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技术领域

本发明涉及一种控制系统及方法，尤其是一种氧传感器控制系统与方法，属于发动机控制的技术领域。

背景技术

公开号为CN103440003A的文件公开了一种氧传感器的加热控制方法，其主要实现对氧传感器的加热控制。该公开文件采用的技术手段和达成的效果是：根据启动工况设置加热方式，结合氧传感器特性和加热需求，确定加热效率分布，将加热效率分布转换成加热开关控制量，从而实现氧传感器尽快进入工作状态。在进入就绪工作状态后，提供恒定占空比的加热控制模式维持氧传感器的工作状态。该公开文件所公开技术方案的不足及原因是：仅说明了在氧传感器进入就绪工作状态前的氧传感器加热方法，而在实际氧传感器的排气管安装环境中，其环境温度是可变的，并不能保证氧传感器的温度始终处于工作状态，此时采用恒定占空比加热控制模式不能识别排气温度环境的变化引起的氧传感器工作状态的改变。

公开号为CN103195594A的文件公开了一种氧传感器的数据采集与处理方法，其基于工况数据和过量空气系数实现对柴油机EGR系统的反馈控制。该公开文件采用的技术手段和达成的效果是：柴油机EGR控制系统包括转速传感器、油门踏板传感器、宽域氧传感器、柴油机控制器、H桥驱动器、直流电机等。系统由柴油机控制器作为控制模块；转速传感器和油门踏板传感器信号作为反馈参数，输入柴油机控制器，并由其判定当前工况的最优过量空气系数Map数据；根据宽域氧传感器采集废弃中的氧含量，输入柴油机控制器，进行实际过量空气系数的Map图查询，将查询结果与和最优过量空气系数Map数据的差值作为反馈控制量，利用PID控制方法驱动H桥驱动器直流电机，实现对EGR阀的控制。所述公开文件中技术方案的不足及原因是：其主要涉及发动机工况判定、氧传感器的数据采集和处理以及EGR阀的控制，对于氧传感器的数据精度和响应时间以及柴油机控制器的数据负荷处理方式均未提及。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种氧传感器控制系统与方法，其能降低排气管温度变化对氧传感器的影响，提高氧传感器的数据采集精度，降低传感器数据给主核处理器带来的负荷。

按照本发明提供的技术方案，所述氧传感器控制系统，包括安装在排气管上的氧传感器、安装于发动机凸轮轴上的转速传感器以及安装于油门踏板处的油门踏板传感器；所述氧传感器、油门踏板传感器以及转速传感器均与氧传感器控制器连接，氧传感器控制器与用于对氧传感器进行加热的加热控制模块连接；

氧传感器将采集的过量空气信号以及所述氧传感器探头附近的当前温度传输至氧传感器控制器内，氧传感器控制器还接收油门踏板传感器采集的油量信号以及转速传感器采集的转速信号，氧传感器控制器根据转速信号与油量信号判断发动机的类型以及所述发动机的当前工况，氧传感器控制器根据判定发动机的类型选取预先存储于氧传感器控制器内的Map图，且氧传感器控制器根据判断发动机的当前工况确定加热控制信号；

氧传感器控制器控制加热控制模块根据加热控制信号对氧传感器进行加热，以使得氧传感器的探头能处于最优工作温度区间；当氧传感器的探头处于最优工作温度区间后，氧传感器控制器根据氧传感器采集的过量空气信号以及选取的Map图确定过量空气系数。

所述加热控制信号为PWM信号，加热控制信号控制加热控制模块对氧传感器的探头加热过程为启动加热阶段或工作加热阶段；

在启动加热阶段，加热控制信号根据起始工况控制加热控制模块按规定加热速率对氧传感器的探头进行加热，直至氧传感器的探头温度达到指定工作温度，所述起始工况是指氧传感器控制器根据氧传感器采集所述氧传感器探头附近的当前温度、转速传感器采集的当前转速以及油门踏板传感器采集的油量信号确定的起始加热点以及起始加热时间；

