畢業(yè)設(shè)計UEGO寬域氧傳感器

1、目 錄中文摘要1英文摘要21 引言31.1 問題的引出31.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.3 課題主要研究內(nèi)容42 寬域型氧傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理52.1 寬域氧傳感器結(jié)構(gòu)52.1.1 擴(kuò)散室和參考室62.1.2 泵電池62.1.3 氧濃差電池62.1.4 加熱部件72.2 基本工作原理72.2.1 概述. .72.2.2 當(dāng)內(nèi)燃機(jī)工作在稀燃狀態(tài)82.2.3 當(dāng)內(nèi)燃機(jī)工作在富燃狀態(tài)93 寬帶型氧傳感器控制器設(shè)計113.1 TMS320F28335DSP介紹113.2 UEGO傳感器控制器概述133.2.1 溫度控制部分143.2.2 泵電流控制部分153.2.3 空燃比測量部分163.3 UEGO控制

2、器外圍信號調(diào)理電路設(shè)計173.3.1 交流通道的設(shè)計173.3.2 直流通道的設(shè)計183.3.3 加熱驅(qū)動電路的設(shè)計193.4 UEGO控制器外圍電路設(shè)計203.4.1 電壓產(chǎn)生電路的設(shè)計203.4.2 時鐘電路的設(shè)計223.4.3 復(fù)位電路的設(shè)計234 全文總結(jié)24謝 辭26參考文獻(xiàn)27UEGO傳感器控制器設(shè)計關(guān)鍵詞：寬域型氧傳感器；空燃比；氧傳感器控制器；UEGO THE DESIGN OF UNIVERSAL EXHAUST GAS OXYGEN SENSOR CONTROLLERAbstract: The traditional oxygen sensor can only feedb

3、ack 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 gas to improve ECU's control accuracy, maximize the role of catal

4、ytic 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 temperature control section, the sensor heating section and the pump

5、 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 Exhaust Gas Oxygen sensor；air-fuel ratio；oxygen sensor co

6、ntroller；UEGO1 引言1.1 問題的引出 氧傳感器是汽車發(fā)動機(jī)燃油反饋控制系統(tǒng)的重要部件，在空燃比控制中有著非常重要的作用。氧化鋯型氧傳感器的工作范圍是在=1附近產(chǎn)生一個跳躍性的輸出電壓變化，一旦超出此范圍，其反應(yīng)性能便降低。當(dāng)發(fā)動機(jī)需要作稀混合或濃混合控制時，這一類型的氧傳感器便無法勝任了，使得發(fā)動機(jī)的燃油控制不能十分精確1。隨著人們環(huán)保意識的日漸加深和對汽車尾氣排放要求的不斷提高，傳統(tǒng)的開關(guān)型氧傳感器已不能滿足高排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，因為它只能定性的知道氣體的濃稀，而不知道濃稀的程度；且應(yīng)用開關(guān)型氧傳感器的發(fā)動機(jī)空燃比控制系統(tǒng)，只能以當(dāng)量空燃比值為目標(biāo)進(jìn)行反饋，線性寬域氧傳感器（Un

7、iversal Exhaust Oxygen Sensor,簡稱UEGO）就在這種情況下誕生了。它通過檢測發(fā)動機(jī)尾氣排放中的氧含量，并向電子控制單元(ECU)輸送相應(yīng)的電壓信號，反映空氣燃油混合比的稀濃。ECU根據(jù)氧傳感器傳送的實際混合汽濃稀反饋信號而相應(yīng)調(diào)節(jié)噴油脈寬，使發(fā)動機(jī)運(yùn)行在最佳空燃(=1)狀態(tài)，從而為催化轉(zhuǎn)換器的尾氣處理創(chuàng)造理想的條件。如果混合汽太濃(<1)，必須減少噴油量，如果混合汽太稀(>1)，則要增加噴油量。它可以在很寬的空燃比范圍內(nèi)（=0.65-2.4）提供準(zhǔn)確的空燃比值，提高汽車發(fā)動機(jī)電控單元ECU 的控制精度，最大限度的發(fā)揮三元催化器的作用，降低廢氣中的有害成

8、分2。寬域型氧傳感器由于其特殊的結(jié)構(gòu)，必須配合控制器方能使用。當(dāng)其配合單獨的控制器時，可以組成便攜式空燃比分析儀，成為發(fā)動機(jī)測控平臺的一臺重要儀器。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外已將寬域型氧傳感器（UEGO） 傳感器用于汽油機(jī)的燃燒控制系統(tǒng)中，如大眾、奧迪、沃爾沃等。目前市場上使用最多是日本 Horiba 公司的空燃比分析儀MEXA-700，測量精度高，功能十分強(qiáng)大，但價格昂貴，人民幣10 萬左右，并且只能使用市場上罕見的專用UEGO 傳感器，動態(tài)響應(yīng)時間80ms，在汽車高轉(zhuǎn)速或工況突變情況下，其動態(tài)性能還有待提高。美國的ECM4800R 空燃比儀的動態(tài)響應(yīng)時間為150ms。現(xiàn)在國內(nèi)也開展了UE

