一种宽域氧传感器控制器仿真系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于汽车电子传感检测领域，更具体地，其涉及一种宽域氧传感器控制器仿真系统。
【背景技术】
[0002]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C0，N0x，S0x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。宽域氧传感器，简称λ (空气燃油比例)传感器，是现实应用最为广泛的汽车尾气氧含量检测装置，其通过检测汽车尾气中的氧气浓度，并将检测结果反馈给发动机电子控制单元(ECU)以提高发动机的燃烧性能，同时，提高汽车尾气处理系统中三元催化剂的催化效率，减少有害气体排放。高性能的宽域氧传感器控制器是保证宽域氧传感器检测精度的关键，因此宽域氧传感器控制器的设计开发显得尤为重要。
[0003]通过检索发现关于宽域氧传感器的研究主要集中在宽域氧传感器的内部材料和内部测量结构以及生产制造方面。同时国内在宽域氧传感器控制器方面的研究不具有系统性，例如扬州清玛汽车有限公司公开的一种汽车发动机宽域氧传感器栗单元的控制及信号采集电路，仅提供了一种针对控制器内部某一模块的硬件设计；上海格令汽车有限公司公开的一种宽域氧传感器设计方法，其并没有说明具体的开发过程以及最终的实现结果；同时还有一些涉及电子模拟氧传感器，故障诊断方面的研究。现有的技术研究只停留在涉及宽域氧传感器部分硬件的实际开发和模拟方面，并没有阐述通过一套完整的开发系统来开发针对具体型号的宽域氧传感器控制器。日本，美国，德国一些汽车公司在宽域氧传感器控制器研究方面的技术相对比较成熟，例如丰田，沃尔沃，Bosch等，但是公开的技术文档非常少。
[0004]现有关于宽域氧传感器控制器的研究存在以下缺陷:(1)现有技术中并没有针对宽域氧传感器控制器的初期开发提供一种完善的仿真系统，宽域氧传感器控制器设计过程中温度控制算法，栗单元控制算法以数据处理模型测试都必须在实际的硬件上进行，增加了宽域氧传感器控制器初期的开发成本，硬件可修改性和软件开发速度都会降低；(2)现有的宽域氧传感器控制器仿真都是基于对象模型进行的，由于对象模型不能完全反应实际对象的特性，控制器中控制算法无法完全针对实际对象的特性设计，导致基于上述仿真结果设计的宽域氧传感器控制器控制精度不高；(3)现有的宽域氧传感器控制器设计和氧传感型号是一一对应的，控制器温度控制和数据转换模型不能很好地兼容某个系列的各种型号宽域氧传感器。
【发明内容】
[0005]针对以上宽域氧传感器控制器开发过程中的不足，本发明提供了一种宽域氧传感器控制器仿真系统。其中本发明控制器仿真系统可以针对不同的宽域氧传感器实体作为控制对象进行开发设计，因此基于本系统开发的控制器控制精度更高；且数据处理模块可根据宽域氧传感器实体型号的不同对数据转换模型进行选择，因此上述系统不仅简化了仿真过程中对硬件的需求，使控制算法的设置更加灵活，同时增加了算法的可修改性，显著提高了现有宽域氧传感器控制器设计的兼容性。
[0006]为实现上述目的，本发明提出了一种宽域氧传感器控制器仿真系统，其特征在于，所述系统主要包括宽域氧传感器控制器仿真模块和加热驱动电路；所述宽域氧传感器控制器仿真模块包括硬件接口、采样滤波单元、温度控制单元、栗单元控制单元、数据处理单元和CAN通信单元；
[0007]其中，所述温度控制单元用于接收由采样滤波单元发送的参考电阻交流电压信号，经温度控制PID运算处理后得到脉宽调制PWM控制信号，且当温度控制达到预定范围内时，所述温度控制单元还用于产生栗单元控制使能信号El = 1 ；
[0008]所述栗单元控制单元用于接收由采样滤波单元发送的Nernst电压信号，并循环检测所述栗单元控制使能信号，当E1 = 1，将所述Nernst电压信号通过栗单元控制PID运算处理后得到电压控制信号，且当所述Nernst电压信号的检测值达到预定范围内时，所述栗单元控制单元还用于产生栗电流检测使能信号E2 = 1 ；
[0009]所述数据处理单元用于循环检测所述栗单元控制使能信号和栗电流检测使能信号，当且仅当El = 1及E2 = 1时，所述数据处理单元还用于接收由采样滤波单元发送的栗电流测量电阻电压信号，并根据选取的栗电流/空燃比转换模型对所述栗电流测量电阻电压信号进行运算处理，得到空燃比输出信号；
[0010]所述硬件接口包括ADC输入接口及DAC输出接口，所述ADC输入接口用于将宽域氧传感器实体发送的实时信号传输至所述采样滤波单元，所述DAC输出接口分别用于将所述脉宽调制PWM控制信号发送至加热驱动电路、将所述电压控制信号输出并作用于宽域氧传感器实体的栗单元，及将所述空燃比输出信号直接发送至发动机电控单元EOT;
[0011]所述CAN通信单元也可用于将所述空燃比输出信号发送至发动机电控单元EOT ;
[0012]所述加热驱动电路用于根据所述脉宽调制PWM控制信号对宽域氧传感器进行温度控制。
