宽域氧传感器加热方法及其控制电路.pdf

本发明涉及一种宽域氧传感器加热方法及其控制电路，其控制电路包括：氧传感器、比较输出电路、微处理器、加热驱动电路，氧传感器的内阻一端接电源VCC，另一端接比较输出电路，氧传感器加热电阻的高端接氧传感器供电电压VPP，低端接加热驱动电路；比较输出电路的输出端接微处理器，微处理器向加热驱动电路输出驱动信号。加热过程中，氧传感器的内阻逐渐减小，使得比较器的输入电压逐渐增大，导致比较器翻转，微处理器根据比较器输出的脉冲信号来控制氧传感器加热的驱动信号，驱动信号为占空比可调的PWM波，通过加热驱动电路调整加热电阻上的电压，让氧传感器探头温度维持在恒定值。本发明电路结构简单，加热电阻的有效加热电压可由软件灵活调节。

权利要求书
1.  宽域氧传感器加热控制电路，其特征是，包括：氧传感器、比较输出电路、微处理器、加热驱动电路，其中氧传感器的内阻Ri一端接电源VCC，内阻Ri的另一端接比较输出电路，氧传感器加热电阻Rh的高端接氧传感器供电电压VPP，加热电阻Rh的低端接加热驱动电路；所述比较输出电路的输出端接微处理器，微处理器向加热驱动电路输出驱动信号；根据氧传感器的标定电阻值，预先设定比较输出电路中比较器的阈值电压，加热过程中，氧传感器的内阻Ri逐渐减小，使得比较器的输入电压逐渐增大，导致比较器翻转，微处理器根据比较器输出的脉冲信号来控制氧传感器加热的驱动信号，所述驱动信号为占空比可调的PWM波，通过加热驱动电路调整加热电阻Rh上的电压，让氧传感器探头温度维持在恒定值。

2.  如权利要求1所述的宽域氧传感器加热控制电路，其特征是，所述的比较输出电路包括电阻R1、R2、R3，电容C1以及比较器U1，电阻R1的一端接电源VCC，电阻R1另一端连接比较器U1的反向输入端，并经过电阻R2接地，比较器U1的同向输入端连接氧传感器内阻Ri的另一端，并经过电阻R3接地；电容C1的一端接氧传感器供电电压VPP，另一端接地；比较器U1的输出端信号S1进入微处理器，微处理器根据逻辑判断，输出驱动信号S2；所述加热驱动电路包括MOS管Q1，MOS管Q1的栅极接驱动信号S2，MOS管Q1漏极接氧传感器加热电阻Rh的低端，MOS管Q1源极接地。

3.  如权利要求2所述的宽域氧传感器加热控制电路，其特征是，电阻R1、R2、R3之间满足关系：其中，电阻R1、R2、R3为固定值，电阻RCAL为氧传感器的标定电阻值。

4.  宽域氧传感器加热方法，其特征是：采用的控制电路包括：氧传感器、比较输出电路、微处理器、加热驱动电路，其中氧传感器的内阻Ri一端接电源VCC，内阻Ri的另一端接比较输出电路，氧传感器加热电阻Rh的高端接氧传感器供电电压VPP，加热电阻Rh的低端接加热驱动电路；所述比较输出电路的输出端接微处理器，微处理器向加热驱动电路输出驱动信号；所述的比较输出电路包括电阻R1、R2、R3，电容C1以及比较器U1，电阻R1的一端接电源VCC，电阻R1另一端连接比较器U1的反向输入端，并经过电阻R2接地，比较器U1的同向输入端连接氧传感器内阻Ri的另一端，并经过电阻R3接地；电容C1的一端接氧传感器供电电压VPP，另一端接地；比较器U1的输出端信号S1进入微处理器，微处理器根据逻辑判断，输出驱动信号S2；所述加热驱动电路包括MOS管Q1，MOS管Q1的栅极接驱动信号S2，MOS管Q1漏极接氧传感器加热电阻Rh的低端，MOS管Q1源极接地；比较器U1的同向输入端输入电压VA，比较器U1的反向输入端输入电压VB；加热过程如下：
(a)电阻R1、R2、R3为固定值，Ri随着温度的升高而减小，在加热过程中，电压VA逐渐增大，在加热到目标值温度TCAL之前，比较器U1输出的信号S1为低电平，加热到目标温度时，信号S1由低电平跳变为高电平；
(b)当微处理器检测到信号S1为低电平时，则输出信号S2，信号S2为PWM波，若微处理器检测到信号S1为高电平，则关闭信号S2的输出；
(c)在信号S2的驱动下，MOS管Q1打开，加热电阻Rh工作，氧传感器温度升高。

