宽带拉姆达传感器的分析和控制单元的制作方法

专利名称：宽带拉姆达传感器的分析和控制单元的制作方法
宽带拉姆达传感器的分析和控制单元 本发明涉及宽带拉姆达传感器的分析和控制单元。 现有技术为了达到现在所要求的机动车排放限值，使用了规定的三元催化转换器。其用 于大大降低废气成分一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物。其由一种陶瓷体组成，该陶 瓷体具有许多小的孔道并设置有贵金属涂料，这些贵金属涂料具有实际的催化剂功能。 如果废气掠过热的催化剂表面，所述的废气成分则分解为无害的化合物水、氮和二氧化碳。为了使所述的废气相互反应，发动机需要平衡的化学计量混合物，该混合物既 不允许是富的也不允许是贫的。这通过采用一种拉姆达传感器来保证，其中该拉姆达传 感器测量废气中的氧含量并将其通知给一个控制设备。该控制设备然后比如如此来影响 喷射装置，使得该喷射装置来提供当前所需的混合物。用作混合物比例传感器的氧传感器在US-A-4,568,443中被公开。在该氧传感器 中，传感器的测量元件构造有一个内部气体扩散室，该气体扩散室与外部空间相通，外 部空间包含有要测量的气体。该测量元件具有一个测量装置，该测量装置用于确定在内 部气体扩散室中气氛或者说气体的氧浓度，在该气体扩散室中有在预定扩散阻力下导入 的测量气体。该测量装置输出一个输出信号，该输出信号指示了氧浓度。此外该测量元 件还具有氧泵装置，该氧泵装置利用与该测量装置的输出信号有关的泵电流而被驱动， 使得在该气体扩散室中的氧浓度被保持为一个预定的值。传输给该氧泵装置的泵电流被 采集了一个参数，该参数描述了测量气体的氧浓度、也即通过空气/燃料混合物的燃烧 而产生的废气。在DE 198 38 466 Al中公开了用于控制测量探头、以确定气体混合物中、尤其 内燃机废气中氧浓度的一种方法。在此与氧浓度相对应的、由能斯脱测量元件所提供的 检测电压由一个电路配置转换为泵单元的泵电压。按照气体混合物中的氧含量，一个阳 极的或阴极的总电流流过该泵单元。在该测量探头稳定运行时，其中在一个可选的时间 段上在该测量探头中流过一个阳极的极限电流，给该泵单元和/或该能斯脱测量元件如 此施加了至少一个与所测量的检测电压无关地或者与产生的泵电流无关而提供的电压脉 冲，使得进行该测量探头的去极化。在DE 101 45 804 B4中公开了用于运行一种氮氧化物传感器以确定气体混合物 中、尤其机动车废气后处理时氮氧化物浓度的方法。在泵单元的内部泵电极与外部泵电 极之间施加了影响泵电流的一个泵电压。借助该泵电压，在第一测量室中通过氧气的泵 入或泵出来调节一个恒定的氧气分压力。该泵电压被如此来控制，使得在浓度单元的电 极上调节一个恒定的电压值。在第二测量室中所设置的NOx敏感的第三电极作为第二 泵单元而被运行，在该第二泵单元中调节一个极限泵电流，该极限泵电流指示了 NOx浓 度。在一个测量时间窗口内该泵电流被断开或者受控制地被降低，并采集NOx浓度。在DE 102 21 392 B4中公开了用于借助测量敏感元件来测量在测量气体中气体浓度的一种方法和一种装置。该测量敏感元件具有一个外部电极，该外部电极与一种固 体电解质相连并暴露于固定气体，该测量敏感元件还具有一个与该固体电解质相连的电 极，在这两个电极之间借助流过该固体电解质的泵电流能够泵入氧气。在此该泵电流在 该参考电极与该电极之间被驱动。作为泵电流周期地使用了一个脉冲序列，该脉冲序列 具有多个相同脉冲宽度的单个脉冲，其中用于调节泵电流电平的脉冲宽度由数字的或模 拟的调节器来调节。在DE 101 63 912 Al中公开了一种气体传感器、尤其一种拉姆达传感器以及用于 控制该气体传感器的一种方法。在此该气体传感器具有暴露于测量气体中的一个第一电 极以及暴露于参考气体中的一个第二电极。此外还设置有控制和分析电路。给该电路输 送了关于整个系统运行状态的信号。在运行状态中，其中测量气体充分地或者在气体成 分浓度上对应于参考气体，该控制和分析电路把该测量信号自动地与一个预给定值相比 较。这能够提供一种气体传感器，该气体传感器即使在应用于腐蚀性气体混合物中时也 具有长的寿命以及良好的测量精确度。