9、GO 控制器的相關(guān)研究。西華大學(xué)交通與汽車工程學(xué)院利用德國Bosch 公司針對其LSU 系列UEGO 傳感器開發(fā)的CJ125 控制芯片，開發(fā)UEGO傳感器接口控制單元，用模擬電路實現(xiàn)控制規(guī)律，且CJ125 專用芯片市場上難以購買。大連理工大學(xué)全部用模擬電路實現(xiàn)UEGO 的控制器，包括其PID 控制。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院研制的便攜式空燃比儀，沒有溫度控制和泵電流控制模塊，僅用簡單的模擬電路產(chǎn)生泵電流，沒有控制策略。以上的設(shè)計，最終僅僅評價了其空燃比值與輸出電壓的關(guān)系，其動態(tài)性能是難以令人滿意的。合肥工業(yè)大學(xué)DSP 實驗室，基于dsPACE 系統(tǒng)開發(fā)UEGO 控制器，并擬利用DSP28 系列芯片作

10、為主控制器設(shè)計UEGO 控制器，實現(xiàn)數(shù)字化PID 控制，從而提高其動態(tài)性能。1.3 課題主要研究內(nèi)容本文主要研究線性寬域氧傳感器控制器的硬件電路，需要實現(xiàn)對兩個量的控制：傳感器溫度以及泵電流。我們選擇TMS320F28335DSP作為處理器，來實現(xiàn)對泵電流以及氧化鋯傳感器溫度這兩個量的控制。2 寬域型氧傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理2.1 寬域氧傳感器結(jié)構(gòu)寬域氧傳感器的結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示，主要由擴(kuò)散室、參考室、泵電池、氧濃差電池以及加熱部件組成，具體各部分的作用將在下文介紹。B大氣測試腔陽極加熱器陰極陽極擴(kuò)散小孔尾氣Uref 0.45VUSA 氧化鋯 （參考電壓）感應(yīng)室氧化鋯（泵電池）泵氧元圖2.1.

11、 寬帶型氧傳感器結(jié)構(gòu)原理圖2.1.1 擴(kuò)散室和參考室擴(kuò)散室是用來接收汽車內(nèi)燃機(jī)排出的尾氣的，而參考室是用來接收氧含量一定的氣體或者直接是空氣。在擴(kuò)散室里安有四個陰極，在擴(kuò)散室與參考室之間有一個氧濃差電池，它能根據(jù)擴(kuò)散室和參考室里面氧的濃度的差異而感應(yīng)產(chǎn)生一個感應(yīng)電動勢Us。一般的氧化鋯傳感將此電壓作為控制單元的輸入信號來控制燃?xì)獾幕旌媳?。而寬帶型氧傳感器與此不同的是：發(fā)動機(jī)控制單元要把感應(yīng)室兩側(cè)的氧含量保持一致，讓電壓值維持在0.45V。但這個電壓只是電腦的參考標(biāo)準(zhǔn)值，它就需要傳感的另一部分-泵電池來完成。泵電池位于擴(kuò)散室和排氣管之間，它能根據(jù)氧化鋯的反作用原理（在其兩極加上電壓后會有氧離子的

12、移動），通過控制器發(fā)送過來的控制信號而對擴(kuò)散室抽入或抽出氧。2.1.2 泵電池泵電池是由氧化鋯制成的，由于在氧化鋯兩極上加上電壓后，可以使氧離子移動，根據(jù)這個特性，當(dāng)泵電流流經(jīng)泵電池時，就會使泵電池兩端的氧離子產(chǎn)生移動，移動的方向由泵電流的方向確定。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)燃燒為稀燃，即空燃比較大時，廢氣中氧的含量較高，大于理論值，這時感應(yīng)電壓Us小于0.45V，差值電壓Verr大于零，經(jīng)過PID控制器后就會產(chǎn)生一個大于零的泵電流Ip。泵電流流經(jīng)泵電池后，就產(chǎn)生一個把氧從擴(kuò)散室里抽出來的機(jī)制，以使擴(kuò)散室里面的氧含量恢復(fù)理論值，將Us維持在0.45V；而當(dāng)內(nèi)燃機(jī)燃燒為富燃，即空燃比較小的時候，廢氣中氧的含量較少

