CN105548262A - 一种氮氧化物传感器控制系统 - Google Patents

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王杰
沈檀
蒋建华
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Abstract

本发明公开了一种氮氧化物(NOX)传感器控制系统，氮氧化物传感器控制系统包括2个CJ125集成接口电路、加热控制电路、微控制器单元(MCU)、CAN通信模块、显示装置和电源模块。本发明中的氮化物传感器控制系统通过采用两个CJ125集成接口电路实现对氮氧化物传感器的信号采集和两个泵单元的控制，微控制器接收CJ125集成接口电路采集的内阻测量电压信号和泵电流测量电压信号，进行相应运算处理，实现对氮氧化物传感器温度的控制、数据处理和信息输出。本发明所提出氮氧化物传感器控制系统简化了氮氧化物传感器的信号采集和两个泵单元的控制，提高了氮氧化物传感器控制器的控制性能和氮氧化物传感器检测精度。

Description

一种氮氧化物传感器控制系统
技术领域
本发明属于汽车电子传感检测领域，更具体地，涉及一种氮氧化物传感器控制系统。
背景技术
随着经济的快速发展，世界各国的汽车保有量迅速增加，这一趋势提高了居民的生活水平，但也加剧环境污染和能源短缺问题。汽车排放的尾气中主要包含CO,NOX,SOX和PM2.5等有害气体和物质，这些是温室效应和雾霾形成主要原因。其中NOX是形成光学雾霾的主要原因，NOX产生的主要来源是重型汽油机和柴油机内燃机燃烧尾气排放。在未来的很长时间里，内燃机将保持其作为汽车推进系统的优势地位。这一事实加大了汽车业所面临的挑战；为满足市场对经济型汽车不断增长的需求，必须减少内燃机的燃料消耗，同时必须减少由汽车二氧化碳以及氮氧化物排放造成的环境污染。同时，各国有关汽车尾气排放标准的法规正在变得越来越严格。基于陶瓷传感元件的传感器可测量汽车尾气中的NOX浓度，并将输入信号传送至发动机电控单元(ECU)，用以实现对发动机燃烧过程及排气后处理的高效控制。在柴油机中，则是通过将氨水注入选择性催化还原(SCR)系统来实现；在汽油发动机中则通过结合稀燃发动机技术控制NOX储存催化剂的再生周期来实现。汽车尾气中NOX浓度的检测是选择性催化还原(SCR)系统实现的关键技术，汽车尾气中NOX浓度检测控制系统包括NOX传感器及其控制器，NOX传感器本身的材料结构是影响其检测精度的关键因素，另一方面NOX传感器控制器是保证NOX传感器正常工作的前提条件，一种高性能的NOx传感器控制器有助于提高NOX传感器的检测精度。
通过检索现有的技术资料发现，国内外在NOX传感器的结构材料以及生产制造技术方面的研究都已趋于成熟，但是在NOX传感器控制器方面的研究国内远远落后于美国、日本以及欧美等汽车工业发达的国家。日本碍子株式会社(NGK)，基于自己在特殊陶瓷行业的优势，率先研制出氮氧化物传感器以及独立于发动机电控单元的氮氧化物传感器控制器，在丰田汽车上得到广泛引用；德国大陆集团与日本碍子株式会社联合开发的NOX智能传感器及其控制器已应用到执行欧Ⅳ排放标准的汽车上；德国博世(Bosch)公司，基于它在宽域氧传感器开发的技术积累开发出了氮氧化物传感器和氮氧化物传感器控制器，其检测控制性能均满足选择性催化还原(SCR)系统实现的要求，并广泛应用于各种型号的汽车发动机的零配件系统。国内氮氧化物传感器和氮氧化物传感器控制器市场基本被以上三家国外公司占领，但他们都没有公开氮氧化物控制器的详细产品资料，对国内进行技术封锁。
国内现有对氮氧化物控制器的研究主要集中在氮氧化物传感器控制器的仿真模拟上，如无锡隆盛科技有限公司公开了一种氮氧化物传感器的检测系统及检测方法，它提供了氮氧化物传感器的性能检测系统，给氮氧化物传感器的性能改进提供了测试平台，也可以进一步拓展成氮氧化物传感器控制器仿真模拟系统；美国专利US6635161B2公开了一种氮氧化物传感器控制单元及其传感检测系统，它公开了氮氧化物传感器控制单元的原理模块图和数据处理曲线图，但是没有提供控制器内具体的硬件参数和数据处理模型，以及软件控制程序；美国专利US8906213B2公开了一种氮氧化物传感器控制仪器详细介绍了控制方法和简单的模块图和控制流程图，但没有公开实际的实现方案；美国专利US6375828B2公开了一种氮氧化物传感器的结构设计和工作原理，涉及了一部分氮氧化物传感器控制器的模块组成图。总体而言，国内在氮氧化物传感器控制器还停留在实验室研究开发过程中。
