一种车用气体燃料发动机的宽域氧传感器控制器转让专利
申请号 : CN200810104698.6
文献号 : CN101260838B
文献日 : 2010-06-09
发明人 : 张欣 , 郭林福 , 刘建华 , 何涛
申请人 : 北京交通大学
摘要 :
本发明公开了车用气体燃料发动机的宽域氧传感器控制器，它由电源模块(3)、加热模块(4)和由信号放大模块(5)、信号判断模块(6)、反馈控制模块(7)、输出放大模块(8)组成的控制模块连成。控制器接受氧传感器反馈电压(Vs)，将其放大输出VsAf1和VsAf2，VsAf1通过信号判断模块产生V1和Vju，VsAf2和Vju通过反馈控制模块产生V2，经放大输出Vout。通过判断空燃比是否为1，并使空燃比为1的两侧有不同方向的电压信号，产生不同方向的泵电流(IP)。宽域氧传感器的信号在经过后端处理器以后在0～5V的范围内变化，输出信号与空燃比呈较为理想的线性关系。使发动机在过渡工况时实现闭环控制。
权利要求 :
1.一种车用气体燃料发动机的宽域氧传感器控制器，包括加热模块、电源模块和控制模块；其特征在于：控制模块由信号放大模块(5)、信号判断模块(6)、反馈控制模块(7)、输出放大模块(8)连接而成；
信号放大模块(5)由十三运算放大器(13)和十四运算放大器(14)及外围电路组成；其间的连接为十三运算放大器(13)的同相输入端通过第九电阻(R9)连接到第十四运算放大器(14)的输出端；十三运算放大器(13)的输出端输出放大输出电压VsAf2的信号；十三运算放大器(13)的输出端通过十二电阻(R12)接十三运算放大器(13)的反相输入端；第七电阻(R7)与第八电阻(R8)串联，第七电阻(R7)另一端接+5V，第八电阻(R8)另一端接GND；十一电阻(R11)一端接第七电阻(R7)和第八电阻(R8)的分压点，十一电阻(R11)另一端接十三运算放大器(13)的反相输入端；氧传感器反馈电压Vs信号接第一电阻(R1)、第二电阻(R2)和十五电容(C15)的并接点，第一电阻(R1)另一端接+5V，十五电容(C15)另一端接GND；第二电阻(R2)另一端接十四运算放大器(14)的同相输入端；二极管D2的阳极接+5V，二极管D2的阴极接十四运算放大器(14)的同相输入端；二极管D3与第一电容(C1)并联，二极管D3的一端接十四运算放大器(14)的同相输入端，二极管D3的另一端接GND；十四运算放大器(14)的反相输入端经第三电阻(R3)和第四电阻(R4)串联接GND；第五电阻(R5)一端接第三电阻(R3)和第四电阻(R4)的分压点，另一端接十四运算放大器(14)的输出端；十四运算放大器(14)的输出端通过三十八电阻(R38)、十电阻(R10)、二十二电容(C22)组成的电路输出放大输出电压VsAf1；
信号判断模块(6)由十五、十六和十七运算放大器(15、16、17)及外围电路组成；十五运算放大器(15)的同相输入端通过四十三电阻(R43)接+5V，十五运算放大器(15)的同相输入端通过四十四电阻(R44)接GND；放大输出电压VsAf1接十五运算放大器(15)的反相输入端和十六运算放大器(16)的同相输入端；十六运算放大器(16)的反相输入端通过四十五电阻(R45)接+5V，十六运算放大器(16)的反相输入端通过四十六电阻(R46)接GND；十五运算放大器(15)的输出端与十六运算放大器(16)的输出端相接并输出控制电压V1；十五运算放大器(15)的输出端串联二十四电阻和四十九电阻(R24、R49)后接十七运算放大器(17)的同相输入端；十七运算放大器(17)的反相输入端通过十八电阻(R18)接+5V，十七运算放大器(17)的反相输入端通过十九电阻(R19)接GND；十七运算放大器(17)的输出端接十七电阻(R17)、第六电容(C6)组成的并联电路输出调节电压Vju；
反馈控制模块(7)由十八运算放大器(18)及外围电路组成；调节电压Vju接三极管(Q1)的基极，三极管(Q1)的发射极接十八运算放大器(18)的反相输入端；放大输出电压VsAf2通过十三电阻(R13)、第二电容(C2)和十四电阻(R14)组成的混合电路接十八运算放大器(18)的反相输入端；十八运算放大器(18)的同相输入端串经十六电阻(R16)接GND；第三电容(C3)与十五电阻(R15)组成的并联电路与第四、第五电容(C4、C5)组成的并联电路串联，形成第一串联电路；第一串联电路的一端接三极管(Q1)的发射极，第一串联电路另一端接三极管(Q1)的集电极并输出控制电压V2；三极管(Q1)的集电极接十八运算放大器(18)的输出端，三极管(Q1)的集电极串联二十一电阻(R21)输出泵电流Ip+；
输出放大模块(8)由十九运算放大器(19)及外围电路组成；控制电压V1接十九运算放大器(19)的反相输入端，控制电压V2通过二十二电阻(R22)接十九运算放大器(19)的同相输入端；十九运算放大器(19)的同相输入端串接二十三电阻(R23)、二十六电阻(R26)后接+5V，二十七电阻(R27)的一端接二十三电阻(R23)、二十六电阻(R26)的分压点，二十七电阻(R27)的另一端接GND；十九运算放大器(19)的输出端通过二十五电阻(R25)接十九运算放大器(19)的反相输入端，十九运算放大器(19)的输出端通过三十九电阻(R39)输出输出电压Vout；
构成宽域氧传感器控制器的各部分之间的连接为：
信号放大模块(5)中的第一和第二电阻(R1、R2)和十五电容(C15)的并接点与宽域氧传感器(2)的氧传感器反馈电压Vs信号的输出口连接；