13、，小于理論值，感應(yīng)電壓Us大于0.45V，差值電壓信號Verr小于零，經(jīng)過PID控制器后就會產(chǎn)生一個小于零的泵電流（即方向與稀燃時相反）。該泵電流能把氧從外面泵入擴(kuò)散室，以使擴(kuò)散室的氧的含量恢復(fù)理論值，將Us維持在0.45V?？偠灾?，加在泵氧元上的電壓可以保證當(dāng)測試腔內(nèi)的氧多時，排出腔內(nèi)的氧，這時發(fā)動機(jī)控制單元的控制電流是正電流；當(dāng)腔內(nèi)的氧少時，進(jìn)行供氧，此時發(fā)動機(jī)控制單元的控制電流是負(fù)電流。以上過程中提供給泵氧元的電流就反映了排氣中的乘余空氣含量含量。2.1.3 氧濃差電池 氧濃差電池（感應(yīng)電池）也是由氧化鋯制成，位于擴(kuò)散室和參考室之間。由于氧化鋯具有這樣的特性：當(dāng)其兩側(cè)的含氧量不同時，在

14、氧化鋯兩側(cè)的電極上會產(chǎn)生電動勢。因此由于參考室和擴(kuò)散室的氧的濃度不同，所以在氧濃差電池兩端就會產(chǎn)生一個電動勢Us，而這個電動勢的大小就反應(yīng)了擴(kuò)散室中氧的濃度。我們的工作就是要把氧濃差電池的電壓控制在0.45V，為了達(dá)到這個目的，（由于參考室里的氧的濃度一定）我們就要控制擴(kuò)散室里面氧的濃度。這個工作是由我們下面將要講到的泵電池來完成。2.1.4 加熱部件寬域氧傳感器內(nèi)部的氧濃差電池受溫度影響，在700-800時性能最好4。所以，要控制寬域傳感器內(nèi)置加熱電阻的加熱電壓，以保持合適的溫度。2.2 基本工作原理2.2.1 概述線性寬域氧傳感器是在普通開關(guān)型氧化鋯氧傳感器的基礎(chǔ)上增加一個泵電池形成。在正

15、常的傳感器操作下，小量的廢氣從擴(kuò)散孔進(jìn)入泵電池，參考電池能夠感知到廢氣的濃稀狀況，并產(chǎn)生高于或低于參考電壓Uref 的電壓Us。UEGO傳感器可在濃混合（1）條件下向排氣中加入氧氣，而在稀混合氣（1）中泵出排氣中的氧，使監(jiān)測室中的空燃比始終在理論空燃比（=1）附近，保持傳感敏感元件氧化鋯（ZrO2）管內(nèi)外的電動勢在0.45 V 左右。由于不同濃度的混合氣需要泵入或泵出氧的多少不同，故泵電池的泵電流與混合氣的空燃比一一對應(yīng)，廢氣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)與其空燃比也是一一對應(yīng)的。空燃比與泵電流的大小的關(guān)系大致如下圖2.1所示5。空燃比的定義式如下：圖2.2 Ip與關(guān)系圖當(dāng)廢氣流經(jīng)傳感器的頭部時，它將反饋一

16、個電壓信號給控制器，告知控制器汽缸內(nèi)氣體的濃??；而后控制器產(chǎn)生一個泵電流流到寬域氧傳感器的泵電池上，從而消耗過量的氧氣或燃料，使汽缸內(nèi)氣體的濃度始終維持在理論值附近。 因為氧化鋯氧傳感器的特點為，氧離子的移動會產(chǎn)生電動勢，反之將電動勢加在氧化鋯上，則會產(chǎn)生氧離子的移動。當(dāng)廢氣通過擴(kuò)散孔進(jìn)入擴(kuò)散室時，氧濃差電池一面與擴(kuò)散室相接觸，一面與空氣參考室相接觸，由于兩面的氧含量不同而產(chǎn)生電動勢，即氧濃差電池電壓Vs。開關(guān)氧傳感器將其電壓信號送給ECU，作為廢氣中氧濃度的信號，以此控制空燃比。而寬域型傳感器則施加電壓在泵電池上，產(chǎn)生泵電流，使氧濃差電池兩面的氧含量保持一致，讓電壓值維持在0.45V（即參考

17、電壓為0.45V）。富油的濃混合氣將使氧濃差電池電壓大于0.45V，傳感器控制器則施加負(fù)方向的泵電流Ip,使氧氣泵入擴(kuò)散室，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，降低廢氣的濃度，使電壓恢復(fù)到0.45V；反之，若富氧的稀混合氣將使氧濃差電池電壓小于0.45V，則產(chǎn)生正方向的泵電流Ip,將氧氣泵出擴(kuò)散室。當(dāng)燃料或氧氣被中和時，氧濃差電池輸出電壓就維持在0.45V。寬域氧傳感器就是這樣通過泵電流的大小和方向，來反映廢氣的濃或稀，以及濃稀程度。并且，再將泵電流轉(zhuǎn)換為0-5v 連續(xù)的線性電壓輸出。 簡而言之，就是利用了氧化鋯的兩個特性：第一個特性是當(dāng)氧化鋯兩側(cè)的含氧量不同時，在氧化鋯兩側(cè)的電極上產(chǎn)生電動勢，普通氧傳感器正是利用