发明内容
针对现有氮氧化物传感器控制器开发过程中的国外技术封锁以及国内的开发技术不足，本发明提出了一种氮氧化物传感器控制系统，提供了一种基于CJ125集成接口电路的所设计的氮氧化物控制器，为氮氧化物传感器控制器的开发提供了一个可行的方案。基于该方案，CJ125集成接口电路实现对氮氧化物传感器的信号采集和两个泵单元的控制，替代了基于一般分离元器件构成的信号采集和两个泵单元的控制电路，微控制器则只需要接收CJ125集成接口电路采集内阻测量电压信号和泵电流测量电压信号，进行相应运算处理，实现对氮氧化物传感器温度的控制、数据处理和信息输出。因此，基于本发明所设计氮氧化物传感器控制系统简化了氮氧化物传感器的信号采集和两个泵单元的控制，提高了氮氧化物传感器控制器的控制性能和氮氧化物传感器的检测精度。
为实现上述目的，本发明提出了一种氮氧化物传感器控制系统，其特征在于，所述系统包括第一CJ125集成接口电路(11)、第二CJ125集成接口电路(9)，加热驱动电路(8)和微控制器单元(22)；其中，
所述第一CJ125集成接口电路(11)，一方面通过控制线与氮氧化物传感器实体的第一泵单元(2)的正负电极(15)(16)连接，另一方面通过信号线分别与氮氧化物传感器实体内部测量单元的氧参考电极(4)及内阻测量参考电阻(10)连接；所述第一CJ125集成接口电路(11)，用于接收所述氧参考电极(4)输出的能斯特电压测量信号，进行运算处理，输出第一泵单元电压控制信号并加载到第一泵单元的正负电极，同时，用于检测第一泵单元的泵电流信号，并向所述微控制器单元(22)输出氮氧化物传感器实体内部测量单元的内阻测量电压信号以及与该泵电流呈线性关系的第一模拟电压信号；
所述第二CJ125集成接口电路(9)，通过控制线与氮氧化物传感器实体的第二泵单元(6)的正负电极(19)(18)连接，用于检测第二泵单元的泵电流信号，并向微控制器单元(22)输出与该泵电流呈线性关系的第二模拟电压信号；
所述微控制器单元(22)，用于根据接收的内阻测量电压信号、第一模拟电压信号及第二模拟电压信号，进行运算处理得到氮氧化物浓度NOX％值、氧浓度O2％值及空燃比A/F值，并将其以对应的模拟电压信号输出，同时，所述微控制器单元(22)还用于向加热驱动电路(8)输出温度控制信号。
作为进一步优选的，所述微控制器单元(22)包括A/D转换模块(23)、数据处理模块(25)、D/A转换模块(24)和温度控制模块(26)；其中，
所述A/D转换模块(23),用于接收并转换所述内阻测量电压信号、第一模拟电压信号及第二模拟电压信号；
所述数据处理模块(25)，用于根据所述A/D转换模块(23)转换后的信号进行运算处理，得到氮氧化物浓度NOX值、氧浓度O2值及空燃比A/F值并存储；
所述D/A转换模块(24)，一方面用于输出与氮氧化物浓度NOx％值、氧浓度O2％值及空燃比A/F值对应的模拟电压信号；另一方面用于输出恒定电压信号，并将其加载到所述氮氧化物传感器实体的第二泵单元(6)。
所述温度控制模块(26)，用于根据所述A/D转换模块(23)转换后内阻测量电压信号，进行温度PID控制运算，并向加热驱动电路(8)输出温度控制信号。
作为进一步优选的，所述第一CJ125集成接口电路(11)，具体用于将氧参考电极(4)上的能斯特电压信号与其内部设定的能斯特参考电压的偏差值作为PID运算的输入，经过PID运算处理输出第一泵单元(2)电压控制信号。
作为进一步优选的，所述第一CJ125集成接口电路(11)，具体用于输出恒流信号分别至氮氧化物传感器实体内部测量单元(27)及内阻测量参考电阻(10)，得到内阻测量电压信号并将其输出至微控制器单元(22)。
作为进一步优选的，其特征在于，所述检测第一泵单元的泵电流信号，具体包括检测第一泵单元(2)控制回路上泵电流测量电阻上的电压信号，对该电压信号进行线性化处理，输出与该泵电流呈线性关系的第一模拟电压信号。
作为进一步优选的，所述检测第二泵单元的泵电流信号，具体包括检测第二泵单元(6)控制回路上泵电流测量电阻上的电压信号，对该电压信号进行线性化处理，输出与该泵电流呈线性关系的第二模拟电压信号。
作为进一步优选的，所述系统还包括显示装置，所述显示装置用于显示氮氧化物浓度NOX％值、氧浓度O2％值及空燃比A/F值。
作为进一步优选的，所述系统还包括CAN通信模块，所述CAN通信模块用于将氮氧化物浓度NOX％值、氧浓度O2％值及空燃比A/F值发送至发动机电控单元ECU。