信号放大模块(5)中的三十八电阻(R38)与二十二电容(C22)的并接点与信号判断模块(6)中的十六运算放大器(16)的同相输入端和十五运算放大器(15)的反相输入端连接；
信号放大模块(5)中的十三运算放大器(13)的输出端和第十二电阻(R12)的并接点与反馈控制模块(7)中的十三电阻(R13)和十四电阻(R14)的并接点连接；
信号判断模块(6)中的十六运算放大器(16)输出端与输出放大模块(8)中的十九运算放大器(19)的反相输入端和二十五电阻(25)的并接点连接；
反馈控制模块(7)中，三极管(Q1)的集电极与输出放大模块(8)中的二十二电阻(R22)的一端连接；反馈控制模块(7)中的十八运算放大器(18)的输出端经二十一电阻(R21)与宽域氧传感器(2)的泵电流Ip+口连接；
输出放大模块(8)中，十九运算放大器(19)的输出端经三十九电阻(39)与电子控制单元连接。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种应用于汽车用气体燃料发动机的宽域氧传感器的控制器的结构与设计。
背景技术
当今汽车工业得到了快速的发展。进入20世纪80年代以来，世界机动车保有量的平均年增长率约为3％。大量的汽车在给生活带来便利的同时也带来了许多的负面影响，这些影响中最突出的问题就是汽车的排气污染。现今越来越严重的空气污染之中，机动车排放已成为增长最快的空气污染源。在很多城市，汽车排气污染已成为空气污染物的主要来源。为了控制汽车尾气排放，汽车已经由传统的化油器发展为电子喷射系统，采用带有氧传感器和三元催化反应器的空燃比闭环反馈控制系统。其中，氧传感器对于提高燃烧效率、降低污染排放量和三元催化起着重要的作用。氧传感器是电控发动机空燃比控制系统中的核心部件，用以检测排放气体中的氧气浓度，监测气缸内的混合气是否按设定的空燃比进行燃烧，并实时向ECU反馈，ECU则根据反馈信号进行燃料喷射量的修正。目前，市场上汽车氧传感器产品按其应用分为理论空燃比氧传感器、稀薄空燃比氧传感器、宽范围空燃比氧传感器等等。为了实现更低的排放，对于柴油机和气体发动机，需要采用稀薄燃烧，这时就需要采用宽域氧传感器才能实现空燃比的反馈控制。宽域氧传感器在实际的应用中需要配合与之相匹配的信号处理装置才能发挥作用。该信号处理装置不同于一般的传感器后端信号放大器，不仅需要实现信号滤波与放大功能，而且还需要实现信号控制和加热控制功能，因而较为复杂。在中国目前这方面的设计已有原理性的介绍，如在《汽车发动机燃料供给与调节》(陆际清，刘峥等，清华大学出版社，2002)一书中(P139)，提到了宽域空燃比传感器的基本原理和结构，也涉及到了其控制器的功能和基本的工作过程，即以450mV为比较基准，对氧传感膜片的输出电压进行闭环控制，维持检测室内气体含氧量与过量空气系数时的排气含氧量相等，这时通过检测泵电流的方向和大小就可知道混合气的空燃比。但是该书对于控制器的内部结构及实现方式没有说明。在国外，目前虽有实用产品，但是未见有其设计方面的公开报道。
发明内容
为了使宽域氧传感器在发动机中发挥稀燃空燃比闭环控制的作用，本发明设计了一种宽域氧传感器的控制器，实现对宽域氧传感器的空燃比输出信号的滤波、放大以及反馈控制，还可以实现对宽域氧传感器的加热控制，进而能有效提高气体燃料发动机的性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种车用气体燃料发动机的宽域氧传感器控制器，由加热模块、电源模块、和控制模块组成；控制模块由信号放大模块、信号判断模块、反馈控制模块和输出放大模块组成。
所述的控制模块由信号放大模块、信号判断模块、反馈控制模块、输出放大模块连接成，其各部分之间的连接为：
信号放大电路中的第一和第二电阻和十五电容的并接点与宽域氧传感器的反馈电压信号的输出口连接；
信号放大电路中的三十八电阻与二十二电容的并接点与信号判断模块中的十六运算放大器的同相输入端和十五运算放大器的反相输入端连接；
信号放大电路中的十三运算放大器的输出端和十二电阻的并接点与反馈控制模块中的十三电阻和十四电阻的并接点连接；
信号判断模块中的十六运算放大器输出端与输出放大模块中的十九运算放大器的反相输入端和二十五电阻的并接点连接；
反馈控制模块中，三极管的集电极与输出放大模块中的二十三电阻的一端连接；反馈控制模块中的十八运算放大器的输出端经二十一电阻宽域氧传感器的泵电流输出口连接；
输出放大电路中，十九运算放大器的输出端经三十九电阻与ECU连接。
宽域氧传感器控制器工作流程是：控制器接受宽域氧传感器输出信号Vs，由于信号较弱，将其放大，以放大后信号的大小来判断过量空气系数是否为1。将宽域氧传感器输出信号进行变换，使过量空气系数为1的两侧有不同方向的电压信号，来产生不同方向的泵电流。再通过逻辑运算将氧传感器输出信号放大后的信号反转放大。当过量空气系数不等于1的时候，将经过前面处理的电压信号接到反馈控制模块输入端，该模块使泵电流Ip的大小发生变化，检测其变化并将其转换成电压信号。过量空气系数为1的时候，信号判断模块的输出电压Vju将使反馈控制模块停止通作，从而直接输出V1，即输出电压为2.50V。这样得到的电压信号已经能线性的反映过量空气系数，当过量空气系数在1周围变化的时候，其表征电压信号为2.50V左右，当过量空气系数小于1或大于1时，所得信号在0～5V的范围内变化。