18、氧化鋯的這一特性。第二個特性與第一個特性相反，即當(dāng)在氧化鋯兩側(cè)的電極上加上電壓時，可以使氧離子移動。如果內(nèi)燃機(jī)在某一空燃比下工作，排出氧含量一定的尾氣進(jìn)入測試腔，使得感應(yīng)電池兩端的電壓維持在0.45V，我們稱這時的狀態(tài)為理想空燃比狀態(tài)。2.2.2 當(dāng)內(nèi)燃機(jī)工作在稀燃狀態(tài)當(dāng)內(nèi)燃機(jī)是稀燃，即混合氣中汽油含量較低時，此時燃燒所消耗的氧氣的量比較少，從而從尾氣中排出的氧比理想空燃比狀態(tài)下多。尾氣進(jìn)入擴(kuò)散室后由于感應(yīng)電池兩端氧濃度差比較小，所以感應(yīng)電池兩端的電壓就會小于0.45V(感應(yīng)電壓即為圖中Us），而感應(yīng)電壓Us與參考電壓Uref（Uref為固定電壓，值為0.45V）經(jīng)過泵電流控制模塊比較和放大后

19、將得到一個放大了的大于零的電壓，而此電壓經(jīng)過一個泵電流控制器向泵電池發(fā)送一個正的泵電流，將氧從測試腔中泵出使測試腔內(nèi)的含氧量下降，使感應(yīng)電池兩端的電壓Us維持在0.45V。我們能注意到的是，當(dāng)Us與Uref的差值越大，正的泵電流的值就會越大，泵電池從測試腔泵出氧的泵氧力度就會越大。此時系統(tǒng)工作情況大致如下圖2.3所示。大氣測試腔USBUref 0.45V IpA從擴(kuò)散室抽出氧圖2.3 稀燃情況下泵電流和氧移動方向 2.2.3 當(dāng)內(nèi)燃機(jī)工作在富燃狀態(tài)相應(yīng)的，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)是富燃，即混合氣中汽油含量較高時，燃燒所消耗的氧氣的量就比較多，從而從尾氣排出的氧就比理想空燃比狀態(tài)下的少。此時尾氣進(jìn)入擴(kuò)散室后由于

20、感應(yīng)電池兩端的氧濃度差比較大，所以感應(yīng)電池兩端的電壓Us就會大于0.45V，此時感應(yīng)電壓Us與參考電壓Uref經(jīng)過差分放大器A后在其輸出端將產(chǎn)生一個放大了的小于零的電壓，此電壓經(jīng)過泵電流控制器向泵電池發(fā)送一個負(fù)的電流（即方向與稀燃時相反），將氧泵入測試腔使測試腔內(nèi)含氧量升高，從而使感應(yīng)電池兩端的電壓值Us維持在0.45V。而且感應(yīng)電池兩端的電壓比參考電壓Uref大的越多，負(fù)的泵電流的值就會越大，泵電池往測試腔的泵氧力度也會越大。此時，泵電流的方向和氧移動的方向均和圖2.3所示的方向相反。3 寬帶型氧傳感器控制器設(shè)計由前面的介紹的氧傳感器的工作原理可知，要使傳感器能正常工作，還需要相應(yīng)的控制器，

21、控制器的性能直接影響了傳感器的工作質(zhì)量。目前，寬帶型氧傳感器主要用于汽車發(fā)動機(jī)的控制和空燃比分析儀。氧傳感器配合相應(yīng)的控制器時，不但能控制泵電流和傳感器工作溫度，還能通過處理測出精確的空燃比，然后這個空燃比值被發(fā)送到電子控制單元ECU中，ECU根據(jù)值的大小判斷混合氣的稀濃，然后再控制噴油量。目前，無論是德國Bosch公司針對其LSU系列UEGO傳感器開發(fā)的CJ-110、CJ-120、CJ-125等型號的IC控制芯片，還是大連理工大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所針對日本NTK公司的UEGO傳感器研制的控制系統(tǒng)，都是用模擬電路實現(xiàn)的，控制規(guī)律較為簡單，無法實現(xiàn)復(fù)雜的控制策略，限制了傳感器動態(tài)性能的提高3。本章采用