在DE 102 16 724 Cl中公开了用于运行宽带拉姆达传感器以确定在用燃料-空气 混合物驱动的内燃机废气中氧浓度的一种方法，其中在燃料后喷射期间在内燃机的贫运 行中和/或在拉姆达传感器的升温阶段来进行泵电压的重复换极。为了泵电压的重复换 极，在该泵单元上施加了具有恒定幅度的电压脉冲的脉冲序列，并通过根据能斯脱单元 的能斯脱电压对电压脉冲的脉宽调制来调节一个有效的泵电流。对此代替地，可以为了 泵电压的充分换极而在该泵单元上施加具有恒定脉宽的电压脉冲的脉冲序列，并通过根 据能斯脱单元的能斯脱电压改变该电压脉冲的幅度来调节一个有效的泵电流。可以在内 燃机的贫运行和富运行中一直保持对该脉冲单元的脉冲驱动。在DE 10 2004 047 797 Al中公开了另一种传感器元件，该传感器元件设置用于 确定内燃机废气中氧气分压力。该传感器元件包含有至少一个电化学测量单元，该电化 学测量单元包含有一个第一电极和一个第二电极，这两个电极通过一种固体电解质电连 接。该第二电极设置在一个气室中，该气室通过具有催化活性材料的一个第一元件和限 制扩散的一个第二元件与位于该传感器元件外部的测量气体相连接。该第一元件在测量 气体的扩散方向上具有至少Imm的长度。这能够使该传感器元件以放大的响应速度来测 量该测量气体的氧气分压力。另外在所谓不均衡测量气体或多成分测量气体的情况下也 能够进行氧气分压力的精确测量。此外还公开了由该申请人所开发的集成电路CJ125，其中它是一种宽带拉姆达传 感器的控制和放大电路。该电路连接在该宽带拉姆达传感器与微计算机之间。它的任务 尤其在于，借助一种模拟分析概念来分析由该宽带拉姆达传感器所提供的能斯脱电压， 并向该宽带拉姆达传感器传输与该能斯脱电压相关的泵电压。关于该集成电路的产品信 息可以访问因特网地址 www.semiconductors.bosch.de/pdf/CJ125_Product_Info.pdf。本发明的优点具有权利要求1所述特征的一种分析和控制单元所具有的优点是，它除了确定 泵电流调节器的实际值之外，还确定与该宽带拉姆达传感器的运行状态有关的另外的信 息，并将其在数字接口上提供。所述的另外的信息可以以多种方式而被使用，比如用于 实现按照CARB的电缆诊断，用于保证该宽带拉姆达传感器的电极端子RE、IPE和APE在每个运 行状态中都不偏离OV至Umax的允许电压范围，用于连续观测宽带拉姆达传感 器的电极极性，用于关于其老化来监控该拉姆达传感器，用于在存在限流传感器的情况 观测拉姆达1通路(Lambdal-Durchgang)并且用于检测本拉姆达传感器的运行预备程度。 由此扩展了分析和控制单元的功能。为了确定与宽带拉姆达传感器的运行状态有关的所述另外的信息，可以一同使 用原本就存在的、设置用于确定泵电流调节器实际值以及用于确定拉姆达传感器内部电 阻的信号处理单元。根据一个实施方案，由该信号处理单元所确定的与宽带拉姆达传感器的运行状 态有关的所述另外的信息通过一个模数转换器被直接输送给该数字接口。从这里它们可 以无延迟地比如输送给一个所连接的uC。该uC又可以分析所传输的另外的信息，并快 速地采取可能必要的响应，比如改变燃料混合物或者显示报警信号。一个可替选的实施方案是，把由该信号处理单元所确定的与该宽带拉姆达传感 器的运行状态有关的所述另外的信息在模数转换之后中间存储在该分析和控制单元的一 个中间存储器中，或者在那里进行收集，并把所收集的信息以数据突发(Datenburst)的形 式通过该数据字接口来输出。另一可替选的实施方案是，把由该信号处理单元所确定的与该宽带拉姆达传感 器的运行状态有关的所述另外的信息在模数转换之后以预给定的地址存储在该分析和控 制单元的一个中间存储器中，从而比如一个外部uC能够通过该数字接口通过该中间存储 器的合适寻址来访问所期望的与该宽带拉姆达传感器的运行状态有关的另外的信息。该分析和控制单元有利地具有一个唯一的泵电流源，该泵电流源通过一个开关 与该分析和控制单元的内部泵电极端子相连接，并通过另一开关与该分析和控制单元的 外部泵电极端子相连接。这能够通过合适地控制该开关来以所期望的方式来组织电流方 向。该泵电流有利地是一种脉冲形式的泵电流，其具有固定的频率、可变的占空比 和可调节的代数符号。这允许在该脉冲形式的泵电流的脉冲间隔期间来确定该泵电流调 节器的实际值、该拉姆达传感器的内部电阻以及与该拉姆达传感器的运行状态有关的另 外的信息。