本发明的有益效果：宽域氧传感器的信号在经过信号放大与控制后将在0～5V的范围内变化，输出信号与空燃比呈较为理想的线性关系，可以实现对宽域氧传感器的加热控制，使其能稳定可靠地工作，进而能实现空燃比反馈控制，使发动机实现稀薄燃烧，提高发动机的经济性和排放性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种车用气体燃料发动机的宽域氧传感器控制器，由加热模块、电源模块、和控制模块组成；控制模块由信号放大模块、信号判断模块、反馈控制模块和输出放大模块组成。
所述的控制模块由信号放大模块、信号判断模块、反馈控制模块、输出放大模块连接成，其各部分之间的连接为：
信号放大电路中的第一和第二电阻和十五电容的并接点与宽域氧传感器的反馈电压信号的输出口连接；
信号放大电路中的三十八电阻与二十二电容的并接点与信号判断模块中的十六运算放大器的同相输入端和十五运算放大器的反相输入端连接；
信号放大电路中的十三运算放大器的输出端和十二电阻的并接点与反馈控制模块中的十三电阻和十四电阻的并接点连接；
信号判断模块中的十六运算放大器输出端与输出放大模块中的十九运算放大器的反相输入端和二十五电阻的并接点连接；
反馈控制模块中，三极管的集电极与输出放大模块中的二十三电阻的一端连接；反馈控制模块中的十八运算放大器的输出端经二十一电阻宽域氧传感器的泵电流输出口连接；
输出放大电路中，十九运算放大器的输出端经三十九电阻与ECU连接。
宽域氧传感器控制器工作流程是：控制器接受宽域氧传感器输出信号Vs，由于信号较弱，将其放大，以放大后信号的大小来判断过量空气系数是否为1。将宽域氧传感器输出信号进行变换，使过量空气系数为1的两侧有不同方向的电压信号，来产生不同方向的泵电流。再通过逻辑运算将氧传感器输出信号放大后的信号反转放大。当过量空气系数不等于1的时候，将经过前面处理的电压信号接到反馈控制模块输入端，该模块使泵电流Ip的大小发生变化，检测其变化并将其转换成电压信号。过量空气系数为1的时候，信号判断模块的输出电压Vju将使反馈控制模块停止通作，从而直接输出V1，即输出电压为2.50V。这样得到的电压信号已经能线性的反映过量空气系数，当过量空气系数在1周围变化的时候，其表征电压信号为2.50V左右，当过量空气系数小于1或大于1时，所得信号在0～5V的范围内变化。
本发明的有益效果：宽域氧传感器的信号在经过信号放大与控制后将在0～5V的范围内变化，输出信号与空燃比呈较为理想的线性关系，可以实现对宽域氧传感器的加热控制，使其能稳定可靠地工作，进而能实现空燃比反馈控制，使发动机实现稀薄燃烧，提高发动机的经济性和排放性。
附图说明
图1宽域氧传感器控制器组成结构图。
图2控制器逻辑工作流程图。
图3加热模块连接方式图。
图4电源模块连接方式图。
图5信号放大模块电路图。
图6信号判断模块电路图。
图7反馈控制模块电路图。
图8输出放大模块电路图。
图中：蓄电池1，宽域氧传感器2，电源模块3，加热模块4，信号放大模块5，信号判断模块6，反馈控制模块7，输出放大模块8，ECU 9，IC110，IC211、IC312，U1B 13，U1A 14，U4B 15，U4A 16，U2A 17，U2B 18，U3B 19。
图2控制器逻辑工作流程图。
图3加热模块连接方式图。
图4电源模块连接方式图。
图5信号放大模块电路图。
图6信号判断模块电路图。
图7反馈控制模块电路图。
图8输出放大模块电路图。
图中：蓄电池1，宽域氧传感器2，电源模块3，加热模块4，信号放大模块5，信号判断模块6，反馈控制模块7，输出放大模块8，ECU 9，IC110，IC211、IC312，U1B 13，U1A 14，U4B 15，U4A 16，U2A 17，U2B 18，U3B 19。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步介绍。
本发明所使用的氧传感器为NTK的宽域氧传感器L1H1，又可以称之为线性氧传感器。宽域氧传感器会输出一个传感器反馈电压Vs，这个Vs信号可能高于或低于电压信号Vref。浓废气时Vs＞Vref，后端的反馈控制电路会产生单向的泵电流Ip，这个方向的Ip可以将使排气管中的游离氧气泵入参考室。稀废气Vs＜Vref，其后端的控制电路产生相反方向的泵电流Ip，该泵电流将使参考室中的游离氧气泵出到排气管中。从而使传感器反馈电压Vs回馈信号回到Vref附近(450mV)。依靠泵电流去达到这种平衡，或者说是依靠泵电流去维持参考室中氧的浓度，从而使泵电流Ip的大小可以反映排气管中氧浓度的大小。后端信号放大电路把Ip转换成输出电压Vout，Vout就是放大电路的输出，它反映了当前发动机空燃比的大小。
一种车用气体燃料发动机的宽域氧传感器控制器，由加热模块、电源模块、和控制模块组成。
控制模块由信号放大模块5、信号判断模块6、反馈控制模块7、输出放大模块8连接成，其各模块之间的连接为：
信号放大电路5中的第一和第二电阻R1、R2和十五电容C15的并接点与宽域氧传感器的反馈电压Vs信号的输出口连接，见图5和图1。
信号放大电路5中的三十八电阻R38与二十二电容C22的并接点与信号判断模块6中的十六运算放大器16的同相输入端和十五运算放大器15的反相输入端连接，见图5和图6。
信号放大电路5中的十三运算放大器13的输出端和十二电阻R12的并接点与反馈控制模块7中的十三电阻R13和十四电阻R14的并接点连接，见图5和图7。
信号放大模块5分别为信号判断模块6和反馈控制模块7提供放大输出电压信号VsAf1、VsAf2。
信号判断模块6中的十六运算放大器16输出端与输出放大模块8中的十九运算放大器19的反相输入端和二十五电阻25的并接点连接，见图6和图8。信号判断模块6分别为反馈控制模块7提供调节电压信号Vju，为输出放大模块8提供控制电压信号V1。