22、TMS320F28335DSP系統(tǒng)作為開發(fā)平臺，同時配合相應(yīng)的外圍調(diào)理電路來設(shè)計UEGO傳感器的控制器。3.1 TMS320F28335DSP介紹TMS320F2000系列DSP集微控制器和高性能DSP的特點于一身，具有強(qiáng)大的控制和信號處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制算法。TMS320F2000系列DSP片上整合了Flash存儲器，快速的A/D轉(zhuǎn)換器，增強(qiáng)型CAN模塊，增強(qiáng)型PWM模塊，正交編碼電路接口，多通道緩沖串口等外設(shè)，可以方便的開發(fā)高性能數(shù)字控制系統(tǒng)。其中TMS320F28335DSP是TI公司最近推出的32位具有浮點內(nèi)核的DSP芯片，是目前工業(yè)領(lǐng)域最先進(jìn)的處理器之一。其主頻最高可達(dá)150

23、MHz，即單個指令周期為6.67ns，提高了控制系統(tǒng)的控制精度和芯片的處理能力，可以很好的滿足UEGO控制器的控制要求。TMS320F28335DSP的主要性能和技術(shù)特征如下6、7：CPU：TMS320F28335DSP以精簡指令集（RISC）微處理器C28x為內(nèi)核32位CPU，具有8級流水線，系統(tǒng)最高頻率達(dá)150MHz，指令執(zhí)行可在單周期內(nèi)完成。CPU采用改進(jìn)型哈佛總線結(jié)構(gòu)（可工作于馮諾依曼模式），支持總線擴(kuò)展，尋址空間高達(dá)4G字；FPU：支持IEEE-754單精度（32位）浮點運(yùn)算；存儲器：片上集成有256K×16的Flash，34K×16高速靜態(tài)RAM，1K×

24、;16的OPT ROM，以及8K×16帶有數(shù)字運(yùn)算表的Boot ROM。此外，通過外部總線控制接口XINTF，還能進(jìn)行片外存儲器擴(kuò)展，能支持2M×16以上的尋址空間；中斷：8個外部中斷，相對于TMS320F281X系列的DSP，無專門的中斷引腳。支持58個外設(shè)中斷的外設(shè)中斷擴(kuò)展控制器（PIE），管理片上外設(shè)和外部引腳引起的終端請求；增強(qiáng)型的外設(shè)模塊：18個PWM輸出，包含6個高分辨率脈寬調(diào)制模塊（HRPWM)、6個事件捕獲輸入，2通道的正交調(diào)制模塊（QEP）；3個32位的定時器，定時器0和定時器1用作一般的定時器，定時器0接到PIE模塊，定時器1接到中斷INT13；定時器2

25、用于DSP/BIOS的片上實時系統(tǒng)，連接到中斷INT14，如果系統(tǒng)不使用DSP/BIOS，定時器2可用于一般定時器；串行外設(shè)為2通道CAN模塊、3通道SCI模塊、2個McBSP（多通道緩沖串行接口）模塊、1個SPI模塊、1個I2C主從兼容的串行總線接口模塊；12位的A/D轉(zhuǎn)換器具有16個轉(zhuǎn)換通道、2個采樣保持器、內(nèi)部參考電壓，轉(zhuǎn)換速度為80ns，同時支持多通道轉(zhuǎn)換；88個可編程的復(fù)用GPIO引腳；低功耗模式；1.9V內(nèi)核，3.3V I/O供電；除此之外，TMS320F28335片上還有3路帶有16級FIFO的全雙工異步串口以及一個看門狗定時器。通過上面分析可以看出，基于TMS320F28335

26、板具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算和控制功能，可滿足控制系統(tǒng)實時控制要求。其引腳圖如圖3.1所示。圖3.1 TMS320F28335引腳圖3.2 UEGO傳感器控制器概述總體來說，UEGO控制器包括三個部分，即溫度控制部分、泵電流控制部分、泵電流測量部分和傳感器加熱部分，系統(tǒng)總體框圖如圖3.2所示。各個部分將在下文中具體說明。圖3.2 UEGO控制器系統(tǒng)框圖3.2.1 溫度控制部分寬域氧傳感器內(nèi)部的氧濃差電池受溫度影響，在700-800時性能最好4。所以，要控制寬域傳感器內(nèi)置加熱電阻的加熱電壓，以保持合適的溫度。由于一般電阻的阻值都會受溫度的影響，所以我們可以通過對感應(yīng)電池內(nèi)阻的測量來間接反映它的溫度。為了