优选地该信号处理单元在每个脉冲间隔中采集数据，以确定该泵电流调节器的 实际值。这所具有的优点是，泵电流的调节可以快速地对变化的实际值做出反应。此外该信号处理单元还优选地在彼此相继的脉冲间隔中采集数据，以确定不同 的与该宽带拉姆达传感器的运行状态有关的另外的信息，其中这些数据优选地周期地被 采集。这降低了在每个脉冲间隔中所确定的信息的数量，并降低了对信号处理速度的要 求。优选地该分析和控制单元包含有一个参数存储器，在该参数存储器中存储有一 个数据组，该数据组对应于该数字调节器的预给定调节特性并能够通过SPI而被加载。这 使得能够结合不同类型的拉姆达传感器或者结合不同制造商的拉姆达传感器来使用该分 析和控制单元。比如该分析和控制单元能够结合申请人和其他制造商的具有参考电极的 宽带传感器而被使用，并且也能够结合限流传感器而被使用。该分析和控制单元能够以一个独立元件的形式而连接在相应存在的拉姆达传感器和控制设备之间，或者也对此代替地也可以以ASIC的形式是控制设备的集成组成部 分。由于能够把不同的参数数据组存储在该分析和控制单元中，还为此创造了前提即该分析和控制单元能够结合不同制造商的传感器而被使用。优选地该分析和控制单元具有多个另外的开关，其开关控制信号通过控制装置 来提供。借助这些另外的开关，能够有利地把该分析和控制单元的相应期望的一个端子 或多个端子与相应所期望的参照电位比如地相连接，以能够向该信号处理单元提供一个 目前所期望的测量值。该测量值的提供和其分析能够有利地在非常短的时间内进行，使 得整个系统能够快速地进行必要的步骤。本发明的其他有利的特征由下文借助附图对其进行的解释得到。附1示出了分析和控制单元的草图，该分析和控制单元与宽带拉姆达传感器、 插头和uC相连接。图2示出了用于产生脉冲形的泵电流的例子。图3示出了在

图1的信号处理单元5中信号处理的实施例。说明图1示出了一个分析和控制单元1的草图，它与宽带拉姆达传感器2、控制设备 3和传感器插头4相连接。该控制和分析单元1对此代替地也可以是控制设备的集成组成 部分，如通过虚线3’所示。该控制和分析单元1优选地以ASIC的形式来实现，也即以 专用集成电路的形式。该分析和控制单元1具有多个端子。在这些端子中有应用电阻端子RIR、应用电 阻端子RIP、校正电阻端子CAL、参考电极端子RE、测量输入端REM、内部泵电极端子 IPE,测量输入端APM、外部泵电极端子APE、测量输入端MEM、接地电阻端子RG、 测量输入端MES、电压供电端子UC5、UC3、UB禾PUCS、时钟输入端ΤΑΚΤ、曲轴信号 输入端KW0、4个SPI端子和一个接地端子GND。该控制和调节单元1的参考电极端子RE与该宽带拉姆达传感器2的参考电极端 子RE相连接。该控制和调节单元1的内部泵电极端子IPE与该宽带拉姆达传感器2的内 部泵电极端子IPE相连接。该控制和调节单元1的外部泵电极端子APE与该宽带拉姆达 传感器2的外部泵电极端子APE相连接。该控制和调节单元1的测量输入端MES通过 一个欧姆电阻Rctxte与该宽带拉姆达传感器2的泵电极端子APE相连接，其中该欧姆电阻 是插头4的组成部分。给该控制和调节单元1的时钟输入端TAKT输送了在μ C3中所产生的时钟信号 Takt。由uC3给该控制和调节单元1的输入端KWO输送了一个曲轴信号KW0。后者的 信号把在该控制和调节单元1中采集测量数据的时间点与发动机控制中的时间特性曲线 相耦合。此外uC3通过一个数据总线与该控制和调节单元1的作为SPI接口来实现的一个 数字接口 8相连接。在该uC3与该控制和调节单元1之间通过该数据总线来进行双向数 据交换。该控制和调节单元1的应用电阻端子RIR通过一个欧姆电阻Ripref与一个参考电位相连接，并在该控制和调节单元1内部与一个参考电流源12相连接。该控制和调节单元1的应用电阻端子RIP通过一个欧姆电阻Rip与地相连接，并在该控制和调节单元1内 部与一个泵电流源11相连接。该控制和调节单元1的校正电阻端子CAL通过一个欧姆 电阻Rcal与一个参考电位相连接，并在该控制和调节单元1内部通过一个开关S9与该参 考电流源12相连接。该控制和调节单元1的参考电极端子RE通过一个欧姆电阻Rfr与该测量输入端 REM相连接。该测量输入端REM通过一个电容器Cfr与该控制和调节单元1的内部泵 电极端子IPE相连接。