反馈控制模块7中，三极管Q1的集电极与输出放大模块8中的二十三电阻R23的一端连接；反馈控制模块7中的十八运算放大器18的输出端经二十一电阻R21与宽域氧传感器2的泵电流Ip+口连接，见图7和图8。反馈控制模块7分别为宽域氧传感器2提供IP+信号，为输出放大模块8提供控制电压信号V2。
输出放大电路8中，十九运算放大器19的输出端经三十九电阻39与ECU连接；输出放大模块8为ECU 9提供输出电压信号Vout，见图1和图8。
信号放大模块5、信号判断模块6、反馈控制模块7、输出放大模块8及电源模块和加热模块，各自的组成及其连接为：
一、信号放大模块
信号放大模块5由十三运算放大器13和十四运算放大器14及外围电路组成；其间的连接为十三运算放大器13的同相输入端通过第九电阻R9(100K)连接到第十四运算放大器14的输出端；第十三运算放大器13的输出端输出信号VsAf2；并通过十二电阻R12(100K)接十三运算放大器13的反相输入端；第七电阻R7(1K)与第八电阻R8(1K)串联，第七电阻R7另一端接+5V，第八电阻R8另一端接GND；十一电阻R11(100K)一端接第七电阻R7和第八电阻、R8的分压点，另一端接十三运算放大器13的反相输入端；Vs信号接第一电阻R1(274K)、第二电阻R2(47K)和十五电容C15(11uF)的并接点，第一电阻R1另一端接+5V，十五电容C15另一端接GND，第二电阻R2另一端接运十四算放大器14的同相输入端；二极管D2阳极接+5V，阴极接十四运算放大器14的同相输入端；二极管D3与第一电容C1(13.5uF)并联，一端接十四运算放大器14的同相输入端，另一端接GND；十四运算放大器14的反相输入端经第三电阻R3(47K)和第四电阻R4(22K)串联电路接GND；第五电阻R5(100K)一端接第三电阻R3和第四电阻R4(22K)的分压点，另一端接十四运算放大器14的输出端；十四运算放大器14的输出端通过三十八电阻R38(22.1K)、十电阻R10(100K)、二十二电容C22(90uF)组成的电路输出放大输出信号VsAf1。三极管D2和D3选用DIODE。
信号放大模块用于对氧传感器的反馈信号Vs进行放大，输出VsAf1和VsAf2两个放大信号。
本发明需要多次比例放大，差动输入运算等功能，这些功都需要运算放大器(Operational Amplifier)。考虑到本发明所设计的控制电路需要较高的放大精度，而且整个电路板的空间狭小本发明选择了AD(ANALOG DEVICES)的双重轨对轨远算放大器(Dual Rail-to-Rail Operational Amplifiers)，具体型号为OP295。选择该运算放大器主要考虑到其放大增益受温度影响较小，在整个工作温度范围之内，放大增益几乎没有变化，这正是车载电子所需要的。
在本发明中使用运算放大器主要实现三种功能：反向输入比例运算，同向输入比例运算，差动输入运算电路。
将传感器反馈电压Vs放大Af倍，这个过程就需要用到同相输入比例远算。这时需要确定Af的值，考虑两方面的因素，首先最后控制器的输出随着过量空气系数的变化要在0～5V的范围之内线性变化，其次要将λ＝1时的输出值放到范围的中间值也就是2.5V，这个要求也就是将Vs的中间值0.45V放大到2.5V。考虑到这两方面的因素将Af确定为5.54，即0.45×5.54＝2.5。
所以按照同相输入比例远算计算公式将电阻的值确定为R5＝100kΩ，R4＝22kΩ。即放大倍数为：
这部分的输出为VsAf1。
由于在空燃比λ＞1的时候Vs是低电位，而λ＜1的时候是传感器反馈电压Vs高电位。为了符合高电位表征λ＞1，低电位表征λ＜1的使用惯例以及便于后端使用，所要通过运算电路将传感器反馈电压Vs放大后的信号反转放大，变为放大输出电压VsAf2输出。
二、信号判断模块
信号判断模块6由十五、十六和十七运算放大器15、16、17及外围电路组成；十五运算放大器15的同相输入端通过四十三电阻R43(11.5K)接+5V，通过四十四电阻R44(22.1K)接GND；放大输出电压信号VsAf1接十五运算放大器15的反相输入端和十六运算放大器16的同相输入端；十六运算放大器16的反相输入端通过四十五电阻R45(22.1K)接+5V，通过四十六电阻R46(11.5K)接GND；运十五算放大器15的输出端与十六运算放大器16的输出端相接并输出信号V1；十五运算放大器15的输出端串联二十四和四十九电阻R24(22K)、R49(22.1K)接十七运算放大器17的同相输入端；十七运算放大器17的反相输入端通过十八电阻R18(54.9K)接+5V，通过十九电阻R19(30.1K)接GND；十七运算放大器17的输出端接十七电阻R17(11.5K)、第六电容C6(31.6uF)组成的并联电路输出调节电压信号Vju。
在信号一级放大以后需要将信号分成两个部分，也就是需要判断VsAf＝VrefAf是否成立。
值得注意的是VrefAf是人为设定的值，也就是电路板做好之后其值就是已经确定了。但是由于信号波动，传感器本身的测量误差以及前级放大的误差等，VsAf的大小会在理想值附近发生偏移，因此不能用VsAf-VrefAf＝0来判断λ是否为1。
本发明采用了改变判断条件的方法来解决这个问题，将判断条件由判断等式是否成立变成判断信号是否属于某一范围之内。
即将原来的判断条件：
VsAf-VrefAf＝0
改变为：