27、不影響感應(yīng)電池的正常工作，我們選擇采用交流測量內(nèi)阻法測量感應(yīng)電池內(nèi)阻來實現(xiàn)溫度的檢測，然后控制器根據(jù)測量的感應(yīng)電池的內(nèi)阻來控制提供給加熱電阻的電流或電壓，從而實現(xiàn)對加熱器溫度的控制。由于單獨的只根據(jù)測量的內(nèi)阻來控制溫度不夠方便和準(zhǔn)確，因此我們提供了一個參考電阻Rref，此電阻值為傳感器溫度為750度的時候氧濃差電池的內(nèi)阻值（約80歐姆）。我們只要把相同大小的電流分別通過氧濃差電池和參考電阻，然后比較氧濃差電池和參考電阻兩端的電壓，控制器根據(jù)比較的結(jié)果進(jìn)而間接的獲得傳感器溫度的信息，從而根據(jù)情況相應(yīng)的控制加在加熱電阻兩端的電壓，從而實現(xiàn)對傳感器溫度的控制。由于從氧濃差電池兩端得到的電壓信號既有交

28、流成分，又有直流成分，而且直流成分幅值比交流成分大得多，為了防止直流分量被過分放大，要對得到的信號進(jìn)行隔直處理；由于交流信號幅值很?。ㄗ畲蠓逯抵挥屑s20mV)3,那么就需要對信號進(jìn)行放大；為了消除高頻干擾我們需要對信號進(jìn)行濾波；為了保護(hù)ADC不被損壞，我們還需要對放大的信號進(jìn)行限幅。而隔直、放大、濾波、限幅等電路就構(gòu)成了溫度控制部分所需要的交流通道。因此，在溫度控制這一部分就需要以下幾個部分：交流電流激勵模塊、溫度控制模塊（這兩個模塊由DSP實現(xiàn)）、加熱驅(qū)動電路、交流通道和參考交流通道，圖3.3為其基本框圖。交流通道ADC溫度控制器 VrefUEGOPWM加熱驅(qū)動電路MADC交流通路圖3.3

29、溫度控制框圖 如圖所示，參考信號和氧濃差電池兩端的交流信號被采入DSP后，經(jīng)過溫度控制模塊來控制改變相應(yīng)的占空比來調(diào)節(jié)加熱電壓，以保持氧濃差電池處于恒溫750.3.2.2 泵電流控制部分由傳感器的工作原理可知，我們要對泵電流進(jìn)行控制以使氧濃差電池輸出電壓保持在0.45V恒定。泵電流是控制器將氧濃差電池兩端的電壓與參考電壓進(jìn)行比較然后得到的，因此我們需要得到氧濃差電池兩端的電壓。由于為了測量氧濃差電池的內(nèi)阻加入了交流信號，所以我們要想得到直流信號，必須去除交流干擾信號。因此，我們需要對從氧濃差電池兩端得到的電壓信號進(jìn)行陷波、濾波、放大、限幅等處理，去除干擾，將所需要的信號送到泵電流控制模塊。陷波

30、、濾波、放大、限幅等電路組成了這部分所需的直流通道。為了得到泵電流，我們還需要泵電流驅(qū)動電路。因此，在泵電流控制這一部分就需要直流通道、泵電流控制模塊（由DSP實現(xiàn)）以及泵電流驅(qū)動電路，圖3.4為其基本框圖。UEGO Ip泵電流驅(qū)動電路DAC泵電流PID調(diào)節(jié)器 ADC直流通路 圖3.4 泵電流控制框圖 如圖所示，氧濃差電池兩端的電壓信號經(jīng)過直流通道后，得到的直流信號被采集到DSP，經(jīng)過泵電流驅(qū)動模塊處理后產(chǎn)生相應(yīng)的控制電壓，再經(jīng)過電流驅(qū)動電路形成泵電流，施加給泵電池。3.2.3 空燃比測量部分根據(jù)前面的描述，泵電流的大小和方向間接反應(yīng)了空燃比的大小。因此，要想得到準(zhǔn)確的空燃比的值，我們就需要測

31、量泵電流的大小。由于直接測量電流不容易實現(xiàn)，所我們將電流轉(zhuǎn)化為電壓再進(jìn)行測量就簡單得多了。在泵電流驅(qū)動電流的后面的導(dǎo)線內(nèi)接入一個定值電阻，然后通過測量定值電阻兩端的電壓就能得到泵電流的大小，該電壓信號還要通過放大、低通濾波和限幅電路進(jìn)行調(diào)理。泵電流測量完畢后被采樣到DSP，再經(jīng)過空燃比計算模塊處理后就能得到精確的空燃比的值。此部分需要定值電阻Rs、放大電路、，通濾波電路、限幅電路、空燃比計算模塊（由DSP實現(xiàn)）以及顯示模塊，基本框圖如圖3.5所示。UEGOLCD顯示泵電流測量電路空燃比計算模塊DAC Rs IpADC圖3.5 空燃比測量框圖 如圖所示，泵電流經(jīng)過定值電阻Rs后就會在其兩端產(chǎn)生電