作为进一步优选的，所述温度控制信号为脉宽调制信号PWM。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
(1)本发明系统中通过采用两个CJ125集成接口电路实现对氮氧化物传感器的信号采集和两个泵单元的控制，显著简化了氮氧化传感器控制器的硬件电路设计，进一步提高了氮氧化传感器控制器的控制性能和氮氧化物传感器的检测性能；
(2)此外，本发明系统中氮氧化物传感器温度控制采用PWM控制实现，使得温度控制的精度更高；
(3)基于本发明所设计的氮氧化物传感器控制系统，可以以模拟电压形式以及CAN总线通信的方式输出检测得到的氮氧化物浓度NOX值、氧浓度O2值及空燃比A/F。
附图说明
图1为氮氧化物传感器控制系统结构图；
图2为CJ125集成芯片典型应用电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，左侧为氮氧化物传感器实体20，所述氮氧化物传感器实体20包括第一加热器1、第二加热器7、第一泵单元2、第一处理腔室3、第二泵单元6、第二处理腔室5、气体扩散通道29；
右侧为本发明所述的一种氮氧化物传感器控制系统21，包括第一CJ125集成接口电路11、第二CJ125集成接口电路9，加热驱动电路8、微控制器单元22、CAN通信模块12、显示装置13、电源模块14；微控制器单元包括A/D转换模块23、D/A转换模块24、数据处理模块25和温度控制模块26；其中：
氮氧化物传感器实体的第一泵单元2的正负电极15、16通过控制线连接到第一CJ125集成接口电路11，氮氧化物传感器实体内部测量单元的氧参考电极4通过信号线连接到第一CJ125集成接口电路11，氮氧化物实体内部测量单元的内阻测量参考电阻10通过信号线连接到第一CJ125集成接口电路11。第一CJ125集成接口电路11根据输入的能斯特电压测量信号，进行相应的运算处理输出第一泵单元电压控制信号加载到第一泵单元的正负极，同时，第一CJ125集成接口电路11检测第一泵单元的泵电流信号，并输出氮氧化物传感器实体内部测量单元的内阻测量电压信号以及与泵电流呈线性关系的第一模拟电压信号至微控制器单元22的A/D转换模块23；
氮氧化物传感器实体的第二泵单元6的正负电极19和18通过控制线连接到第二CJ125集成接口电路9，第二CJ125集成接口电路9根据输入的泵电流检测电压信号进行相应的运算处理输出与泵电流呈线性关系的第二模拟电压信号至微控制器单元22的A/D转换模块23；
微控制器单元22接收第一CJ125集成接口电路11和第二CJ125集成接口电路9的输出信号进行相应的A/D转换。数据处理模块根据A/D转换的结果进行相应的数据处理得到氮氧化物浓度NOX％值、氧浓度O2％值、空燃比A/F％值并存储；温度控制模块26根据所述A/D转换模块(23)转换后内阻测量电压信号，进行温度PID控制运算，输出温度控制信号至加热驱动电路(8)；D/A转换模块(24)，一方面输出与氮氧化物浓度NOX％值、氧浓度O2％值及空燃比A/F值对应的模拟电压信号；另一方面输出恒定电压信号，并将其加载到所述氮氧化物传感器实体的第二泵单元(6)，实现对第二泵单元的控制以调节第二处理腔室5的气氛。同时微控制器单元22可以将NOX％值、氧浓度O2％值、空燃比A/F％值的信息通过显示装置13显示输出以及通过CAN通信模块12发送至发动机电控单元ECU28；电源模块(15)的输入时正12V，输出正14V、正3.3V以及正5V的电源给整个系统供电。
第一CJ125集成接口电路(11)，经过氮氧化物传感器的信号采集和处理，将氧参考电极(4)上的能斯特电压测量信号与其内部设定的能斯特参考电压的偏差值作为PID运算的输入，经过PID运算处理输出第一泵单元(2)电压控制信号以调节第一处理腔室3的氧气浓度，使氧参考电极上的能斯特电压达到设定值。第一CJ125集成接口电路(11)，通过输出恒流信号分别加载到至氮氧化物传感器实体内部测量单元(27)及内阻测量参考电阻(10)，得到内阻测量电压信号并将其输出至微控制器单元(22)，实现内阻的测量。同时，第一泵单元的泵电流信号的检测是通过采集第一泵单元控制回路上泵电流测量电阻上的电压信号，然后对该电压信号进行线性化处理，输出与该泵电流呈线性关系的第一模拟电压信号。
