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1、l目 录 中文摘要 .1 英文摘要 .2 1 引言 3 1.1 问题的引出 .3 1.2 国内外研究现状 .3 1.3 课题主要研究内容 .4 2 宽域型氧传感器结构和工作原理 5 2.1 宽域氧传感器结构 52.1.1 扩散室和参考室 .6 2.1.2 泵电池 .6 2.1.3 氧浓差电池 .6 2.1.4 加热部件 .7 2.2 基本工作原理 7 2.2.1 概述. 7 2.2.2 当内燃机工作在稀燃状态 .8 2.2.3 当内燃机工作在富燃状态 .9 3 宽带型氧传感器控制器设计 .11 3.1 TMS320F28335DSP 介绍 .11 3.2 UEGO 传感器控制器概述 13 3.
2、2.1 温度控制部分 14 3.2.2 泵电流控制部分 153.2.3 空燃比测量部分 16 3.3 UEGO 控制器外围信号调理电路设计 17 3.3.1 交流通道的设计 17 3.3.2 直流通道的设计 18 3.3.3 加热驱动电路的设计 19 3.4 UEGO 控制器外围电路设计 20 3.4.1 电压产生电路的设计 20 3.4.2 时钟电路的设计 22 3.4.3 复位电路的设计 23 4 全文总结 .24 谢 辞 .26 参考文献 27lUEGOUEGO 传感器控制器设计传感器控制器设计摘要摘要: :传统氧传感器只能反馈混合气浓或稀，至于精确的空燃比却不能反馈，所以便有了宽域型线
3、性氧传感器（UEGO）。其输出信号可以精确的反馈混合气的空燃比，提高 ECU 的控制精度，最大限度的发挥三元催化器的作用，降低有害气体的排放。本文研究的是基于 TMS320F28335DSP 的宽域型氧传感器控制器的硬件部分，它主要包括以下几个部分：泵电流控制部分、温度控制部分、传感器加热部分和泵电流测量部分，它在工作的过程中需要对电流和温度等量进行控制。除此之外，还要设计 DSP 的复位电路、时钟电路以及电源电路，以满足控制的要求。关键词：关键词：宽域型氧传感器；空燃比；氧传感器控制器；UEGO lTHE DESIGN OF UNIVERSAL EXHAUST GAS OXYGEN SENS
4、OR CONTROLLERAbstract: The traditional oxygen sensor can only feedback thick or thin of the mixed gas, as the air-fuel ratio can not be feedbacked accurately,so the Universal Exhaust Gas Oxygen sensor (UEGO) come into being.The output signal can accurately feedback the air-fuel ratio of the mixed ga
5、s to improve ECUs control accuracy, maximize the role of catalytic converters to reduce harmful gas emissions.This study is about the hardware of Universal Exhaust Gas Oxygen sensor controller based on TMS320F28335DSP, which includes the following components: pump current control section, the temper