在工作加热阶段，若氧传感器探头附近的当前温度未达到标定阈值的下限时，加热控制信号采用Bang-Bang控制法使得加热控制模块按规定加热速率对氧传感器的探头进行加热，直至氧传感器探头附近的当前温度为标定阈值的下限；在氧传感器探头附近的当前温度位于标定阈值内时，加热控制信号采用PID控制法控制热控制模块对氧传感器的探头进行加热，以使得氧传感器的探头处于最优工作温度区间。

所述氧传感器控制器判断发动机的类型为汽油机或柴油机，当发动机为汽油机时，氧传感器控制器将过量空气信号与汽油机Map图在lamda（0.62~1.2）标定数据范围内采用多点线性插值进行拟合，以得到汽油机的过量空气系数；当发动机为柴油机时，氧传感器控制器将过量空气信号与柴油机Map图在lamda（1~6）标定数据范围内采用多点线性插值进行拟合，以得到柴油机的过量空气系数。

所述氧传感器控制器包括信号处理模块、算法解析模块、机型判定模块以及插值匹配模块；

氧传感器控制器通过信号处理模块与氧传感器、油门踏板传感器以及转速传感器连接，信号处理模块能将氧传感器采集的过量空气信号、氧传感器探头附近的当前温度、油门踏板传感器采集油量信号以及转速传感器采集的转速信号分别转换为过量空气数字信号、氧传感器探头附近的当前温度数字信号、油量数字信号以及转速数字信号；算法解析模块接收并解析所述过量空气数字信号，氧传感器探头附近的当前温度数字信号、油量数字信号以及转速数字信号，机型判定模块根据解析后的过量空气数字信号、油量数字信号以及转速数字信号判断发动机的类型以及发动机的当前工况，机型判断模块根据发动机的当前工况向加热控制模块传输加热控制信号；插值匹配模块根据机型判定模块判定发动机的类型选取Map图，并将选取的Map图与过量空气数字信号进行拟合，以确定所需的过量空气系数；插值匹配模块将确定的过量空气系数通过消息收发模块传输至车辆控制系统节点。

所述氧传感器控制器包括主核处理器以及辅核处理器，所述主核处理器与辅核处理器均能读写动态数据共享区，主核处理器在读写动态数据共享区时，禁止辅核处理器对动态数据共享区的读写操作；辅核处理器在读写动态数据共享区时，禁止主核处理器对动态数据共享区的读写操作；

信号处理模块位于辅核处理器内，辅核处理器能向加热控制模块传输加热控制信号；算法解析模块、机型判断模块以及插值匹配模块均位于主核处理器内。

所述氧传感器控制器能与用于标定或维修的上位机连接，氧传感器控制器将过量空气系数、转速信号、油量信号以及氧传感器探头附近的当前温度均传输至上位机内，以由上位机显示输出。

一种氧传感器的控制方法，将氧传感器安装于排气管上，将转速传感器安装于在发动机的凸轮轴上且将油门踏板传感器安装在油门踏板处；所述氧传感器、油门踏板传感器以及转速传感器均与氧传感器控制器连接，氧传感器控制器与用于对氧传感器进行加热的加热控制模块连接；

氧传感器将采集的过量空气信号以及所述氧传感器探头附近的当前温度传输至氧传感器控制器内，油门踏板传感器将采集的油量信号、转速传感器将采集的转速信号均传输至氧传感器控制器内；氧传感器控制器根据转速信号与油量信号判断发动机的类型以及所述发动机的当前工况，氧传感器控制器根据判定发动机的类型选取预先存储于氧传感器控制器内的Map图，且氧传感器控制器根据判断发动机的当前工况确定加热控制信号；

氧传感器控制器控制加热控制模块根据加热控制信号对氧传感器进行加热，以使得氧传感器的探头能处于最优工作温度区间；当氧传感器的探头处于最优工作温度区间后，氧传感器控制器根据氧传感器采集的过量空气信号以及选取的Map图确定过量空气系数。

所述加热控制信号为PWM信号，加热控制信号控制加热控制模块对氧传感器的探头加热过程为启动加热阶段或工作加热阶段；

在启动加热阶段，加热控制信号根据起始工况控制加热控制模块按规定加热速率对氧传感器的探头进行加热，直至氧传感器的探头温度达到指定工作温度，所述起始工况是指氧传感器控制器根据氧传感器采集所述氧传感器探头附近的当前温度、转速传感器采集的当前转速以及油门踏板传感器采集的油量信号确定的起始加热点以及起始加热时间；

