一种宽域氧传感器控制器的研发

李 游

(无锡职业技术学院，江苏 无锡 214121)

近年来随着稀薄燃烧技术在发动机领域中的广泛应用，普通的开关型氧传感器已不能满足空燃比闭环控制的要求，取而代之的是控制精度更高的线性输出宽域氧传感器。宽域氧传感器能够提供可燃混合气不同混合状态的准确空燃比反馈信号给发动机电子控制单元ECU，而不像普通氧传感器那样只能反映可燃混合气是稀或浓两种混合状态。宽域氧传感器是一种氧化锆型宽域空燃比传感器，由一个能检测出化学计量比的氧传感器和检测临界电流的氧泵组成，即在普通开关型氧传感器的基础上加上一个氧泵组成。这种传感器在稀燃发动机混合气空燃比控制上起着极其重要的作用。宽域氧传感器的出现可以说在一定程度上弥补了开关型氧传器无法实现的功能，实现了混合气空燃比的量化控制。宽域氧传感器属于可控制的传感器，它在工作过程中的电流和温度等信号需要进行控制，故宽域氧传感器的使用需配备相应的电子控制单元。有的控制单元是集成在发动机电子控制单元ECU中的，也有的控制单元是独立存在的。本课题的主要任务就是设计一个独立的宽域氧传感器控制单元。

目前，宽域氧传感器系统主要匹配德国Bosch公司和日本NTK公司的宽域氧传感器产品。德国Bosch公司在汽车零部件领域具备很强的开发能力，它的宽域氧传感器产品是6线式的；在研究的过程中，我们主要对Bosch LSU 4(O 258 007 057)宽域氧传感器的组成结构进行了深入的研究。LSU 4宽域氧传感器包括3个组成部分：工作单元总成、线束和连接器，其中工作单元总成包括：尾气扩散通道、泵氧膜片、氧传感膜片、基准氧气室 和加热元件。加热元件的作用是：一方面，在冷机状态下使宽域氧传感器在短时间内(达到正常工作时所需的温度；另一方面，始终保持宽域氧传感器在正常工作温度750℃时可靠稳定地工作。宽域氧传感器加热元件的功率为10W，20℃时阻值为3.2Ω，而在-40℃时阻值为2.1Ω。如果不使用加热元件对宽域氧传感器进行加热，而是靠发动机的排气热量对传感器进行加热，宽域氧传感器也能够工作，只是响应速度略慢一些。泵氧膜片是氧化锆材科的。当电流通过泵氧膜片时，就有氧分子顺着与电流相反的方向由膜片一侧移向另一侧。利用这一特点就可以在氧泵上施加不同方向的电流，使氧气泵入或抽出检测室，而使检测室内被测气体的含氧量始终保持在与空燃比λ=l时的排气含氧量相等的水平。氧传感膜片也是氧化锫材料的，氧传感膜片的作用就在于它能以其输出电压提供一个被测气体含氧量λ=l时的排气含氧量是否相等的判。氧传感膜片一侧的基准氧气室中装的是空气，另一侧是发动机尾气。当发动机工作时，氧传感膜片两侧的氧浓度差即造成输出电压。宽域氧传感器的泵电流就反映了尾气的浓度，传感器控制器将泵电流转换成输出电压。通过改变泵电流的极性(电流流动方向)与大小就可以达到平衡扩散室里的尾气含氧量，如何将这个变化的泵电流再去控制发动机ECU对喷油器喷油时间的调整，是至关重要的。

1 宽域氧传感器硬件设计

在宽域氧传感器接口控制单元的研究发面，主要研究了宽域氧传感器接口控制单元的组成，宽域氧传感器接口控制单元硬件设计，宽域氧传感器接口控制单元软件设计。宽域氧传感器接口控制单元包括以下五个部分：电源电路，微控制器，宽域氧传感器接口电路集成模块，液晶显示模块，串行通讯接口。电源电路：首先开关型可调式电压调节模块电路用于将24V转化为14V；其次消耗型电压调节模块电路用于将14V转化为5V。微控制器：其主要负责AD数据采集、液晶显示模块控制、串口通讯以及宽域氧传感器的加热元件控制和故障诊断等。宽域氧传感器接口电路集成模块：其主要用于宽域氧传感器泵电流Ip的控制和泵电压信号的放大。液晶显示模块：其用于实时显示发动机缸内混合气的空燃比数值。串行通讯接口：其用于宽域氧传感器接口控制单元与发动机电子控制单元(ECU)之间进行通讯。宽域氧传感器接口控制单元硬件设计包括宽域氧传感器接口控制单元微处理器，宽域氧传感器接口电路集成模块，宽域氧传感器接口控制单元液晶显示模块和宽域氧传感器接口控制单元电源电路与通讯电路。微处理器采用freescale公司生产的MC9S08AW32CFDE 8位高性能微控制器，44引脚LQFP封装，4MHz的外部石英晶振。MC9S08AW32CFDE其主要特性有：（1）8 位 HCS08 中央处理器(CPU)；（2）20MHz内部总线频率；（3）具有模块保护与安全选项功能的32KB片上在线可编程FLASH 存储器，单线背景调试模式(BDM)；（4）2KB 片上 RAM；（5）时钟源选项包括：晶体、谐振器、外部时钟或内部生成的具有高精度NVM调整的时钟；（6）系统保护；（7）功率节省模式等待及两种停止模式；（8）44 引脚 LQFP 封装。

2 控制器软件的设计

软件具体设计内容如下：（1）文本显示区域首地址0x0000、文本显示区域宽度32字节；（2）图形显示区域首地址0x0800、图形显示区域宽度32字节；（3）使用内部CGROM，逻辑或合成的显示方式。(4)开启文本和图形显示方式，允许光标显示和闪烁的显示开关设置。最后，我们对宽域氧传感器接口控制单元试验验证，为了验证宽域氧传感器接口控制单元所采集的信号是否能够准确地反映不同工况下缸内混合气的空燃比，从而将控制单元连同宽域氧传感器接在台架试验发动机上，对控制单元进行试验验证。系统试验总体方案如下：将Bosch LSU 4(O 258 007 057)宽域氧传感器连接到发动机捧气管上，然后连接宽域氧传感器与控制单元，严格按照氧传感器连接器上标示的信号代码进行连接，接着在已安装的氧传感器附近安装宽域氧传感器及空燃比分析仪，之后通过发动机测控系统调解台架试验发动机混合气空燃比，读取标定用空燃比分析仪LA4显示的空燃比读数，与此同时测量宽域氧传感器接口控制单元混合气空燃比线形输出电压，最后调解台架试验发动机混合气空燃比分别稳定在 0.8、0.9、1.0、1.1和1.2点处，然后再分别读取宽域氧传感器接口控制单元混合气空燃比线性输出电压值，最后通过线性拟合的方法实现宽域氧传感器接口控制单元实时数据显示。

总结，本文首先完成了资料的收集及整体部分的规划，组织开发及相关零部件的选型、购买，之后对宽域氧传感器、微控制器和宽域氧传感器接口电路集成模块进行了深入的研究；其次在理论基础上，设计了宽域氧传感器控制单元硬件电路。通过对电路的仿真和电路板的检测，验证了硬件电路的可靠性。随后进行控制系统软件程序设计，完成了对宽域氧传感的信号采集和液晶显示。最后在发动机试验台架上对宽域氧传感器接口控制单元进行系统试验，试验结果表明本控制单元能够采集宽域氧传感器的反馈信号并且可以进行实时数据显示，该控制系统是可行的。

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