与Rfr与Cfr的串联电路并联连接了另一电容器C；，该电容器C；从 而也连接在该宽带拉姆达传感器2的参考电极RE与该宽带拉姆达传感器2的内部泵电极 IPE之间。该控制和调节单元1的内部泵电极端子IPE通过一个电容器Cfp与该测量输入端 APM相连接。该测量输入端APM通过一个欧姆电阻Rfp与该控制和调节单元1的外部泵 电极端子APE相连接。与Rfp和Cfp的串联电路并联连接了一个电容器Cp，该电容器Cp 从而也连接在该宽带拉姆达传感器2的内部泵电极IPE与该宽带拉姆达传感器的外部泵电 极APE之间。此外与该电容器Cp并联连接了两个电容器Cstl和Cst2的串联电路。在该 电容器Cstl和Cst2之间的连接点与地相连接。该控制和调节单元1的外部泵电极端子APE通过一个电容器Cfm与该测量输入端 MEM相连接。该测量输入端MEM通过一个欧姆电阻Rfm与该控制和调节单元1的测量 输入端MES相连接。与Cfm和Rfm的串联电路并联地连接了一个测量电阻R_s。其从而 也与插头4的电阻Rcbd6相连接。该控制和调节单元1的接地电阻端子RG通过一个欧姆电阻Rgnd与地相连接。 该控制和调节单元1的测量输入端MES通过一个电容器Cst3与地相连接。在该控制和调节单元1内部，该控制和调节单元1的参考电极端子RE通过一个 开关SlO连接到该参考电流源12上。此外该参考电极端子RE通过两个开关S8和Sll 的串联电路与一个参考电压Xvm · U。。相连接。在开关S8和Sll之间的连接点通过一 个开关S4与地相连接。此外在开关S8和Sll之间的连接点还与该控制和调节单元1的 内部泵电极端子IPE相连接。该控制和调节单元1的内部泵电极端子IPE在该控制和调节单元1内部此外还 通过一个开关S2与该控制和调节单元1的接地电阻端子RG相连接。该外部泵电极端子 APE在该控制和调节单元1内部通过一个开关Sl与该控制和调节单元的接地电阻端子RG 相连接。另外该控制和调节单元1的外部泵电极端子APE在该控制和调节单元内部还通 过一个开关S3置于地GND上。该控制和调节单元1的接地电阻端子RG在该控制和调节单元1内部通过一个开 关S12与该控制和调节单元1的测量输入端MES相连接。最后该控制和调节单元1的测 量输入端MES在该控制和调节单元1内部通过一个开关S5与地GND相连接。上述开关Si，…，S12的开关控制信号sl，…，sl2由一个控制装置10来提供。 该控制装置10根据时钟信号Takt、数据信号和该数字调节器7的输出信号来生成这些开 关控制信号，其中该时钟信号由控制设备3’来提供，数据信号由uC3来提供并通过该数 字接口8而被输送给该控制装置。该数字调节器7的主要任务是，由输送给它的输入信号来为该控制 装置10生成泵电流调节信号并将其输送给该控制装置10。该泵电流调节信 号影响着该脉冲形的泵电流的脉冲宽度和电流方向。该数字调节器7为了确定它的为该控制装置10而设置的泵电流调节信号而把通 过该模数转换器6输送给它的实际值信号与理论值信号进行比较，并根据该比较结果来 生成该泵电流调节信号。该控制装置10在输出侧还与该信号处理单元5和该模数转换器6相连接，以向 该元件组输送时间控制信号，这些时间控制信号与该时钟信号Takt相同步。该数字调节器7与一个中间存储器9a相连接。该中间存储器9a设置用于存储 该泵电流脉冲的占空比和代数符号以及前述的与该宽带拉姆达传感器的运行状态有关的 另外的信息。将与运行状态有关的另外的信息在该中间存储器9a中进行存储的目的是 在该中间存储器中收集所述的与该宽带拉姆达传感器的运行状态有关的另外的信息，并 然后把所收集的另外的信息以数据突发的形式通过该数字接口 8传输到该控制设备3。对此代替地，也可以把该泵电流脉冲的占空比和代数符号以及所述的与该宽带 拉姆达传感器2的运行状态有关的另外的信息在预给定地址上存储到该中间存储器9a 中。在该情况下，对于该外部控制设备3能够通过该中间存储器9a的合适寻址通过该数 字接口 8有针对地访问与该宽带拉姆达传感器2的运行状态有关的期望信息。此外该数字调节器7还与一个参数存储器9b相连接。在该参数存储器9b中存储 有一个数据组，该数据组对应于该数字调节器7的预给定的调节特性。该调节特性被分 配给确定类型的拉姆达传感器2。由于能够在该存储器9b中改变相应所需的调节特性， 该控制和调节单元1从而能够与不同的拉姆达传感器类型一起应用。