m1VrefAf＜VsAf＜m2VrefAf
其中0＜m1＜1＜m2＜0.9Af；
由于VsAf输出值是三个离散的量，按照电压高低的中间量就是代表了λ＝1的情况。这样，按照上面的不等式判断，就算VsAf在一定范围内变化也可以判断出λ是否为1。
本发明选择了Motorola公司的四重单信号比较器(Quad Single SupplyComparators)再配以外围电路来实现上述判断过程。本发明选择的具体型号为LM2901D。
LM2901D内部有四个独立的比较器。图6中R45，R46和R43，R44分别构成一个分压U12和U34，由前面的分析可以将其设置为：
U12＝m1VrefAf，U34＝m2VrefAf
其中0＜m1＜1＜m2＜0.9Af
再根据比较器的输入输出特性：
同相端电压u+，反相端电压为u-。
u+＞u-，输出V1＝5V；
u+＜u-，输出V1＝-5V；
V1经过进一步调整和放大转变为判断信号Vju，该信号将使Q1导通或截止，其运算结果见信号判断模块逻辑运算表。由表格可以得出只有VsAf属于中间值的时候，Q1导通，而其他两个值的时候Q1就截止。其整个判断电路如图6所示。
信号判断模块将放大后的放大输出电压信号VsAf1与参考电压进行比较，用于判断传感器反馈电压Vs是否进入控制范围内，即判断过量空气系数是否为1，它将输出控制电压V1，同时输出一个判断信号Vju。
信号判断模块逻辑运算表
U4A U4B LM2901D Q1 m1VrefAf＞VsAf -5 5 0 截止 m1VrefAf＜VsAf＜m2VrefAf 5 5 5 导通 m2VrefAf＜VsAf 5 -5 0 截止
三、反馈控制模块
反馈控制模块电路见图7，它由反馈控制器和导通控制三极管Q1组成。从图7中可以看出当Q1导通的时候相当于反馈电阻为0时，无论输入是多少，输出都是0。这样当出现m1VrefAf＜VsAf＜m2VrefAf的情况时，反馈控制器就处于不工作的状态，这时表示实测值λ＝1。后端放大将放大器的输出直接置为代表λ＝1的电压值。当VsAf为其他两种情况的时候，反馈控制器将工作。反馈控制模块由以运算放大器为主体的硬件电路实现，运算放大器采用前述的OP295，外围元器件则是普通的电容和电阻元件，控制器的控制参数由这些电容和电阻确定。
反馈控制模块7由十八运算放大器18及外围电路组成；调节电压Vju接三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极接十八运算放大器18的反相输入端；信号VsAf2通过十三电阻R13(332K)、第二电容C2(9.3uF)和十四电阻R14(681K)组成的混合电路接十八运算放大器18的反相输入端；十八运算放大器18的同相输入端串经十六电阻R16(30.1K)接GND；第三电容C3(1.2uF)与十五阻R15(1000K)并联后与并联的第四、第五电容C4(1.8uF)、C5(1.8)串联，一端接三极管Q1的发射极，另一端三极管Q1的集电极并输出控制电压V2；三极管Q1的集电极接十八运算放大器18的输出端，并串联二十一电阻R21(0.137K)输出泵电流Ip+。
反馈控制模块根据Vju以及放大输出电压信号VsAf2的大小，通过微积分等运算计算出控制电压V2，V1和V2两者的差值将决定泵电流Ip的大小，从而也反映了当前空燃比的大小。
四、输出放大模块
输出放大模块主体是一个差动输入运放电路，主要器件仍为前述的OP295，如图8所示。
输出放大模块8由十九运算放大器19及外围电路组成；信号V1接十九运算放大器19的反相输入端，信号V2通过二十三电阻R23(267K)接十九运算放大器19的同相输入端；十九运算放大器19的同相输入端串接二十四电阻R24(267K)、二十六电阻R26(10K)接+5V，二十七电阻R27(1K)的一端接入二十六电阻R26和二十四电阻R24的分压电点，另一端接GND；十九运算放大器19的输出端通过二十五电阻R25(267K)接十九运算放大器19的反相输入端，通过三十九电阻R39(57.6K)输出信号Vout。
输出放大模块用于对V1和V2进行差动放大，将其转换成0～5V的电压信号。
五、加热模块
加热模块4由IC110及外围电路组成，见图3；其间的连接为芯片IC1的BF口与五十电阻R50(22.1K)、二十二电容C22(1uF)的并接点相连，五十电阻R50与四十七电阻R47(7.87K)和四十八电阻R48(1K)的分压点连接，四十七电阻R47的另一端接二极管D11的负端和芯片IC1的OUT口；二十三电容C23和四十八电阻R48的另一端接GND；芯片IC1的GND和ON/OFF口、二极管D11的正端、二十一电容C21(22uF)、二十四电容C24(46uF)的一端、二极管D10的正极接GND；芯片IC1的IN口、二十一电容C21、二十四电容C24的另一端和二极管D10的负端接+12V。
汽车提供给的电子系统的电源电压一般都是12V或24V，且该电压会随发动机运转情况和蓄电池状态而有较大幅度变化。但为了使氧传感器能稳定工作，NTK的宽域氧传感器L1H1需要一个稳定的10.5V工作电压，主要是用于给泵电池等发生电化学反应的元件进行加热。这就需要设计一个加热电源模块。
考虑到发动机上高温震动较大的工作环境以及输入输出电压比(输出小于输入)等因素，本发明选择了National Semiconductor Corporation(国家半导体公司)的LM2576-ADJ元件作为稳压电源，其正常工作环境温度范围为-40℃≤Tj≤125℃，完全满足车用范围。本发明所用功能连接方式如图3所示。其中Vin接蓄电池电压12V或24V，