5.  如权利要求4所述的宽域氧传感器加热方法，其特征是，在加热过程中，信号S2的PWM波信号的占空比变化分为3个阶段：(1)预热阶段，占空比为一个较小值，且保持不变；(2)温度上升阶段，占空比按一定规律逐渐增大；(3)温度保持阶段，占空比的大小由PID调节得到。

说明书宽域氧传感器加热方法及其控制电路
技术领域
本发明涉及一种宽域氧传感器加热方法及其控制电路，用于柴油机高压共轨系统中氧传感器内部温度加热。
背景技术
在发明专利CN101976086A中，采用电桥电路，通过电压调整电路向电桥电路提供加热电压，并通过误差放大电路调节输出电压大小，从而控制氧传感器的内阻阻值恒定。该专利是通过硬件方式来调节氧传感器的加热电压，缺乏调节灵活性。
另外，目前方案中，有采用专门的驱动芯片，把氧传感器的加热信号转化为电压值，再经A/D转换送入单片机系统，单片机据此判断氧传感器温度是否达到了标定值。这种方案不仅增加了测量误差的可能性和计算误差，还增加了成本。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种宽域氧传感器加热方法及其控制电路，使氧传感器在较短的时间内(小于20s)达到要求的最佳工作温度，并且保证氧传感器测量数据的准确性。
按照本发明提供的技术方案，所述的宽域氧传感器加热控制电路包括：氧传感器、比较输出电路、微处理器、加热驱动电路，其中氧传感器的内阻Ri一端接电源VCC，内阻Ri的另一端接比较输出电路，氧传感器加热电阻Rh的高端接氧传感器供电电压VPP，加热电阻Rh的低端接加热驱动电路；所述比较输出电路的输出端接微处理器，微处理器向加热驱动电路输出驱动信号；根据氧传感器的标定电阻值，预先设定比较输出电路中比较器的阈值电压，加热过程中，氧传感器的内阻Ri逐渐减小，使得比较器的输入电压逐渐增大，导致比较器翻转，微处理器根据比较器输出的脉冲信号来控制氧传感器加热的驱动信号，所述驱动信号为占空比可调的PWM波，通过加热驱动电路调整加热电阻Rh上的电压，让氧传感器探头温度维持在恒定值。
其中，所述的比较输出电路包括电阻R1、R2、R3，电容C1以及比较器U1，电阻R1的一端接电源VCC，电阻R1另一端连接比较器U1的反向输入端，并经过电阻R2接地，比较器U1的同向输入端连接氧传感器内阻Ri的另一端，并经过电阻R3接地；电容C1的一端接氧传感器供电电压VPP，另一端接地；比较器U1的输出端信号S1进入微处理器，微处理器根据逻辑判断，输出 驱动信号S2；所述加热驱动电路包括MOS管Q1，MOS管Q1的栅极接驱动信号S2，MOS管Q1漏极接氧传感器加热电阻Rh的低端，MOS管Q1源极接地。
电阻R1、R2、R3之间满足关系：其中，电阻R1、R2、R3为固定值，电阻RCAL为氧传感器的标定电阻值。
上述电路的宽域氧传感器加热方法为：设比较器U1的同向输入端输入电压VA，比较器U1的反向输入端输入电压VB，加热过程如下：
(a)电阻R1、R2、R3为固定值，Ri随着温度的升高而减小，在加热过程中，电压VA逐渐增大，在加热到目标值温度TCAL之前，比较器U1输出的信号S1为低电平，加热到目标温度时，信号S1由低电平跳变为高电平；
(b)当微处理器检测到信号S1为低电平时，则输出信号S2，信号S2为PWM波，若微处理器检测到信号S1为高电平，则关闭信号S2的输出；
(c)在信号S2的驱动下，MOS管Q1打开，加热电阻Rh工作，氧传感器温度升高。
在加热过程中，信号S2的PWM波信号的占空比变化分为3个阶段：(1)预热阶段，占空比为一个较小值，且保持不变；(2)温度上升阶段，占空比按一定规律逐渐增大；(3)温度保持阶段，占空比的大小由PID调节得到。
本发明的优点是：
(1)电路结构简单，不需要专门的驱动芯片，简化控制逻辑；
(2)初始工作时，采用软启动模式，氧传感器探头温度缓慢上升，可在20s左右时间达到标定值；