在工作加热阶段，若氧传感器探头附近的当前温度未达到标定阈值的下限时，加热控制信号采用Bang-Bang控制法使得加热控制模块按规定加热速率对氧传感器的探头进行加热，直至氧传感器探头附近的当前温度为标定阈值的下限；在氧传感器探头附近的当前温度位于标定阈值内时，加热控制信号采用PID控制法控制热控制模块对氧传感器的探头进行加热，以使得氧传感器的探头处于最优工作温度区间。

所述氧传感器控制器判断发动机的类型为汽油机或柴油机，当发动机为汽油机时，氧传感器控制器将过量空气信号与汽油机Map图在lamda（0.62~1.2）标定数据范围内采用多点线性插值进行拟合，以得到汽油机的过量空气系数；当发动机为柴油机时，氧传感器控制器将过量空气信号与柴油机Map图在lamda（1~6）标定数据范围内采用多点线性插值进行拟合，以得到柴油机的过量空气系数。

所述氧传感器控制器包括主核处理器以及辅核处理器，所述主核处理器与辅核处理器均能读写动态数据共享区，主核处理器在读写动态数据共享区时，禁止辅核处理器对动态数据共享区的读写操作；辅核处理器在读写动态数据共享区时，禁止主核处理器对动态数据共享区的读写操作。

本发明的优点：

1、当氧传感器进入就绪状态后，氧传感器控制器根据发动机的当前工况确定执行对氧传感器的启动加热阶段或工作加热阶段的加热过程，迅速消除排气管温度变化对氧传感器温度状态的影响，确保氧传感器的探头处于最优工作温度区间。

2、针对柴油机与汽油机的不同过量空气系数工作范围特点，氧传感器控制器先判定发动机的类型，从而根据对应机型选取Map图，将选取的Map图与过量空气数字信号进行拟合，得到过量空气系数，提高数据精度。

3、氧传感器控制器采用主核处理器与辅核处理器的双核结构，其中辅核处理器控制外部传感器数据，主核处理器完成外部传感器数据处理功能，双核微处理器能有效降低氧传感器产生的额外数据负荷。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明加热控制模块对氧传感器的探头进行加热的示意图。

图3为本发明机型判断模块的结构框图。

图4为本发明氧传感器控制器的结构框图。

图5为本发明氧传感器控制器的结构示意图。

图6为本发明主核处理器、辅核处理器的数据处理示意图。

图7为本发明初始化的流程图。

图8为本发明主循环的流程图。

附图标记说明：1-发动机、2-氧传感器、3-油门踏板传感器、4-转速传感器、5-氧传感器控制器、6-上位机、7-油门踏板、8-凸轮轴、9-信号处理模块、10-加热控制模块、11-消息收发模块、12-算法解析模块、13-插值匹配模块以及14-机型判定模块。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示：为了能降低排气管温度变化对氧传感器2的影响，提高氧传感器2的数据采集精度，本发明包括安装在排气管上的氧传感器2、安装于发动机1凸轮轴8上的转速传感器4以及安装于油门踏板7处的油门踏板传感器3；所述氧传感器2、油门踏板传感器3以及转速传感器4均与氧传感器控制器5连接，氧传感器控制器5与用于对氧传感器2进行加热的加热控制模块10连接；

氧传感器2将采集的过量空气信号以及所述氧传感器2探头附近的当前温度传输至氧传感器控制器5内，氧传感器控制器5还接收油门踏板传感器3采集的油量信号以及转速传感器4采集的转速信号，氧传感器控制器5根据转速信号与油量信号判断发动机1的类型以及所述发动机1的当前工况，氧传感器控制器5根据判定发动机1的类型选取预先存储于氧传感器控制器5内的Map图，且氧传感器控制器5根据判断发动机1的当前工况确定加热控制信号；

氧传感器控制器5控制加热控制模块10根据加热控制信号对氧传感器2进行加热，以使得氧传感器2的探头能处于最优工作温度区间；当氧传感器2的探头处于最优工作温度区间后，氧传感器控制器5根据氧传感器2采集的过量空气信号以及选取的Map图确定过量空气系数。

