新型的输出信号NBOUT的波形图。该波形图也即是普通窄带氧传感器的输出波形图。其中点电压为450毫伏，其幅度的峰-峰值在800毫伏到900毫伏之间， 其变化频率在1赫兹到20赫兹之间。图2是本实用新型的电路原理框图。该电路由泵电流采样电阻(10)、泵电流注入端口(12)、泵电流检测端口(14)、差分测量放大器(20)、模数转换器(A/D) (30)、数字信号处理模块(DSP) (40)、数模转换器(D/A) (50)、输出缓冲器(60)、输出衰减器(70)、空燃比控制接口(80)、数字化校正模块(90)和校正开关(95)所组成。宽带氧传感器在工作时所需的氧离子泵电流(Ip)从泵电流注入端口(12)进入电路，流经泵电流采样电阻(10)之后，再经过泵电流检测端口(14)流出。于是在泵电流采样电阻(10)的两端就获得了与泵电流(Ip)成正比的采样电压。该采样电压以差分电压的形式出现在泵电流采样电阻(10)的两端，幅度很小，所以必须采用差分测量放大器(20)来进行放大，同时将信号转换成为便于模数转换器(A/D) (30)接受的非差分电压的形式。差分测量放大器(20)由两端口差分输入和单端口非差分输出的运算放大器所组成，其总直流增益一般在30到120之间，视空燃比的量程而定。模数转换器(A/D) (30)将代表泵电流 (Ip)的模拟电压转换成为数字电压信号。数字信号处理模块(DSP) (40)旋即对这一数字电压信号进行处理。数字信号处理所得到的数字量被送往数模转换器(D/A) (50)，经过转换后所得到的电压信号代表了相对于目标空燃比的偏差。为获得符合要求的输出波形NBOUT，从数模转换器(50)输出的波形，无论其峰-峰值幅度为何，都应当通过输出缓冲器(60)和输出衰减器(70)将其衰减到800毫伏至900毫伏的峰-峰值。数字信号处理模块(DSP) (40)的功能包括，但不仅仅限于，数字式 低通滤波器，目标空燃比控制数据的读入，当前空燃比控制目标值及其允许偏差值的储存和查找，从输入量到输出量的线性变换计算，从输入量到输出量的中点值映射计算，对越界数据的限幅处理，数字化校正操作和校正数据处理等。在本实用新型中，模数转换器(A/D) (30)和数模转换器(D/A) (50)的有效字长一般为八位到十位，即可满足对于控制精度的需求。对应的数字信号处理模块(DSP) (40)的字长也应当不少于八位，最好是能够达到16位。数字信号处理的功能最好能够采用单片微处理器或者数模混合可编程器件来实现。模数转换器(A/D) (30)和数模转换器(D/A) (50) 也希望能够被集成到单片微处理器或者数模混合可编程器件之中，以期能够获得更高的可靠性和更低的成本。空燃比控制接口(80)用于从外界或上级控制设备，如发动机动态停缸控制器，输入目标空燃比的控制数据。该数据的字长为一位到三位，足以实现从从两档到八档的可变目标空燃比的控制。空燃比控制接口(80)的输入信号幅度为TTL电平或CMOS电平。数字化校正模块(90)主要由校正操作程序所组成。它在校正开关(95)的指令下，能够读入和储存输入端的中点电压数据，也即差分测量放大器(20)在零输入时的输出电压数据；并且还能够调节和储存输出端的中点电压数据，也即本实用新型在无空燃比偏差时的输出电压数据；另外还能够读入和储存差分放大器的增益电压数据，据此可以推算出差分放大器的实际增益，以做出相应的补偿。图3是本实用新型集成到单片微处理器或数模混合可编程器件之后的结构框图。 图2中的模数转换器(A/D) (30)、数字信号处理模块(DSP) (40)、数模转换器(D/A) (50) 和数字化校正模块(90)四个功能模块被集成到了单片微处理器或数模混合可编程器件 (100)之中。最后只剩下纯模拟部分和无法进行集成的部分被放置在片外，如空燃比控制接口(80)和校正开关(95)等。近年来带有模数转换器和/或数模转换器的单片微处理器产品比比皆是，再加上最新问世的新型数模混合可编程器件或系统平台管理器件，它们都为本实用新型的实施提供了最佳器件选择。此类器件还具有完善的程序代码保密措施，可以防止非法复制和盗用程序代码。