32、壓。由于Rs阻值固定，所以只用測得Rs兩端的電壓就能得到泵電流的大小。泵電流的值采入DSP后，經(jīng)過空燃比計算模塊后就能計算出實時的空燃比的值，再通過LCD顯示出來。3.3 UEGO控制器外圍信號調(diào)理電路設(shè)計在上一節(jié)3.1中已經(jīng)明確地講到，UEGO傳感器控制器一部分處理工作由DSP來完成，但是還需要相應(yīng)的外圍電路配合使用，因此就需要設(shè)計控制器的外圍電路。前面已經(jīng)提到，UEGO傳感器外圍電路主要有交流通道、參考交流通道、直流通道和泵電池測量通道四個通道，以及泵電流驅(qū)動電路和加熱驅(qū)動電路兩個驅(qū)動電路。這一節(jié)我們將對具體的外圍電路根據(jù)相關(guān)的性能要求來進(jìn)行設(shè)計。模擬輸入信號來自UEGO傳感器的氧濃差電池

33、，包含直流電壓和交流電壓，交、直流電壓需要分別進(jìn)行測量。直流電壓變化范圍為0.1V-1V，信號脈動頻率約為500Hz；交流電壓頻率為3.5KHz，傳感器達(dá)到750時，其峰值約為20mV。3.3.1 交流通道的設(shè)計交流通道由隔直電容、放大器、帶通濾波電路及限幅電路組成。為了完全捕捉到信號，采用了高輸入阻抗的儀用放大器INA128進(jìn)行信號放大3、8。根據(jù)INA128的特性，只需要設(shè)置R102的大小即可設(shè)置放大倍數(shù)，關(guān)系公式如下：這里大概需要放大100倍，所以取R102=510。交流信號最大峰值只有約20mV，放大100倍后，直流信號幅度比交流信號大很多，為了防止直流分量被過分放大，在儀用放大器的輸

34、入端加入隔直電容，即為圖中的C101和C102；由于現(xiàn)場存在干擾，所以在儀用放大器的后級加入帶通濾波器（此帶通濾波器是由一個低通濾波器和一個高通濾波器串聯(lián)組成，且低通濾波器的截止角頻率H大于高通濾波器的截止角頻率L），只允許需要的頻率的信號通過，濾除不需要的干擾信號；由于TMS320F28335DSP采樣輸入信號為0-3V，因此在濾波器輸出端要加入限幅電路，將輸出電壓限制在0-3V以內(nèi)保護(hù)ADC不被損壞，這個工作將由兩個二極管完成。設(shè)計好的電路原理圖如圖3.6所示。圖3.6 交流通道電路圖由于通過參考交流通道的電流沒有直流分量，所以參考交流通道只是在交流通道的基礎(chǔ)上省去隔直電容就行了，如圖3.

35、7所示。圖3.7 參考交流通道電路圖3.3.2 直流通道的設(shè)計為了測量氧濃差電池兩端的感應(yīng)電壓，就必須要提取氧濃差電池兩端的直流電壓，那么就需要濾除交流成分。首先采用陷波電路將3.5KHz的交流分量濾除；同樣，為了濾除現(xiàn)場的高頻干擾，還需要在陷波電路后加入低通濾波器，截止頻率設(shè)為2.5KHz。為使放大后的信號不超過ADC的輸入范圍而損壞ADC，在運(yùn)算放大器的輸出端還要加入0V-3V的限幅電路（同樣由兩個二極管完成），設(shè)計好的直流通道電路原理圖如圖3.8所示。圖3.8 直流通道電路圖由于泵電流測量通道的輸入信號沒有3.5KHz的交流成分，所以此通道就不需要陷波電路，其電路原理圖如圖3.9所示。圖

36、3.9 泵電流測量通道3.3.3 加熱驅(qū)動電路的設(shè)計由于UEGO傳感器需要加熱到750才能正常工作，因此我們需要把傳感器的溫度在工作時始終控制在750才能保證傳感器正常工作。而這里的溫度控制是根據(jù)所測得的傳感器溫度控制加熱電壓，采用DSP的PWM模塊進(jìn)行控制，通過改變PWM的占空比調(diào)節(jié)加熱電壓。加熱電路工作電流大于1A，一般開關(guān)電源難以輸出這樣的大電流，考慮到現(xiàn)場有蓄電池，所以采用12V的蓄電池供電。TMS320F28335DSP芯片為數(shù)字控制芯片，其工作頻率很高，而工作電壓和電流都比較低。由于加熱電流比較大，從安全可靠性考慮，需要將PWM驅(qū)動信號與驅(qū)動板之間隔開，而且需要對PWM信號加一定的