LM2576-ADJ是一种可调电源，调整范围在为1.23V～Vin，其具体输出公式为
R48，R47为调压电阻，本文中选择R48＝1kΩ，R47＝7.87kΩ，由上式可得，Vout≈10.5V。由于有电压反馈控制环节，该输出电压是恒定的，不随输入电压和外界环境而变化，因而可以使宽域氧传感器能够稳定工作。
加热模块将来自蓄电池的电源电压Vbat转化成宽域氧传感器工作时所需的稳定电压Heater+，主要用于给泵电池等发生电化学反应的元件进行加热，使其能够正常稳定的工作。
六、电源模块
电源模块3，见图4，它由芯片IC2(MC 7805B)(11)、芯片IC312)(LT1054)及外围电路组成；其间的连接为芯片IC2 11(MC7805B)的OUT口与十电容C10(47uF)、十三电容C13(54.3uF)的相连并连接+5V，芯片IC2的GND口与十电容C10、十三电容C13的另一端相连并接GND，芯片IC211的IN口接+12V，并通过十八电容C18(22uF)接GND；
芯片IC312LT1054的CAP+口接七电容C7(47uF)接CAP-口，芯片IC312的GND口接GND，芯片IC3的VCC口接+5V，芯片IC3L的Vout口接-5V，第八电容C8(54.2uF)一端接+5V，一端接GDN，第九电容C9(47uF)一端接-5V，一端接GDN。
电源模块将蓄电池电压转化成电路所需要+5V、-5V等工作电源，这些电源用于给运算放大器、比较器等器件供电。
考虑到输入电源为12V，而且车辆上空间狭小且环境温度较高等因素，本发明选择Motorola公司的MC78M05C作为12V转5V的电源，用Linear Technology的LT1054作为+5V转-5V的电源。
MC78M05C的工作温度范围为-40℃≤Tj≤125℃，而且其体积较小，完全满足车用要求。管脚1为输入端，接12V电压；管脚3接输出端，输出5V电源，即输出电压Vout＝5V；元件背面是管脚2，接地。
LT1054的工作温度范围是-55℃≤Tj≤125℃，因为现在已经有了5V电源，直接利用LT1054的反转功能就能得到-5V电源。
Vout＝-Vin＝-5V
本发明的放大控制流程如下：
1.接受传感器反馈电压Vs信号，由于信号较弱，将其按照Af(其大小在后面说明)倍放大。
2.按前面的分析，上一步的结果VsAf只能为三种情况，即0，0.45Af，0.9Af，其中若放大后为0.45Af，则表示当前λ＝1，其他两种情况为λ≠1。现按照λ是否等于1将信号分两部分处理。
3.由于后面需要在λ＝1的两侧不同方向的电压信号，来产生不同方向的泵电流Ip，所以将传感器反馈电压Vs放大后的信号减去λ＝1时Vs值的Af倍，即VsAf-VrefAf。这样，当λ在1周围附近变化时，VsAf-VrefAf在0周围变化，其产生的电流也会有两个方向，即λ＞1时，泵电流Ip一个方向，λ＜1时Ip为另一个方向。
4.将Vs放大后的信号反转，变为VsAf2输出。
5.当λ≠1时，将经过前面处理的电压信号VsAf2接到反馈控制模块的输入端，反馈控制电路由一个运算放大器及外围器件来实现。该控制器按照硬件给定的运算规则计算出所需的控制电压的大小，将该电压输回给氧传感器，从而改变泵电流的大小，维持参考室中氧浓度的稳定。
6.当λ≈1时，传感器反馈电压Vs输出一个450mV的电压信号。这时调节电压Vju将使Q1导通，从而将反馈控制模块短接，使其停止工作，这时后端放大器将直接对控制电压V1进行放大。
7.将前面所述的三种情况所得到的电压信号进行进一步的转化放大，使其在0～5V的范围变化，放大电路见图8。
至此，过量空气系数在较宽范围内的变化，可以完全由放大控制器的输出电压的高低来表征。
本发明所使用的氧传感器为NTK的宽域氧传感器L1H1，又可以称之为线性氧传感器。宽域氧传感器会输出一个传感器反馈电压Vs，这个Vs信号可能高于或低于电压信号Vref。浓废气时Vs＞Vref，后端的反馈控制电路会产生单向的泵电流Ip，这个方向的Ip可以将使排气管中的游离氧气泵入参考室。稀废气Vs＜Vref，其后端的控制电路产生相反方向的泵电流Ip，该泵电流将使参考室中的游离氧气泵出到排气管中。从而使传感器反馈电压Vs回馈信号回到Vref附近(450mV)。依靠泵电流去达到这种平衡，或者说是依靠泵电流去维持参考室中氧的浓度，从而使泵电流Ip的大小可以反映排气管中氧浓度的大小。后端信号放大电路把Ip转换成输出电压Vout，Vout就是放大电路的输出，它反映了当前发动机空燃比的大小。
一种车用气体燃料发动机的宽域氧传感器控制器，由加热模块、电源模块、和控制模块组成。
控制模块由信号放大模块5、信号判断模块6、反馈控制模块7、输出放大模块8连接成，其各模块之间的连接为：
信号放大电路5中的第一和第二电阻R1、R2和十五电容C15的并接点与宽域氧传感器的反馈电压Vs信号的输出口连接，见图5和图1。
信号放大电路5中的三十八电阻R38与二十二电容C22的并接点与信号判断模块6中的十六运算放大器16的同相输入端和十五运算放大器15的反相输入端连接，见图5和图6。
信号放大电路5中的十三运算放大器13的输出端和十二电阻R12的并接点与反馈控制模块7中的十三电阻R13和十四电阻R14的并接点连接，见图5和图7。
信号放大模块5分别为信号判断模块6和反馈控制模块7提供放大输出电压信号VsAf1、VsAf2。