第二CJ125集成接口电路(9)也是通过检测第二泵单元(6)控制回路上泵电流测量电阻上的电压信号，对该电压信号进行线性化处理，输出与该泵电流呈线性关系的第二模拟电压信号。
本发明所述系统中的氮氧化物传感器实体20主要是针对平板式氮氧化物传感器，实际应用过程中一般为NGK公司或者BOSCH公司的平板式氮氧化物传感器。CJ125集成接口电路9、11采用BOSCH半导体公司CJ125集成接口芯片结合外围硬件电路组成，也可以使用其他型号的集成接口芯片，CJ125集成芯片的外围硬件电路实现可以参考CJ125集成芯片的典型应用电路，如图2所示；温度控制采用PWM控制，PWM通过软件产生，其占空比通过温度控制模块26控制。加热驱动电路8可以采用基于BUK138-50DL功率MOS管构成；电源模块14的输入电压为+12V，变换输出电压为+5V和+3.3V；显示装置13采用液晶屏显示；微控制器单元(MCU)22基于STM32F103VET6构建，其片上集成了12位的A/D转换器23、D/A转换器24和CAN通信控制器26。
CJ125集成芯片的外围硬件电路参考CJ125集成芯片典型应用电路实现，构成第一CJ125集成接口电路11。氮氧化物传感器实体20的第一泵单元2的正负电极15通过调节电阻和测量电阻连接到CJ125集成芯片的IA端口上，负电极16直接连到CJ125集成芯片的参考电压输出端口VM上；氮氧化物传感器实体20的能斯特电压测量电极4连接到CJ125集成芯片的UN端口上，氮氧化物实体内部测量单元的内阻测量参考电阻Rcal串联在CJ125集成芯片的RS和VM端口上。CJ125集成芯片通过采集UN端口上的能斯特电压信号与其内部设定的参考电压比较产生偏差，偏差作为PID控制的输入，经过PID运算输出第一泵单元电压控制信号VP1，通过IA端口加载到第一泵单元上。CJ125集成芯片通过IA和IP端口采集泵电流测量电阻上的电压信号，经过硬件线性化处理输出与泵电流IP1呈线性化关系的模拟电压VIP1，通过CJ125的UA端口输出至微控制器单元22的AD转换模块23。氮氧化物传感器实体内部测量单元的内阻测量电流信号分别通过CJ125集成芯片的UN和RS端口加载到氮氧化物传感器实体内部测量单元27和内阻测量参考电阻Rcal上，在不同的控制状态下，UR上分别输出内阻测量电压和参考电阻两端电压，通过CJ125的UR端口输出至微控制器单元22的A/D转换模块23。
CJ125集成芯片的外围硬件电路参考CJ125集成芯片典型应用电路实现，构成第二CJ125集成接口电路9。微控制器单元22通过其D/A转换模块24输出输出一恒定的电压信号VP2加载到氮氧化物传感器实体20的第二泵单元6的正电极19上，第二泵单元的负电极18直接连到CJ125集成芯片的参考电压输出端口VM上；CJ125集成芯片通过IA和IP端口采集泵电流测量电阻上的电压信号，经过硬件线性化处理输出与泵电流IP2呈线性化关系的模拟电压VIP2，通过CJ125的UA端口输出至微控制器单元22的A/D转换模块23。
微控制器单元22的通过其AD转换模块23分别采集第一CJ125集成接口电路11的端口UR、UA的信号以及第二CJ125集成接口电路9的端口UA的信号，微控制器单元22根据第一CJ125集成接口电路11的端口UR的内阻测量电压电压信号，经过相应的运算处理得到温度控制偏差信号，并输入至温度控制模块26的信号进行相应的PID运算，输出温度控制PWM信号至加热驱动电路，实现对氮氧化物传感器的温度控制。微控制器单元22将采集到的VIP1，VIP2电压信号存储在微控制器的RAM区，基于IP1与VIP1以及IP2与VIP2的线性关系求取第一泵单元泵电流IP1和第二泵单元泵电流IP2的值，然后基于IP1与氧浓度O2％的线性关系、IP1与氧浓度空燃比A/F非线性关系求取被测量尾气的氧浓度O2％和空燃比A/F的值，同时基于IP1、IP2与NOX％之间的非线性转换关系求取氮氧化物浓度值NOX％。其中IP1与氧浓度O2％的线性关系数学模型，IP1与氧浓度空燃比A/F非线性关系数学模型和IP1、IP2与NOX％之间的非线性转换关系数学模型均存储在微控制器的RAM区。氧浓度O2％值、空燃比A/F值、氮氧化物浓度值NOX％等信息均可以输出至显示装置13显示，也可以通过CAN通信控制器，发送至发动机电控单元ECU。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种氮氧化物传感器控制系统，其特征在于，所述系统包括第一CJ125集成接口电路(11)、第二CJ125集成接口电路(9)，加热驱动电路(8)和微控制器单元(22)；其中，