具体地，氧传感器2、油门踏板传感器3以及转速传感器4相应的安装位置以及作用均与现有技术中的位置、作用相同，氧传感器控制器5与氧传感器2、油门踏板传感器3以及转速传感器4连接并得到过量空气系数后，能将所述过量空气系数传输至车辆的ECU内，加热控制模块10能对氧传感器2的探头进行加热，加热控制模块10对氧传感器2的探头加热过程以及加热方式均由加热控制信号控制。为了能确保氧传感器2采集的过量控制信号的精度，即确保氧传感器控制器5得到过量空气系数的精度，需要保持氧传感器2的探头处于最优工作温度区间。一般地，氧传感器2探头的最优工作温度区间与所述氧传感器2的类型有关，需要根据氧传感器2的特性进行标定，具体为本技术领域人员所熟知。

在具体实施时，发动机1的类型为柴油机或汽油机，发动机1的类型不同时，氧传感器控制器5得到的过量空气系数会存在不同。为了确保氧传感器控制器5得到过量空气系数的精度，本发明实施例中，根据发动机1的当前工况对氧传感器2进行加热，以确保氧传感器2的探头处于最优工作温度区间，且在氧传感器2的探头处于最优温度工作区间后，氧传感器控制器5根据Map图以及过量空气信号拟合得到过量空气系数，从而降低了排气管温度对氧传感器2的影响，提高氧传感器2数据采集的精度。

进一步地，所述氧传感器控制器5能与用于检测或维修的上位机6连接，氧传感器控制器5能过量空气系数、转速信号、油量信号以及氧传感器2探头附近的当前温度均传输至上位机6内，以由上位机6显示输出。在检测或维修时，氧传感器控制器5需要与上位机6连接，上位机6与氧传感器控制器5能进行串行通信，上位机6能显示过量空气系数、转速信号、油量信号以及氧传感器2探头附近的当前温度，上位机6根据显示的数据进行需要的检测或维修。此外，上位机6还能向氧传感器控制器5下发相应的控制指令。

如图2所示，所述加热控制信号为PWM信号，加热控制信号控制加热控制模块10对氧传感器2的探头加热过程为启动加热阶段或工作加热阶段；

在启动加热阶段，加热控制信号根据起始工况控制加热控制模块10按规定加热速率对氧传感器2的探头进行加热，直至氧传感器2的探头温度达到指定工作温度，所述起始工况是指氧传感器控制器5根据氧传感器2采集所述氧传感器2探头附近的当前温度、转速传感器4采集的当前转速以及油门踏板传感器3采集的油量信号确定的起始加热点以及起始加热时间；

在工作加热阶段，若氧传感器2探头附近的当前温度未达到标定阈值的下限时，加热控制信号采用Bang-Bang控制法使得加热控制模块10按规定加热速率对氧传感器2的探头进行加热，直至氧传感器2探头附近的当前温度为标定阈值的下限；在氧传感器2探头附近的当前温度位于标定阈值内时，加热控制信号采用PID控制法控制热控制模块10对氧传感器2的探头进行加热，以使得氧传感器2的探头处于最优工作温度区间。

本发明实施例中，加热控制模块10根据加热控制信号实施对氧传感器2的加热。氧传感器2内集成有温度传感器，如果对氧传感器2不实施加热，氧传感器2的探头会自然冷却降温。一般地，加热控制模块10包括功率放大器以及加热设备，功率放大器由12V电源上拉，实现对加热控制信号的功率放大，进行功率放大后的PWM信号加载在加热设备上，加热设备根据PWM信号工作实现对氧传感器2的加热。在具体实施时，加热控制模块10对氧传感器2的探头加热过程为启动加热阶段或工作加热阶段，加热控制模块10对氧传感器2探头的加热阶段由氧传感器控制器5判定发动机1的当前工况决定。一般地，加热控制模块10对氧传感器2探头的加热先进入启动加热阶段，在启动加热阶段完成后，再进入工作加热阶段。