信号判断模块6中的十六运算放大器16输出端与输出放大模块8中的十九运算放大器19的反相输入端和二十五电阻25的并接点连接，见图6和图8。信号判断模块6分别为反馈控制模块7提供调节电压信号Vju，为输出放大模块8提供控制电压信号V1。
反馈控制模块7中，三极管Q1的集电极与输出放大模块8中的二十三电阻R23的一端连接；反馈控制模块7中的十八运算放大器18的输出端经二十一电阻R21与宽域氧传感器2的泵电流Ip+口连接，见图7和图8。反馈控制模块7分别为宽域氧传感器2提供IP+信号，为输出放大模块8提供控制电压信号V2。
输出放大电路8中，十九运算放大器19的输出端经三十九电阻39与ECU连接；输出放大模块8为ECU 9提供输出电压信号Vout，见图1和图8。
信号放大模块5、信号判断模块6、反馈控制模块7、输出放大模块8及电源模块和加热模块，各自的组成及其连接为：
一、信号放大模块
信号放大模块5由十三运算放大器13和十四运算放大器14及外围电路组成；其间的连接为十三运算放大器13的同相输入端通过第九电阻R9(100K)连接到第十四运算放大器14的输出端；第十三运算放大器13的输出端输出信号VsAf2；并通过十二电阻R12(100K)接十三运算放大器13的反相输入端；第七电阻R7(1K)与第八电阻R8(1K)串联，第七电阻R7另一端接+5V，第八电阻R8另一端接GND；十一电阻R11(100K)一端接第七电阻R7和第八电阻、R8的分压点，另一端接十三运算放大器13的反相输入端；Vs信号接第一电阻R1(274K)、第二电阻R2(47K)和十五电容C15(11uF)的并接点，第一电阻R1另一端接+5V，十五电容C15另一端接GND，第二电阻R2另一端接运十四算放大器14的同相输入端；二极管D2阳极接+5V，阴极接十四运算放大器14的同相输入端；二极管D3与第一电容C1(13.5uF)并联，一端接十四运算放大器14的同相输入端，另一端接GND；十四运算放大器14的反相输入端经第三电阻R3(47K)和第四电阻R4(22K)串联电路接GND；第五电阻R5(100K)一端接第三电阻R3和第四电阻R4(22K)的分压点，另一端接十四运算放大器14的输出端；十四运算放大器14的输出端通过三十八电阻R38(22.1K)、十电阻R10(100K)、二十二电容C22(90uF)组成的电路输出放大输出信号VsAf1。三极管D2和D3选用DIODE。
信号放大模块用于对氧传感器的反馈信号Vs进行放大，输出VsAf1和VsAf2两个放大信号。
本发明需要多次比例放大，差动输入运算等功能，这些功都需要运算放大器(Operational Amplifier)。考虑到本发明所设计的控制电路需要较高的放大精度，而且整个电路板的空间狭小本发明选择了AD(ANALOG DEVICES)的双重轨对轨远算放大器(Dual Rail-to-Rail Operational Amplifiers)，具体型号为OP295。选择该运算放大器主要考虑到其放大增益受温度影响较小，在整个工作温度范围之内，放大增益几乎没有变化，这正是车载电子所需要的。
在本发明中使用运算放大器主要实现三种功能：反向输入比例运算，同向输入比例运算，差动输入运算电路。
将传感器反馈电压Vs放大Af倍，这个过程就需要用到同相输入比例远算。这时需要确定Af的值，考虑两方面的因素，首先最后控制器的输出随着过量空气系数的变化要在0～5V的范围之内线性变化，其次要将λ＝1时的输出值放到范围的中间值也就是2.5V，这个要求也就是将Vs的中间值0.45V放大到2.5V。考虑到这两方面的因素将Af确定为5.54，即0.45×5.54＝2.5。
所以按照同相输入比例远算计算公式将电阻的值确定为R5＝100kΩ，R4＝22kΩ。即放大倍数为：
这部分的输出为VsAf1。
由于在空燃比λ＞1的时候Vs是低电位，而λ＜1的时候是传感器反馈电压Vs高电位。为了符合高电位表征λ＞1，低电位表征λ＜1的使用惯例以及便于后端使用，所要通过运算电路将传感器反馈电压Vs放大后的信号反转放大，变为放大输出电压VsAf2输出。
二、信号判断模块
信号判断模块6由十五、十六和十七运算放大器15、16、17及外围电路组成；十五运算放大器15的同相输入端通过四十三电阻R43(11.5K)接+5V，通过四十四电阻R44(22.1K)接GND；放大输出电压信号VsAf1接十五运算放大器15的反相输入端和十六运算放大器16的同相输入端；十六运算放大器16的反相输入端通过四十五电阻R45(22.1K)接+5V，通过四十六电阻R46(11.5K)接GND；运十五算放大器15的输出端与十六运算放大器16的输出端相接并输出信号V1；十五运算放大器15的输出端串联二十四和四十九电阻R24(22K)、R49(22.1K)接十七运算放大器17的同相输入端；十七运算放大器17的反相输入端通过十八电阻R18(54.9K)接+5V，通过十九电阻R19(30.1K)接GND；十七运算放大器17的输出端接十七电阻R17(11.5K)、第六电容C6(31.6uF)组成的并联电路输出调节电压信号Vju。
在信号一级放大以后需要将信号分成两个部分，也就是需要判断VsAf＝VrefAf是否成立。
值得注意的是VrefAf是人为设定的值，也就是电路板做好之后其值就是已经确定了。但是由于信号波动，传感器本身的测量误差以及前级放大的误差等，VsAf的大小会在理想值附近发生偏移，因此不能用VsAf-VrefAf＝0来判断λ是否为1。
本发明采用了改变判断条件的方法来解决这个问题，将判断条件由判断等式是否成立变成判断信号是否属于某一范围之内。
即将原来的判断条件：
VsAf-VrefAf＝0