6、ature control section, the sensor heating section and the pump current measurement section,its current and temperature need to be controlled during its word time. In addition,the DSP reset circuit,clock circuit and power circuit must be designed to meet the control requirement. Key words: Universal
7、Exhaust Gas Oxygen sensor；air-fuel ratio；oxygen sensor controller；UEGOl1 引言1.1 问题的引出氧传感器是汽车发动机燃油反馈控制系统的重要部件，在空燃比控制中有着非常重要的作用。氧化锆型氧传感器的工作范围是在=1附近产生一个跳跃性的输出电压变化，一旦超出此范围，其反应性能便降低。当发动机需要作稀混合或浓混合控制时，这一类型的氧传感器便无法胜任了，使得发动机的燃油控制不能十分精确 1。随着人们环保意识的日渐加深和对汽车尾气排放要求的不断提高，传统的开关型氧传感器已不能满足高排放标准的要求，因为它只能定性的知道气体的浓稀，而不
8、知道浓稀的程度；且应用开关型氧传感器的发动机空燃比控制系统，只能以当量空燃比值为目标进行反馈，线性宽域氧传感器（Universal Exhaust Oxygen Sensor,简称UEGO）就在这种情况下诞生了。它通过检测发动机尾气排放中的氧含量，并向电子控制单元(ECU)输送相应的电压信号，反映空气燃油混合比的稀浓。ECU根据氧传感器传送的实际混合汽浓稀反馈信号而相应调节喷油脉宽，使发动机运行在最佳空燃(=1)状态，从而为催化转换器的尾气处理创造理想的条件。如果混合汽太浓(1)，则要增加喷油量。它可以在很宽的空燃比范围内（=0.65-2.4）提供准确的空燃比值，提高汽车发动机电控单元ECU
9、的控制精度，最大限度的发挥三元催化器的作用，降低废气中的有害成分2。宽域型氧传感器由于其特殊的结构，必须配合控制器方能使用。当其配合单独的控制器时，可以组成便携式空燃比分析仪，成为发动机测控平台的一台重要仪器。 1.2 国内外研究现状国外已将宽域型氧传感器（UEGO） 传感器用于汽油机的燃烧控制系统中，如大众、奥迪、沃尔沃等。目前市场上使用最多是日本 Horiba 公司的空燃比分析仪MEXA-700，测量精度高，功能十分强大，但价格昂贵，人民币10 万左右，并且只能使用市场上罕见的专用UEGO 传感器，动态响应时间80ms，在汽车高转速或工况突变情况下，其动态性能还有待提高。美国的ECM480
10、0R 空燃比仪的动态响应时间为150ms。现在国内也开展了UEGO 控制器的相关研究。西华大学交通与汽车工程l学院利用德国Bosch 公司针对其LSU 系列UEGO 传感器开发的CJ125 控制芯片，开发UEGO传感器接口控制单元，用模拟电路实现控制规律，且CJ125 专用芯片市场上难以购买。大连理工大学全部用模拟电路实现UEGO 的控制器，包括其PID 控制。合肥工业大学机械学院研制的便携式空燃比仪，没有温度控制和泵电流控制模块，仅用简单的模拟电路产生泵电流，没有控制策略。以上的设计，最终仅仅评价了其空燃比值与输出电压的关系，其动态性能是难以令人满意的。合肥工业大学DSP 实验室，基于dsP
11、ACE 系统开发UEGO 控制器，并拟利用DSP28 系列芯片作为主控制器设计UEGO 控制器，实现数字化PID 控制，从而提高其动态性能。1.3 课题主要研究内容本文主要研究线性宽域氧传感器控制器的硬件电路，需要实现对两个量的控制：传感器温度以及泵电流。我们选择 TMS320F28335DSP 作为处理器，来实现对泵电流以及氧化锆传感器温度这两个量的控制。l2 宽域型氧传感器结构和工作原理2.1 宽域氧传感器结构宽域氧传感器的结构图如图 2-1 所示，主要由扩散室、参考室、泵电池、氧浓差电池以及加热部件组成，具体各部分的作用将在下文介绍。图 2.1. 宽带型氧传感器结构原理图AUSUref