该控制和调节单元 1的这种通用的可适用性允许以ASIC的形式大量地制造该控制和调节单元1。从而把这 种控制和调节单元的制造成本保持为相对较低。该信号处理单元5用于确定泵电流调节器7的实际值，并用于为该宽带拉姆达 传感器2的内阻R1的确定来进行信号处理。此外，在本发明中，该信号处理单元5还设 置用于确定与该宽带拉姆达传感器的运行状态有关的所述另外的信息。为了能够执行这 些任务，该信号处理单元5在输入侧与外部泵电极端子APE、内部泵电极端子IPE、测量 输入端REM、测量输入端APM、校正电阻端子CAL、测量输入端MEM和接地电阻端子 RG相连接，并从那里获取输入信号，这些输入信号能够实现相应的所期望的测量值的采 集。为了提供所期望的测量值，一个差分放大器的输入端通过由该控制装置10所控制的 多路复用器分别与两个要采集的电位相连接。该差分放大器对该差分信号进行放大，并 与所定义的电位参考一起转发到该ADC。该控制装置10如此来为开关S6和S7生成开关控制信号S6和S7，使得在内部以 及外部泵电极端子上产生脉冲形式、具有固定频率、可变占空比和可调节代数符号的脉 冲电流。此外该控制装置10还如此为另外的开关生成开关控制信号，使得在脉冲间隔期 间以及在脉冲形的泵电流信号的电流脉冲期间能够采集相应所期望的测量值。下面借助图2来解释脉冲形泵电流Ip的生成。在此在图2的左侧示出了该传感 器2，在图2的右侧示出了传感器等效电路图。在图2的左侧图示中示出了该传感器的端子RE、IPE和APE以及电流Ip和电压 Upc和Up的方向。
由图2的右侧所示的等效电路图示出，该传感器的端子APE通过电阻Rzua与电 容器Cl和电阻Riap6的串联电路与连接点K相连接。在该电容器Cl上下降了一个电压 Up0apeo与该电容器Cl并联地设置了一个电流源I(O2)。该传感器的端子IPE通过电阻Rzui与电容器C2的串联电路而同样与连接点K相 连接。在该电容器C2上下降了一个电压UpQipe。与该电容器C2并联地设置了一个电流 源 I (O2)。该连接点K此外还通过电阻Rl与电容器C3和电阻R2的串联电路与端子RE相 连接。在该电阻Rl和电容器C3之间的连接点通过电阻R3与在电容器Cl和电阻R-之 间的连接点相连接。在端子APE和IPE之间可以获得电压Up。
电压Up适用以下的等式Up = Up0+(^,+^,+R.^,) · Ip。其中，有Up0 = Up0ape+Up0ipeO1^可以取在-2V与+2V之间的值。该电极电容通常大于lOOyF。这导致在 一个时钟周期期间保持获得充电状态。得到了以下的运行状况(还参见图1)UUptl >0，Ip > O 开关 S6 和 S4 闭合；2.)Uptl <0，Ip < 0 开关 S7 和 S3 闭合；3.)Uptl >0，Ip < 0 开关 S7 和 Sl 闭合；4.)Up0 <0，Ip > 0 开关 S6 和 S2 闭合；在此运行状况1和2对应于标准情形，运行状况3和4对应于脉冲反转运行 (Gegenpulsbetrieb)。通过在脉冲反转运行时开关Sl或S2的闭合，有利地实现了由于电压降 Ip · Rgnd(见图1)使在端子APE或IPE上的电位不会下降低于地电位。借助UpO的代 数符号来对电流路径的选择进行判断。对于该控制和调节单元1的基本功能，也即泵电流调节，存在两种可能第一 种可能是，在该参考电极RE上的电压作为调节器实际值在脉冲间隔中被分析。从而在较 高地电位中的调节以能斯脱电压为依据，并从而比具有模拟分析的系统更精确地调节在 传感器空腔(IPE)中的气体组成。从而避免了该电极电容的再充电过程以及与其相关的 动态损耗，其中该再充电过程取决于该参考电压的与泵电流成比例的部分。泵电流调节 的第二种可能是把在一个脉冲周期时长期间的平均电压用作调节器实际值，其中采用 了一种Σ-△转换器。这对应于在模拟运行中的方法。通过把调节器的理论值相应地跟 随Ure的与电流成比例的分量，可避免模拟运行的缺点，该缺点在于Ure的与泵电流成比 例的分量的影响以及由此所引起的动态损耗。该与电流比例的(stromproportional)分量可 以利用上述的测量值采集装置作为差值Ure (Ip)-Ure (Ip = 0)来采集。对于内部电阻测量的功能存在以下两种可能第一种可能在于，在脉冲间隔中 在该参考电极上进行内部电阻R1的测量。