所述第一CJ125集成接口电路(11)，一方面通过控制线与氮氧化物传感器实体的第一泵单元(2)的正负电极(15)(16)连接，另一方面通过信号线分别与氮氧化物传感器实体内部测量单元的氧参考电极(4)及内阻测量参考电阻(10)连接；所述第一CJ125集成接口电路(11)，用于接收所述氧参考电极(4)输出的能斯特电压测量信号，进行运算处理，输出第一泵单元电压控制信号并加载到第一泵单元的正负电极，同时，用于检测第一泵单元的泵电流信号，并向所述微控制器单元(22)输出氮氧化物传感器实体内部测量单元的内阻测量电压信号以及与该泵电流呈线性关系的第一模拟电压信号；
所述第二CJ125集成接口电路(9)，通过控制线与氮氧化物传感器实体的第二泵单元(6)的正负电极(19)(18)连接，用于检测第二泵单元的泵电流信号，并向微控制器单元(22)输出与该泵电流呈线性关系的第二模拟电压信号；
所述微控制器单元(22)，用于根据接收的内阻测量电压信号、第一模拟电压信号及第二模拟电压信号，进行运算处理得到氮氧化物浓度NOX％值、氧浓度O2％值及空燃比A/F值，并将其以对应的模拟电压信号输出，同时，所述微控制器单元(22)还用于向加热驱动电路(8)输出温度控制信号。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微控制器单元(22)包括A/D转换模块(23)、数据处理模块(25)、D/A转换模块(24)和温度控制模块(26)；其中，
所述A/D转换模块(23),用于接收并转换所述内阻测量电压信号、第一模拟电压信号及第二模拟电压信号；
所述数据处理模块(25)，用于根据所述A/D转换模块(23)转换后的信号进行运算处理，得到氮氧化物浓度NOX％值、氧浓度O2％值及空燃比A/F值并存储；
所述D/A转换模块(24)，一方面用于输出与氮氧化物浓度NOX％值、氧浓度O2％值及空燃比A/F值对应的模拟电压信号；另一方面用于输出恒定电压信号，并将其加载到所述氮氧化物传感器实体的第二泵单元(6)。
所述温度控制模块(26)，用于根据所述A/D转换模块(23)转换后内阻测量电压信号，进行温度PID控制运算，并向加热驱动电路(8)输出温度控制信号。
3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述第一CJ125集成接口电路(11)，具体用于将氧参考电极(4)上的能斯特电压信号与其内部设定的能斯特参考电压的偏差值作为PID运算的输入，经过PID运算处理输出第一泵单元(2)电压控制信号。
4.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述第一CJ125集成接口电路(11)，具体用于输出恒流信号分别至氮氧化物传感器实体内部测量单元(27)及内阻测量参考电阻(10)，得到内阻测量电压信号并将其输出至微控制器单元(22)。
5.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述检测第一泵单元的泵电流信号，具体包括检测第一泵单元(2)控制回路上泵电流测量电阻上的电压信号，对该电压信号进行线性化处理，输出与该泵电流呈线性关系的第一模拟电压信号。
6.根据权利要求1或2所述氮氧化物传感器控制系统，其特征在于，所述检测第二泵单元的泵电流信号，具体包括检测第二泵单元(6)控制回路上泵电流测量电阻上的电压信号，对该电压信号进行线性化处理，输出与该泵电流呈线性关系的第二模拟电压信号。
7.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括显示装置，所述显示装置用于显示氮氧化物浓度NOX％值、氧浓度O2％值及空燃比A/F值。
8.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括CAN通信模块，所述CAN通信模块用于将氮氧化物浓度NOX％值、氧浓度O2％值及空燃比A/F值发送至发动机电控单元ECU。
9.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述温度控制信号为脉宽调制信号PWM。
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