(3)氧传感器的加热电阻的有效加热电压由软件控制，可灵活调节。
(4)整个电路中使用普通元器件，实现成本低。
附图说明
图1是本发明的氧传感器加热控制电路图。
图2是信号波形图。
图3是氧传感器内阻与温度的关系曲线。
图4是信号流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种宽域氧传感器加热控制电路包括：氧传感器、比较输出 电路、微处理器、加热驱动电路，氧传感器部件包含加热电阻Rh以及传感器内阻Ri，其中氧传感器的内阻Ri一端接电源VCC，内阻Ri的另一端接比较输出电路，氧传感器加热电阻Rh的高端接氧传感器供电电压VPP，加热电阻Rh的低端接加热驱动电路。传感器内阻Ri被看作一可变电阻，参与外部电路的分压计算。微处理器接收比较输出电路的输出信号S1，控制加热驱动电路驱动信号S2的输出。信号S1为脉冲信号，微处理器根据信号S1的状态控制信号S2的输出。信号S2为可变占空比的PWM波信号。
所述的比较输出电路包括电阻R1、R2、R3，电容C1以及比较器U1，电阻R1的一端接电源VCC，电阻R1另一端连接比较器U1的反向输入端，并经过电阻R2接地，电阻R2的分压值为VB，VB送入比较器U1的反向输入端。比较器U1的同向输入端连接氧传感器内阻Ri的另一端，并经过电阻R3接地；电阻R3的分压值为VA，VA送入比较器U1的同向输入端。电容C1的一端接氧传感器供电电压VPP，另一端接地；比较器U1的输出端信号S1进入微处理器，微处理器根据逻辑判断，输出驱动信号S2；所述加热驱动电路包括MOS管Q1，MOS管Q1的栅极接驱动信号S2，MOS管Q1漏极接氧传感器加热电阻Rh的低端，MOS管Q1源极接地。
根据氧传感器的标定电阻值，预先设定比较输出电路中比较器的阈值电压，加热过程中，氧传感器的内阻Ri逐渐减小，使得比较器的输入电压逐渐增大，导致比较器翻转，微处理器根据比较器输出的脉冲信号来控制氧传感器加热的驱动信号，驱动信号为占空比可调的PWM波，通过加热驱动电路灵活调整加热电阻Rh上的电压，让氧传感器探头温度维持在恒定值。
基于上述电路的氧传感器加热方法，包括如下步骤：
(a)采样氧传感器内阻Ri与电阻R3组成的回路中的电压值VA，送入比较器U1的正向输入端，在电阻R1、R2组成的回路中，采样电压VB，送入比较器U1的反向输入端。其中，电阻R1、R2、R3为固定值，Ri随着温度的升高而减小，在加热过程中，VA处的电压值逐渐增大，在加热到目标值温度TCAL之前，比较器U1的输出信号S1为低电平，加热到目标温度时，信号S1由低电平跳变为高电平。
(b)当微处理器检测到信号S1为低电平时，则输出加热信号S2，信号S2为PWM波。若微处理器检测到信号S1为高电平，则关闭信号S2的输出。
(c)在信号S2的驱动下，MOS管Q1打开，加热电路工作，氧传感器温度升高。
在加热过程中，PWM波信号的占空比变化分为3个阶段：(1)预热阶段，占空比为一个较小值，且保持不变；(2)温度上升阶段，占空比按一定规律逐渐增大；(3)温度保持阶段，占空比的大小由PID调节得到。
以下对电路的具体工作方法进行更为详细的分析。
VA、VB的计算公式如下：
VA=R3R3+Ri·VCC;]]>
VB=R2R1+R2·VCC;]]>
其中，电阻R1、R2、R3满足如下关系：
R3R3+RCAL=R2R1+R2...(1)]]>
式(1)中，电阻RCAL为宽域氧传感器的标定电阻，是已知量，不同型号的宽域氧传感器其标定电阻值不同。若VA<VB，那么信号S1为高电平，微处理器输出信号S2，MOS管Q1工作，对氧传感器进行加热；若VA>VB，那么信号S1为低电平，微处理器禁止输出信号S2，MOS管Q1不工作，停止对氧传感器的加热。