在此在未加载的电压Ure与通过该参考电流源 12所加载的电压Ure之间形成了该差值，其中未加载的电压Ure体现为对于泵电流调节 的实际值。第二种可能在于，在该泵单元上作为在APE和IPE之间泵电压的差值而未加载(Ip = 0)和加载(Ip > 0)地进行内部电阻R1的测量。因为由钼金制成的具有正温度 系数的引线电阻不利的电阻比降低了温度测量敏感性，所以有必要对引线的信号分量进 行补偿。如果把UreCtp > 0)-Ure(Ip = 0)之间的差值作为至内部泵电极上的引线电阻的 度量并从而对内部电阻测量进行校正，那么这部分上是可以的。在冷传感器的情况下(Ri-冷> IOOk欧姆)，该参考单元RE-IPE为了进行测量 范围扩展而通过该开关S8被桥接。内部电阻测量则反映的是该开关的电阻值。如果传 感器温度接近运行范围(RiWk欧姆)，那么这可以通过内部电阻测量来识别。因为该值 存在于冷传感器的情况下(Ri-冷||S8)，所以该传感器的内部电阻可以根据冷测量和当前 值来计算。为了在参考电极RE上生成平均20 μ A的参考泵电流或者为了生成人工参考氧 气，使用了同一参考电流源12，利用该参考电流源还在该参考电极上实施内部电阻测 量。由80 μ s的内部电阻测量脉冲的时间平均值、脉冲周期时长(2ms—每第三个时钟周 期)以及电流脉冲幅度Ipr = 570 μ A得到了平均值Ipref = 20 μ Α。如果泵单元是无电流的，那么就把传感器特征曲线(Ipcal)校正到传感器的均衡 状态。为此把泵电流源连接到测量电阻上，该测量电阻与插头4中的均衡电阻并联连 接。泵电流在！^二尺-^民‘上的电压降乘以所调节的占空比除以标称值！^㈣，得到了 理论特征曲线的泵电流Ip = f(拉姆达)。在选择地测量参照时考虑在电极APE和IPE上 所测量的充电状态(极性)，以保证该传感器端子不偏离从OV到Umax的允许电压范围。如果该参考电流源12与参考电极RE不连接，那么就实施内部电阻测量的校 正。为此把该参考电流源12连通到该控制设备3中一个精确的校正值R。al上。如果Rcal 被设置为温度调节的目标值R1,那么电压降R。al ·。就是针对内部电阻测量的参考值。 该信号处理单元5的公差从而被补偿。内部电阻测量在此不被中断。如果不必处理另外的信号，那么就实施该信号处理单元5的偏移校正。为此该 信号处理单元5的输入端通过一个开关而被短接(Ue = 0)，并通过另一开关被置于所定 义的同相电位(Gleichtaktpotential)上。在此如同在采集其他测量值时一样预先给定相同 的采样时间。该数字化的值被用于测量值的校正。针对该信号处理单元5的每次放大并 针对该模数转换器来实施偏移校正。该拉姆达信号流在此不被中断。如果通过该数字接口 8向uC以数据突发传输的形式来进行数据传送，那么就首 先收集多个拉姆达值或者多个时钟周期的占空比，以然后与内部电阻信息和校正值一起 在一个数据分组中被传输。为了形成与发动机时钟的时间对应-如上所述-由该控制设备 提供一个曲轴触发信号，可以根据该曲轴触发信号针对每次传输而选择一个时间标记。下面的列表示出了所获得的测量值的可能应用例子，其中该测量值是在该控制 和调节单元的相应端子上在相应预给定运行条件时所具有的电压UnO RE-IPE, Ip = 0, Ipr = 0在脉冲间隔中未采集的调节器实际值(UnO-调节器)Ri RE-IPE, Ip = 0, Ipr > 0 — Un ； Ri^Un-UnO温度调节，电缆故障(Kabelabfall)诊断RE，IPEUpO APE-IPE, Ip = 0, Ipr = 0
烧毁保护，老化诊断，Ipcal-激活，Riape-测量，极限电流运行的主导参量