在启动加热阶段中，氧传感器2的加热速率为规定加热速率，所述规定加热速率由相关技术手册等确定，具体为本技术领域人员所熟知。氧传感器2的探头达到指定工作温度一般在780℃±10℃的范围内，根据氧传感器2探头附近的当前温度、转速信号以及油量信号确定起始加热点（所述起始加热点是指氧传感器2初次上电工作时所述氧传感器2探头附近的当前温度）以及起始加热时间的过程可以采用本技术领域常用的技术手段，具体为本技术领域人员所熟知，具体不再赘述。

在工作加热阶段中，标定阈值为根据氧传感器2的特性等在标定实验后确定，标定阈值的具体取值范围以及过程均为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。当氧传感器2探头附近的当前温度满足进入工作加热阶段时，氧传感器控制器5输出的加热控制信号控制加热控制模块10采用Bang-Bang控制法以及PID控制法进行加热，在采用Bang-Bang控制法进行加热时，加热速率为启动加热阶段的规定加热速率，采用PID控制法进行加热过程控制时，能实现平稳加热过程，PID控制法中的比例常数、积分参数以及微分参数均根据标定实验确定。在工作加热阶段，采用Bang-Bang控制法与PID控制法联合进行加热过程控制，能保证氧传感器2的探头处于最优工作温度区间，Bang-Bang控制法以及PID控制法均为本技术领域常用的加热过程控制方法，实施Bang-Bang控制法以及PID控制法的控制过程均由加载到加热控制模块10的加热控制信号实现，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。氧传感器2探头的最优工作温度区间的具体范围为本技术领域人员所熟知，具体不再赘述。

如图3和图4所示，所述氧传感器控制器5包括信号处理模块9、算法解析模块12、机型判定模块14以及插值匹配模块13；

氧传感器控制器5通过信号处理模块9与氧传感器2、油门踏板传感器3以及转速传感器4连接，信号处理模块9能将氧传感器2采集的过量空气信号、氧传感器2探头附近的当前温度、油门踏板传感器3采集油量信号以及转速传感器4采集的转速信号分别转换为过量空气数字信号、氧传感器2探头附近的当前温度数字信号、油量数字信号以及转速数字信号；算法解析模块12接收并解析所述过量空气数字信号，氧传感器2探头附近的当前温度数字信号、油量数字信号以及转速数字信号，机型判定模块14根据解析后的过量空气数字信号、油量数字信号以及转速数字信号判断发动机1的类型以及发动机1的当前工况，机型判断模块14根据发动机1的当前工况向加热控制模块10传输加热控制信号；插值匹配模块13根据机型判定模块14判定发动机1的类型选取Map图，并将选取的Map图与过量空气数字信号进行拟合，以确定所需的过量空气系数；

插值匹配模块13将确定的过量空气系数通过消息收发模块11传输至车辆控制系统节点。

本发明实施例中，氧传感器2采集的过量空气信号以及所述氧传感器2探头附近的当前温度均为模拟量，此外，油门踏板传感器3采集的油量信号以及转速传感器4采集到的转速信号均为模拟量，为了氧传感器控制器5进行识别以及处理，需要通过信号处理模块9进行模数转换，即通过信号处理模块9后，能得到氧传感器控制器5能识别处理的过量空气数字信号、氧传感器2探头附近的当前温度数字信号、油量数字信号以及转速数字信号。

算法解析模块12能对过量空气数字信号、氧传感器2探头附近的当前温度数字信号、油量数字信号以及转速数字信号进行解码等必要的处理，处理后的信号进入机型判断模块14内。机型判断模块14一般包括累加器以及Map选择器，转速数字信号作为正变量进入累加器，油量数字信号作为负变量进入累加器，过量空气数字信号也进入累加器内。累加器内存储有预置值，所述预置值通过标定试验获得，当比较结果为正时，机型判定模块14能判定发动机1为柴油机，比较结果为负时，机型判定模块14能判定发动机1为汽油机。比较结果作为累加器的输出量进入Map选择器内，即Map选择器能根据比较结果选择为柴油机或汽油机。算法接线模块12的解析过程为：算法解析模块12首先屏蔽辅核处理器，然后将信号处理模块9打包存储在数据共享区的各类传感器信号进行复制，解码，随后解禁辅核处理器的数据读写功能。最后将油量数字信号、转速数字信号以及过量空气数字信号解码传输至累加器。