所述的微处理器根据逻辑判断，输出加热驱动电路中MOS管Q1的驱动信号S2；MOS管Q1的栅极接微处理器的信号S2输出端，MOS管Q1的漏极接氧传感器加热电阻Rh的低端，MOS管Q1的源极接地。当信号S2的电平为高，则MOS管Q1导通，开始对Rh加热，氧传感器温度升高；当信号S2的电平为低，则MOS管Q1截止，停止加热，氧传感器温度降低。
图2为信号波形图。信号S1为比较器U1输出信号，是脉冲信号。当信号S1为高电平时，微处理器输出信号S2；当信号S1为低电平时，则微处理器禁止信号S2的输出，S2保持低电平，为无效信号。信号S2为MOS管Q1的驱动信号，为可变占空比的PWM波信号，占空比的计算公式为：
D=VEFFVBAT...(2)]]>
式(2)中，VREF是氧传感器加热有效电压，VBAT是氧传感器供电电压，电压值为VPP。
在信号S2的驱动下，氧传感器的加热过程分为三个阶段：
(1)开始加热时，氧传感器上可能有凝结水，对氧传感器造成损坏。因此加热有效电压应该保持在一个比较小的电压值V1。程序中固定PWM波的占空 比为将初始加热有效电压设置为V1，维持t1s，要求t1<8s。
(2)预热t1s后，将加热有效电压跃变到V2，然后以不大于0.4V/s的速度逐渐上升到VPP，电压逐渐上升阶段的PWM波占空比增加速率不大于在加热电压上升过程中，不断检测传感器的温度，如果在该阶段传感器温度已经达到TCAL，则立即进入加热电压闭环控制阶段。如果加热电压上升到VPP时，传感器温度还未达到TCAL，则加热电压保持在VPP，进行第三阶段加热，直到传感器温度达到TCAL。
(3)当检测到传感器温度达到TCAL后，即VA>VB，加热电压便采用PID闭环控制，PWM波的占空比由PID调节所得。
图3是宽域氧传感器内阻与温度的关系曲线。氧传感器内阻具有负系数热敏电阻特性，且电阻值和温度是非线性关系。电阻值可近似表示为：式中RT、RT0分别为温度T、T0时的电阻值，Bn为材料常数，金属氧化物本身由于温度变化而使电阻率发生变化，这是由半导体特性决定的。氧传感器核心元件是板状的ZrO2材料，属于双电池限流传感器，其中氧传感器的内阻Ri随加热温度T的升高而减小。图中，P点对应氧传感器的操作点，此时，加热温度为TCAL，氧传感器内阻为RCAL。
如图4所示，本发明的工作流程：步骤S01单片机初始化，开始程序运行，步骤S02中，单片机读取信号S1的状态，由于本发明针对的是线性宽域氧传感器，氧传感器内阻随温度的升高而减小。因此，初始阶段，电压VA逐渐增大，阈值电压VB不变，因此，VA<VB，信号S1电平为高。步骤S03判断信号S1是否为高电平，若是，则进入步骤S04，若不是，则返回步骤S02，单片机继续读取信号S1的状态。步骤S04中，单片机打开信号S2控制端口，输出PWM信号，驱动加热驱动电路，开始对氧传感器进行加热。步骤S05中，单片机判断氧传感器探头温度是否达到标定值TCAL，若已经达到，进入步骤S06，微处理器禁止信号S2端口；若氧传感器探头温度还没有达到标定值TCAL，则跳转到步骤S04，信号S2端口有效，继续对氧传感器进行加热控制。步骤S07中，由于氧传感器停止加热后，探头温度会下降，引起信号S1状态变化，因此微处理 器需读取信号S1状态，判断信号S1是否为高电平，即步骤S08,若S1为高电平，表示探头温度低于标定值TCAL，需要对氧传感器进行加热,程序进入步骤S09。若S1不为高电平，表示探头温度高于标定值TCAL，则程序进入步骤S06，禁止信号S2端口。步骤S09中，微处理器打开信号S2端口，进行加热控制，由于要让探头温度尽快上升到标定值，因此PID算法中根据实际值与目标值之间偏差的大小调节PWM波的占空比来驱动MOS管Q1。为避免加热时间过长，使得探头温度与标定值偏差较大，因此程序跳转到步骤S07，读取信号S1状态。目的是让探头温度保持在TCAL附近。最后，进入步骤S10，结束程序。