Up APE-IPE, Ip > 0，Ipr = 0电缆故障诊断ΑΡΕ，IPE, Riape测量LSF LSF诊断功能一来自UnO-UpO的拉姆达跳跃Real RCAL-GND，在 Real 上的 Ipr校正Ri测量，拉姆达特征曲线的Ipref校正Ipcal APE-MES,在 Rmess 上的 Ip泵电流校正Rzu RE-IPE, Ip > 0, Ipr = 0泵单元Ri测量校正，Unav调节的理论值校正，电缆故障识别Rgnd RG-GND, Ip > 0在反转脉冲运行时Ip确定，用于电缆故障识别Rcode。图3示出了在该信号处理单元5中信号处理的两个实施例。根据在图3a中所示的实施例，在一个多路复用器MUXl上施加了在该分析和控 制单元1的端子APE、IPE、REM、APM> CAL> MEM、GND和RG上所具有的电位。 由该控制装置10来给该多路复用器MUXl提供开关控制信号，使得两个相应要采集的电 位被转发到一个后接的差分放大器Diff上。在所示的实施例中，它是Uep和Uem，也即 在该分析和控制单元1的端子REM和IPE或APM和IPE或APE和MEM或CAL和GND 或RG和GND上所具有的电位。该差分放大器放大该差分信号，并把它连同所定义的电 位参照一起转发到后接的模数转换器6上。在图3b所示的实施例中，在一个多路复用器MUX2上施加了在该分析和控制单 元1的端子RE、IPE> APE、MES> RG> CAL和GND上所具有的电位。在图1中所示
的端子REM、APM和MEM以及滤波器Rfr_Cfr、Rfp-Ce,和Rfm-Cfm在该实施例中可以省 略。由该控制装置10给在图2中所示的多路复用器MUX2提供开关控制信号smux。该 多路复用器MUX2的一个输出通过欧姆电阻MUM和Rfl以及一个电容器Cfl与地相连。 该多路复用器MUX2的另一个输出通过欧姆电阻MUP和Rf2以及一个电容器Cf2与地相 连。该电容器Cf2的远地端子通过一个欧姆电阻Rep与差分放大器Diff的一个输入端相连。该电容器Cfl的远地端子通过一个欧姆电阻REM与差分放大器Diff的第二输入相 连。在该电容器Cfl的远地端子与该电容！Cf2的远地端子之间连接了一个电容器Cfd。施 加到该差分放大器Diff的输入端上的信号是在该控制和调节单元1的端子RE和IPE或者 APE和IPE或者APE和MES或者CAL和GND或者RG和GND上所具有的电位。该差 分放大器放大该差分信号，并与所定义的电位参照一起转发到后接的模数转换器6上。
权利要求
1.宽带拉姆达传感器的分析和控制单元(1)，其具有 -信号处理单元(5)，-与该信号处理单元相连接的模数转换器(6)， -与该模数转换器相连接的数字泵电流调节器(7)， _与该数字泵电流调节器相连接的数字接口(8)， _与该数字泵电流调节器相连接的控制装置(10)， _用于提供泵电流的泵电流源(11)， -内部泵电极端子(IPE)， -外部泵电极端子(APE)和 _参考电极端子(RE)，其中-该信号处理单元(5)设置用于确定该拉姆达传感器的泵电流调节器(7)的实际值， 并且其中-该信号处理单元(5)另外还设置用于确定与该宽带拉姆达传感器的运行状态有关的 另外的信息，并且其中-与该宽带拉姆达传感器的运行状态有关的所述另外的信息能够通过该数字接口(8) 来输出。
2.根据权利要求1所述的分析和控制单元，其特征在于，由该信号处理单元(5)所确 定的、与该宽带拉姆达传感器的运行状态有关的所述另外的信息能够通过模数转换器(6) 被直接输送给该数字接口(8)。
3.根据权利要求1所述的分析和控制单元，其特征在于，由该信号处理单元(5)所确 定的、与该宽带拉姆达传感器的运行状态有关的所述另外的信息通过模数转换器(6)被 转发到中间储存器(9a)，并被存储在那里，在该中间存储器(9)中所存储的信息能够集 中地以数据突发的形式被输送给该数字接口(8)。
4.根据权利要求1所述的分析和控制单元，其特征在于，由该信号处理单元(5)所确 定的、与该宽带拉姆达传感器的运行状态有关的所述另外的信息通过一个模数转换器(6) 被转发到中间储存器(9a)，并在预给定的地址处存储在那里，在预给定地址处所存储的 信息能够有针对性地通过来数字接口(8)来访问。
5.根据前述权利要求之一所述的分析和控制单元，其特征在于，该泵电流源(11)通 过开关(S7)与该内部泵电极端子(IPE)相连接，并通过开关(S6)与该外部泵电极端子 (APE)相连接，该控制装置(10)设置用于为开关(S7)和开关(S6)提供开关控制信号 (s6, s7),该控制装置(10)根据该泵电流调节器(7)的数字输出信号来提供该开关控制 信号(s6，s7),使得在该内部或外部泵电极端子(IPE，APE)上输出脉冲形的泵电流。
6.根据权利要求5所述的分析和控制单元，其特征在于，该脉冲形的泵电流具有固定 的频率、可变的占空比和可调节的代数符号。