37、緩沖（這里用的是6N137，高速光耦，起光電隔離的作用）。設(shè)計的電路原理圖如圖3.10所示。圖3.10 加熱驅(qū)動電路圖如圖，用MOSFET開關(guān)電源，柵極為低電平時，漏極輸出高電平，電路導(dǎo)通，同時電容充電；柵極為高電平時，漏極輸出低電平，電路關(guān)斷，進(jìn)入續(xù)流狀態(tài)，由于電感的儲能作用，續(xù)流二極管導(dǎo)通，為電流提供回路，此時負(fù)載靠電感釋放能量和電容放電獲取電壓。采用專用MOSFET驅(qū)動芯片IRS2110驅(qū)動MOSFET。3.4 UEGO控制器外圍電路設(shè)計3.4.1 電壓產(chǎn)生電路的設(shè)計控制電路所需要的電壓等級分別是數(shù)字電源：5V、3.3V、1.9V。TMS320F28335的供電電壓是內(nèi)核電壓1.9V，I

38、/O接口電壓是3.3V，由于車載的只有12V的電源，所以先用芯片MC7805將12V電壓轉(zhuǎn)換成5V（如圖3.11所示），再采用TI的專用DSP電源管理芯片TPS767D301來給DSP提供3.3V和1.9V電壓，如圖3.12所示。由于設(shè)計中運(yùn)算放大器要用到+5V的模擬電源，因此還需要一個+5V模擬電源的轉(zhuǎn)換電路，如圖3.13所示。圖3.11 +5V數(shù)字電壓產(chǎn)生電路圖3.12 +3.3和+1.9V電壓產(chǎn)生電路圖3.13 +5V模擬電壓產(chǎn)生電路3.4.2 時鐘電路的設(shè)計向DSP提供時鐘一般有兩種方法：一種是利用DSP內(nèi)部所提供的晶體振蕩器電路，即在DSP的X1和X2引腳之間連接一個晶體來啟動內(nèi)部振

39、蕩器；另一種方法是將外部時鐘源直接輸入X2/CLKIN引腳，X1懸空，采用已經(jīng)封裝的晶體振蕩器。從資源利用、設(shè)計的可行性以及電路設(shè)計的簡單性考慮，時鐘電路應(yīng)采用TMS320F28335內(nèi)部晶體振蕩器，設(shè)計的電路如圖3.13所示。圖3.13 時鐘電路圖3.4.3 復(fù)位電路的設(shè)計復(fù)位通常有上電復(fù)位和手動復(fù)位兩種。上電復(fù)位由電源器件給出復(fù)位信號。一旦電源上電，系統(tǒng)便處于復(fù)位狀態(tài)，當(dāng)為低電平時，DSP復(fù)位。為使DSP初始化正確，應(yīng)保證為低電平并至少保持3個CLKOUT周期，同時在上電后，該系統(tǒng)的晶體振蕩器一般需要100-200ms的穩(wěn)定期8。所選的電源器件一旦加電，其輸出電壓緊隨其輸入電壓，當(dāng)輸出電壓

40、達(dá)到啟動的最小電壓時（溫度為25時，其電壓為1.5V），引腳輸出低電平，并且至少保持200ms8，從而滿足復(fù)位要求。在運(yùn)行過程中，用戶也可以通過復(fù)位按鈕使DSP復(fù)位，復(fù)位是靠外部電路實現(xiàn)的，設(shè)計的復(fù)位電路如圖3.14所示。3.4.3 復(fù)位電路的設(shè)計復(fù)位通常有上電復(fù)位和手動復(fù)位兩種。上電復(fù)位由電源器件給出復(fù)位信號。一旦電源上電，系統(tǒng)便處于復(fù)位狀態(tài)，當(dāng)為低電平時，DSP復(fù)位。為使DSP初始化正確，應(yīng)保證為低電平并至少保持3個CLKOUT周期，同時在上電后，該系統(tǒng)的晶體振蕩器一般需要100-200ms的穩(wěn)定期7。所選的電源器件一旦加電，其輸出電壓緊隨其輸入電壓，當(dāng)輸出電壓達(dá)到啟動的最小電壓時（溫度為25時，其電壓為1.5V），引腳輸出低電平，并且至少保持200ms7，從而滿足復(fù)位要求。在運(yùn)行過程中，用戶也可以通過復(fù)位按鈕使DSP復(fù)位，復(fù)位是靠外部電路實現(xiàn)的，設(shè)計的復(fù)位電路如圖3.14所示。圖3.14 復(fù)位電路圖4 全文總結(jié)至此，UEGO傳感器控制器硬件電路設(shè)計完畢，完整的系統(tǒng)原理圖如圖4.1所示。寬帶型氧傳感器的使用，可以提高發(fā)動機(jī)電控單元的控制精度，最大限度地發(fā)揮了三元催化器的作用，更加有效地降低了有害氣體的排放。本