所述氧传感器控制器5判断发动机1的类型为汽油机或柴油机，当发动机1为汽油机时，氧传感器控制器5将过量空气信号与汽油机Map图在lamda（0.62~1.2）标定数据范围内采用多点线性插值进行拟合，以得到汽油机的过量空气系数；当发动机1为柴油机时，氧传感器控制器5将过量空气信号与柴油机Map图在lamda（1~6）标定数据范围内采用多点线性插值进行拟合，以得到柴油机的过量空气系数。在具体实施时，插值匹配模块13根据机型判定模块14判断的柴油机或汽油机来选取Map图，将Map图与过量空气数字信号采用多点线性插值，能得到精确的过量空气系数。车辆控制系统节点一般为车辆的ECU。

如图5、图6所示，所述氧传感器控制器5包括主核处理器以及辅核处理器，所述主核处理器与辅核处理器均能读写动态数据共享区，主核处理器在读写动态数据共享区时，禁止辅核处理器对动态数据共享区的读写操作；辅核处理器在读写动态数据共享区时，禁止主核处理器对动态数据共享区的读写操作；

信号处理模块9位于辅核处理器内，辅核处理器能向加热控制模块10传输加热控制信号；算法解析模块12、机型判断模块14以及插值匹配模块13均位于主核处理器内。

在具体实施时，负荷处理器还包括UART模块、PWM模块、软件中断模块；UART模块实现与上位机6的通信数据、PWM模块输出加热控制信号，软件中断模块在开机时初始化所述辅核处理器；主核处理器还包括初始化模块、主循环模块、中断模块、定时器模块；初始化模块和主循环模块对所采集数据进行处理，并根据确定的发动机1类型选取Map图，以及进行数据拟合得到过量空气系数；定时器模块提供定时节拍，中断模块处理UART模块的数据包。

主核处理器与辅核处理器间的数据动态存储，具有同步共享功能；辅核处理器首先对外围传感器初始化（即对氧传感器2、油门踏板传感器3以及转速传感器4进行初始化），随后进行外围模块的功能操作，对数据进行封装，并触发主核处理器的中断模块；辅核处理器对采集的传感器数据申请动态共享存储空间；主核处理器在初始化后，进行初始化策略的控制，执行工况判断，确定是否进行启动加热阶段，启动加热阶段完成或不进入启动加热阶段时后进入主循环。主核处理器在读写动态数据共享区时，禁止辅核处理器对动态数据共享区内共享数据的操作；辅核处理器在读写共享数据时，禁止主核处理器对共享数据的操作；共享数据操作完成后注销动态共享存储空间。主核处理器、辅核处理器间传递的数据包括过量空气数字信号、氧传感器2探头附近的当前温度数字信号、油量数字信号、转速数字信号以及加热控制信号。

如图7和图8所示，在实施本发明的氧传感器控制方法时，首先对系统进行初始化，随后读取氧传感器2探头附近的当前温度、过量空气信号、转速信号、油量信号，用以判定发动机1的当前工况，如处于起始工况则执行启动加热阶段的加热过程，否则直接进入主循环。

主循环执行对工作加热阶段、机型判定模块14、算法解析模块12、插值匹配模块13进行轮训操作；其中，执行工作加热阶段使得氧传感器2的探头处于最优工作温度区间；机型判定模块14根据转速信号、油量信号判定发动机1的类型，并置机型标志位，根据机型标志位，插值匹配模块13选择具有机型特征的Map图，Map图根据标定试验确定；插值匹配模块13依据Map图，对汽油机Map图在lamda（0.65～1.2）标定数据之间与过量空气数字信号采用多点线性插值进行拟合，对柴油机Map图在lamda（1～6）标定数据之间与过量空气数字信号采用多点线性插值进行拟合。

本发明氧传感器控制器5采用主核处理器与辅核处理器的双核结构，主核处理器与辅核处理器均能读写动态数据共享区，从而能有效解决现有技术中柴油机控制器在处理氧传感器2的过量空气数字信号以及氧传感器2探头附近的当前温度时产生额外数据负荷问题。