12、0.45V尾气扩散小孔阳极阴极氧化锆 （泵电池） 泵氧元氧化锆（参考电压） 感应室加热器阳极大 气测 试 腔Bl2.1.1 扩散室和参考室扩散室是用来接收汽车内燃机排出的尾气的，而参考室是用来接收氧含量一定的气体或者直接是空气。在扩散室里安有四个阴极，在扩散室与参考室之间有一个氧浓差电池，它能根据扩散室和参考室里面氧的浓度的差异而感应产生一个感应电动势 Us。一般的氧化锆传感将此电压作为控制单元的输入信号来控制燃气的混合比。而宽带型氧传感器与此不同的是：发动机控制单元要把感应室两侧的氧含量保持一致，让电压值维持在 0.45V。但这个电压只是电脑的参考标准值，它就需要传感的另一部分-泵电池来完成
13、。泵电池位于扩散室和排气管之间，它能根据氧化锆的反作用原理（在其两极加上电压后会有氧离子的移动），通过控制器发送过来的控制信号而对扩散室抽入或抽出氧。2.1.2 泵电池泵电池是由氧化锆制成的，由于在氧化锆两极上加上电压后，可以使氧离子移动，根据这个特性，当泵电流流经泵电池时，就会使泵电池两端的氧离子产生移动，移动的方向由泵电流的方向确定。当内燃机燃烧为稀燃，即空燃比较大时，废气中氧的含量较高，大于理论值，这时感应电压 Us 小于 0.45V，差值电压 Verr 大于零，经过 PID 控制器后就会产生一个大于零的泵电流 Ip。泵电流流经泵电池后，就产生一个把氧从扩散室里抽出来的机制，以使扩散室里
14、面的氧含量恢复理论值，将 Us维持在 0.45V；而当内燃机燃烧为富燃，即空燃比较小的时候，废气中氧的含量较少，小于理论值，感应电压 Us 大于 0.45V，差值电压信号 Verr 小于零，经过 PID控制器后就会产生一个小于零的泵电流（即方向与稀燃时相反）。该泵电流能把氧从外面泵入扩散室，以使扩散室的氧的含量恢复理论值，将 Us 维持在 0.45V。总而言之，加在泵氧元上的电压可以保证当测试腔内的氧多时，排出腔内的氧，这时发动机控制单元的控制电流是正电流；当腔内的氧少时，进行供氧，此时发动机控制单元的控制电流是负电流。以上过程中提供给泵氧元的电流就反映了排气中的乘余空气含量含量。2.1.3
15、氧浓差电池氧浓差电池（感应电池）也是由氧化锆制成，位于扩散室和参考室之间。由于氧化锆具有这样的特性：当其两侧的含氧量不同时，在氧化锆两侧的电极上会产生电动势。因此由于参考室和扩散室的氧的浓度不同，所以在氧浓差电池两端就会产生一个电动势 Us，而这个电动势的大小就反应了扩散室中氧的浓度。我们的工作就l是要把氧浓差电池的电压控制在 0.45V，为了达到这个目的，（由于参考室里的氧的浓度一定）我们就要控制扩散室里面氧的浓度。这个工作是由我们下面将要讲到的泵电池来完成。2.1.4 加热部件宽域氧传感器内部的氧浓差电池受温度影响，在 700-800时性能最好4。所以，要控制宽域传感器内置加热电阻的加热电
16、压，以保持合适的温度。2.2 基本工作原理2.2.1 概述线性宽域氧传感器是在普通开关型氧化锆氧传感器的基础上增加一个泵电池形成。在正常的传感器操作下，小量的废气从扩散孔进入泵电池，参考电池能够感知到废气的浓稀状况，并产生高于或低于参考电压Uref 的电压Us。UEGO传感器可在浓混合（1）条件下向排气中加入氧气，而在稀混合气（1）中泵出排气中的氧，使监测室中的空燃比始终在理论空燃比（=1）附近，保持传感敏感元件氧化锆（ZrO2）管内外的电动势在0.45 V 左右。由于不同浓度的混合气需要泵入或泵出氧的多少不同，故泵电池的泵电流与混合气的空燃比一一对应，废气中的氧气体积分数与其空燃比也是一一对应的。空燃比与泵电流的大小的关系大致如下图2.1所示5。空燃比的定义式如下：理论实际 燃油）空气（燃油）空气(图2.2 Ip与关系图l当废气流经传感器的头部时，它将反馈一个电压信号给控制器，告知控制器汽缸内气体的浓稀；而后控制器产生一个泵电流流到宽域氧传感器的泵电池上，从而消耗过量的氧气或燃料，使汽缸内