[0013]作为进一步优选的，所述采样滤波单元包括信号采样单元、高通滤波单元、低通滤波单元和差分输入单元，所述信号采样单元通过硬件接口采集由宽域氧传感器实体发送的实时信号，继而，分别经过低通滤波单元、高通滤波单元和差分输入得到对应的参考电阻交流电压信号、Nernst电压信号及栗电流测量电阻电压信号。
[0014]作为进一步优选的，所述系统还包括校准触发电路模块，所述校准触发电路模块包括温度测量参考电阻选择单元和栗电流检测校准单元，所述校准触发电路模块用于设置与宽域氧传感器实体型号对应的参考电阻和校准栗电流，供温度控制单元和数据处理单元进行相应的运算处理。
[0015]作为进一步优选的，所述数据处理单元还可用于根据宽域氧传感器实体的型号从栗电流/空燃比转换模型库中选择相应的栗电流/空燃比转换模型进行运算处理，其中，所述栗电流/空燃比转换模型库可基于不同型号的宽域氧传感器产品性能测试数据建立，或基于宽域氧传感器实体内部检测单元的电化学特性建立。
[0016]作为进一步优选的，所述宽域氧传感器控制器仿真模块采用dSPACE实时仿真系统进行实现。
[0017]作为进一步优选的，所述采样滤波单元、温度控制单元、栗单元控制单元及数据处理单元可在Matlab/Simulink环境中仿真实现。
[0018]作为进一步优选的，所述宽域氧传感器控制器仿真模块还包括ControlDesk实时监控平台，用于提供人机交互界面、参数检测、参数显示及控制参数在线修改。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:
[0019](1)本发明为宽域氧传感器控制器的设计提供了一个完善的半实物仿真开发平台，降低了宽域氧传感器控制器初期开发的硬件成本，并提高了控制器控制算法开发效率;
[0020](2)基于本系统开发的宽域氧传感器控制器对各种型号的氧传感器的兼容性更强；
[0021](3)本发明所述的系统为半实物仿真系统，宽域氧传感器实体能够更好地反映被控对象的特性，本系统中的宽域氧传感器实体可以置于实际的汽车尾气环境进行测试，因此基于本系统设计的宽域氧传感器控制器更具有针对性，性能更高。
【附图说明】
[0022]图1是宽域氧传感器控制器仿真系统结构图；
[0023]图2是与系统结构图对应的控制结构示意图；
[0024]图3是控制算法流程图；
[0025]图4是本发明实施例中的温度控制误差曲线图；
[0026]图5是本发明实施例中的空气环境下栗电流输出曲线图。
【具体实施方式】
[0027]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。
[0028]1.系统组成
[0029]本发明系统是基于dSPACE实时仿真系统构建的，dSPACE实时仿真系统为一套基于Matlab/Simulink的控制系统开发工作平台。在本发明中，选用dSPACE RTI 1103，当然也可以选择dSPACE其他型号的平台。宽域氧传感器控制器模型在Matlab软件中的Simulink环境下构建，在Simulink环境中根据图1，2所示的系统结构图和控制结构示意图建立完整的控制模型。
[0030]图1为系统结构图，包括宽域氧传感器控制器仿真模块，加热驱动电路和宽域氧传感器实体；其中所述宽域氧传感器控制器仿真模块由硬件接口、采样滤波单元、温度控制单元、栗单元控制单元、数据处理单元和CAN通信单元组成，所述硬件接口包括ADC输入接口及DAC输出接口 ；所述采样滤波单元包括信号采样单元、高通滤波单元、低通滤波单元和差分输入单元，所述信号采样单元通过ADC输入接口采集由宽域氧传感器实体发送的实时信号，继而，分别经过低通滤波单元、高通滤波单元和差分输入得到对应的参考电阻交流电压信号、Nernst电压信号及栗电流测量电阻电压信号信号。
[0031]其中，所述宽域氧传感器控制器仿真模块还包括dSPACE系统组件ControlDesk实时监控平台，用于提供人机交互界面、参数检测、参数显示及控制参数在线修改。
[0032]另外，所述系统还可包括校准触发电路模块，所述校准触发电路模块包括参考电阻选择单元和栗电流检测校准单元，通过该校准触发电路模块设置与宽域氧传感器实体型号对应的参考电阻和校准栗电流，以提供给温度控制单元和数据处理单元进行相应的运算处理。图2为图1系统结构图对应的控制模块示意图，以下结合图2对本发明的温度控制单元、栗单元控制单元、数据处理单元作出如下介绍。
[0033]如图2所示，所述温度控制单元用于接收由采样滤波单元发送的参考电阻交流电压信号，经温度控制PID运算处理后得到脉宽调制PWM控制信号，继而，通过DAC输出接口将该脉宽调制PWM控制信号发送至加热驱动电路，所述加热驱动电路用于根据该脉宽调制PWM控制信号对宽域氧传感器进行温度控制，当温度控制达到预定范围内时，所述温度控制单元用于产生栗单元控制使能信号El = 1 ;
[0034]所述栗单元控制单元用于接收由采样滤波单元发送的Nernst电压信号，并循环检测所述栗单元控制