权利要求1.一种发动机用宽带氧传感器电子控制装置，其特征在于由泵电流采样电阻(10)、 泵电流注入端口(12)、泵电流检测端口(14)、差分测量放大器(20)、模数转换器(A/D) (30)、数字信号处理模块(DSP) (40)、数模转换器(D/A) (50)、输出缓冲器(60)、输出衰减器 (70)、空燃比控制接口(80)、数字化校正模块(90)和校正开关(95)所组成。
2.根据权利要求1所述的宽带氧传感器电子控制装置，其特征在于所有涉及数字化处理的功能，包括但不仅仅限于，模数转换器(A/D) (30)、数字信号处理模块(DSP) (40)、数模转换器(D/A) (50)和数字化校正模块(90)，都被集成到单片微处理器或数模混合可编程器件之中。
3.根据权利要求1所述的宽带氧传感器电子控制装置，其特征在于数字信号处理模块GO)的功能包括，但不仅仅限于，数字式低通滤波器，目标空燃比控制数据的读入，当前空燃比控制目标值及其允许偏差值的储存和查找，从输入量到输出量的线性变换计算，从输入量到输出量的中点值映射计算，对越界数据的限幅处理，数字化校正操作和校正数据处理。
4.根据权利要求1所述的宽带氧传感器电子控制装置，其特征在于差分测量放大器 (20)为两端口差分输入和单端口非差分输出的运算放大器，其总直流增益在30至120之间。
5.根据权利要求1所述的宽带氧传感器电子控制装置，其特征在于模数转换器(A/D) (30)和数模转换器(D/A) (50)的有效字长为八位到十位。
6.根据权利要求1所述的宽带氧传感器电子控制装置，其特征在于输出衰减器(70) 将来自输出缓冲器(60)的任何峰-峰值幅度的信号衰减到800毫伏至900毫伏的峰-峰值，或者是任何能够模仿普通窄带氧传感器特征的信号幅值。
7.根据权利要求1所述的宽带氧传感器电子控制装置，其特征在于空燃比控制接口 (80)的字长为一位到三位，能够实现从两档到八档的可变目标空燃比的控制。
8.根据权利要求1所述的宽带氧传感器电子控制装置，其特征在于数字化校正模块 (90)的功能包括，但不仅仅限于，执行校正开关(95)的指令；读入和储存输入端的中点电压数据；调节和储存输出端的中点电压校正数据；以及读入和储存差分放大器的增益电压数据。
9.根据权利要求1所述的宽带氧传感器电子控制装置，其特征在于对目标空燃比的有效控制范围在一点零零(1.00)到三点零零(3.00)之间。
10.根据权利要求1所述的宽带氧传感器电子控制装置，其特征在于对目标空燃比的具体控制目标值可以在一点零零(1.00)；一点一七(1. 17)；一点二五(1.25)；一点三三 (1. 33)；一点四零(1. 40)；一点五零(1. 50)；一点六七(1. 67)；一点七五(1. 75) ；二点零零 (2. 00) ；二点二五(2. 25) ；二点三三(2. 33) ；二点五零(2. 50) ；二点六七(2. 67) ；二点七五 (2. 75)和三点零零(3. 00)之间进行选取。
专利摘要本实用新型是一种通过数字信号处理功能实现的发动机宽带氧传感器电子控制装置。它主要由以单片微处理器为主的电子线路所构成，用来实现对宽带氧传感器的数字控制和数字信号处理。在发动机引入动态停缸技术(Dynamic Cylinder Deactivation，简写为DCD)的情况下，其空燃比将随着动态停缸占空比而发生变化。因此必须引入宽带氧传感器并使之在本实用新型的控制下，才能够在各种不同的空燃比情况下实现燃油系统的闭环控制。
文档编号F02D41/26GK202117781SQ20112024131
公开日2012年1月18日 申请日期2011年7月11日 优先权日2011年7月11日
发明者周弼芸, 赵元平, 赵元藩 申请人:赵元藩