7.根据权利要求6所述的分析和控制单元，其特征在于，设置有以下的运行状况 A Up0 > 0, Ip > 0 在该泵电流源(11)与该外部泵电极端子(APE)之间的开关(S6)闭合；该内部泵电 极端子(IPE)与地(GND)相连接； B Up0 < 0, Ip < 0 在该泵电流源(11)与该内部泵电极端子(IPE)之间的开关(S7)闭合；该外部泵电极 端子(APE)与地(GND)相连接；C Up0 > 0, Ip < 0 在该泵电流源(11)与该内部泵电极端子(IPE)之间的开关(S7)闭合；该外部泵电极 端子(APE)通过一个电阻(Rgnd)与地(GND)相连接；D Up0 < 0, Ip > 0 在该泵电流源(11)与该外部泵电极端子(APE)之间的开关(S6)闭合；该内部泵电 极端子(IPE)通过一个电阻(Rgnd)与地(GND)相连接；
8.根据权利要求5-7之一所述的分析和控制单元，其特征在于，该信号处理单元(5) 在脉冲间隔期间以及在该脉冲形泵电流的电流脉冲期间确定该泵电流调节器的实际值、 该宽带拉姆达传感器的内部电阻以及与该宽带拉姆达传感器的运行状态有关的所述另外 的信息。
9.根据权利要求8所述的分析和控制单元，其特征在于，该信号处理单元(5)在每个 脉冲间隔中都采集数据，以确定该泵电流调节器的实际值。
10.根据权利要求8或9所述的分析和控制单元，其特征在于，该信号处理单元(5) 在彼此相继的脉冲间隔中采集数据，以确定不同的、与该宽带拉姆达传感器的运行状态 有关的另外的信息。
11.根据权利要求10所述的分析和控制单元，其特征在于，该信号处理单元(5)周期 性地采集数据，以确定不同的、与该宽带拉姆达传感器有关的另外的信息。
12.根据前述权利要求之一所述的分析和控制单元，其特征在于，其包含有参考电流 源(12)。
13.根据前述权利要求之一所述的分析和控制单元，其特征在于，其具有多个另外的 开关(Si，S2，S3，S4，S5，S8，S9，S10, Sll, S12)，并且该控制装置(10)设置用 于为所述另外的开关提供开关控制信号(sl，s2，s3, s4, s5, s8, s9, slO, sll, sl2)。
14.根据权利要求13所述的分析和控制单元，其特征在于，该控制装置(10)控制所 述另外的开关，使得在脉冲间隔中闭合预给定的所述的另外的开关，以把该分析和控制 单元的期望端子与期望的参考电位相连接。
15.根据前述权利要求之一所述的分析和控制单元，其特征在于，其具有参数存储器 (9b)，在该参数存储器中存储有数据组，该数据组相应于该数字调节器(7)的预给定的 调节特性。
16.根据前述权利要求之一所述的分析和控制单元，其特征在于，所述另外的信息之 一是与出现电缆短路或电缆故障有关的信息。
17.根据前述权利要求之一所述的分析和控制单元，其特征在于，与该宽带拉姆达传 感器的电极在该宽带拉姆达传感器的不同运行状态中的充电状态有关的信息属于所述另 外的信息。
18.根据前述权利要求之一所述的分析和控制单元，其特征在于，所述另外的信息之 一是与电极上的过压有关的信息。
19.根据前述权利要求之一所述的分析和控制单元，其特征在于，所述另外的信息之 一是与该宽带拉姆达传感器的老化有关的信息。
20.根据前述权利要求之一所述的分析和控制单元，其特征在于，所述另外的信息之 一是与该拉姆达1通路有关的信息。
21.根据前述权利要求之一所述的分析和控制单元，其特征在于，所述另外的信息之 一是与该宽带拉姆达传感器的运行准备状态有关的信息。
全文摘要
本发明涉及一种宽带拉姆达传感器(2)的分析和控制单元(1)，其具有信号处理单元(5)、模数转换器(6)、数字泵电流调节器(7)、数字接口(8)、控制装置(10)、泵电流源(11)、内部泵电极端子(IPE)、外部泵电极端子(APE)和参考电极端子(RE)。该信号处理单元(5)设置用于确定该泵电流调节器(7)的实际值，并用于确定与该宽带拉姆达传感器的运行状态有关的另外的信息。与该宽带拉姆达传感器的运行状态有关的所述另外的信息可以通过该数字接口(8)来输出。
文档编号F02D41/14GK102016557SQ200980116461
公开日2011年4月13日 申请日期2009年5月6日 优先权日2008年5月9日
发明者R·赖施尔 申请人:罗伯特.博世有限公司