改变为：
m1VrefAf＜VsAf＜m2VrefAf
其中0＜m1＜1＜m2＜0.9Af；
由于VsAf输出值是三个离散的量，按照电压高低的中间量就是代表了λ＝1的情况。这样，按照上面的不等式判断，就算VsAf在一定范围内变化也可以判断出λ是否为1。
本发明选择了Motorola公司的四重单信号比较器(Quad Single SupplyComparators)再配以外围电路来实现上述判断过程。本发明选择的具体型号为LM2901D。
LM2901D内部有四个独立的比较器。图6中R45，R46和R43，R44分别构成一个分压U12和U34，由前面的分析可以将其设置为：
U12＝m1VrefAf，U34＝m2VrefAf
其中0＜m1＜1＜m2＜0.9Af
再根据比较器的输入输出特性：
同相端电压u+，反相端电压为u-。
u+＞u-，输出V1＝5V；
u+＜u-，输出V1＝-5V；
V1经过进一步调整和放大转变为判断信号Vju，该信号将使Q1导通或截止，其运算结果见信号判断模块逻辑运算表。由表格可以得出只有VsAf属于中间值的时候，Q1导通，而其他两个值的时候Q1就截止。其整个判断电路如图6所示。
信号判断模块将放大后的放大输出电压信号VsAf1与参考电压进行比较，用于判断传感器反馈电压Vs是否进入控制范围内，即判断过量空气系数是否为1，它将输出控制电压V1，同时输出一个判断信号Vju。
信号判断模块逻辑运算表
U4A U4B LM2901D Q1 m1VrefAf＞VsAf -5 5 0 截止 m1VrefAf＜VsAf＜m2VrefAf 5 5 5 导通 m2VrefAf＜VsAf 5 -5 0 截止
三、反馈控制模块
反馈控制模块电路见图7，它由反馈控制器和导通控制三极管Q1组成。从图7中可以看出当Q1导通的时候相当于反馈电阻为0时，无论输入是多少，输出都是0。这样当出现m1VrefAf＜VsAf＜m2VrefAf的情况时，反馈控制器就处于不工作的状态，这时表示实测值λ＝1。后端放大将放大器的输出直接置为代表λ＝1的电压值。当VsAf为其他两种情况的时候，反馈控制器将工作。反馈控制模块由以运算放大器为主体的硬件电路实现，运算放大器采用前述的OP295，外围元器件则是普通的电容和电阻元件，控制器的控制参数由这些电容和电阻确定。
反馈控制模块7由十八运算放大器18及外围电路组成；调节电压Vju接三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极接十八运算放大器18的反相输入端；信号VsAf2通过十三电阻R13(332K)、第二电容C2(9.3uF)和十四电阻R14(681K)组成的混合电路接十八运算放大器18的反相输入端；十八运算放大器18的同相输入端串经十六电阻R16(30.1K)接GND；第三电容C3(1.2uF)与十五阻R15(1000K)并联后与并联的第四、第五电容C4(1.8uF)、C5(1.8)串联，一端接三极管Q1的发射极，另一端三极管Q1的集电极并输出控制电压V2；三极管Q1的集电极接十八运算放大器18的输出端，并串联二十一电阻R21(0.137K)输出泵电流Ip+。
反馈控制模块根据Vju以及放大输出电压信号VsAf2的大小，通过微积分等运算计算出控制电压V2，V1和V2两者的差值将决定泵电流Ip的大小，从而也反映了当前空燃比的大小。
四、输出放大模块
输出放大模块主体是一个差动输入运放电路，主要器件仍为前述的OP295，如图8所示。
输出放大模块8由十九运算放大器19及外围电路组成；信号V1接十九运算放大器19的反相输入端，信号V2通过二十三电阻R23(267K)接十九运算放大器19的同相输入端；十九运算放大器19的同相输入端串接二十四电阻R24(267K)、二十六电阻R26(10K)接+5V，二十七电阻R27(1K)的一端接入二十六电阻R26和二十四电阻R24的分压电点，另一端接GND；十九运算放大器19的输出端通过二十五电阻R25(267K)接十九运算放大器19的反相输入端，通过三十九电阻R39(57.6K)输出信号Vout。
输出放大模块用于对V1和V2进行差动放大，将其转换成0～5V的电压信号。
五、加热模块
加热模块4由IC110及外围电路组成，见图3；其间的连接为芯片IC1的BF口与五十电阻R50(22.1K)、二十二电容C22(1uF)的并接点相连，五十电阻R50与四十七电阻R47(7.87K)和四十八电阻R48(1K)的分压点连接，四十七电阻R47的另一端接二极管D11的负端和芯片IC1的OUT口；二十三电容C23和四十八电阻R48的另一端接GND；芯片IC1的GND和ON/OFF口、二极管D11的正端、二十一电容C21(22uF)、二十四电容C24(46uF)的一端、二极管D10的正极接GND；芯片IC1的IN口、二十一电容C21、二十四电容C24的另一端和二极管D10的负端接+12V。
汽车提供给的电子系统的电源电压一般都是12V或24V，且该电压会随发动机运转情况和蓄电池状态而有较大幅度变化。但为了使氧传感器能稳定工作，NTK的宽域氧传感器L1H1需要一个稳定的10.5V工作电压，主要是用于给泵电池等发生电化学反应的元件进行加热。这就需要设计一个加热电源模块。
考虑到发动机上高温震动较大的工作环境以及输入输出电压比(输出小于输入)等因素，本发明选择了National Semiconductor Corporation(国家半导体公司)的LM2576-ADJ元件作为稳压电源，其正常工作环境温度范围为-40℃≤Tj≤125℃，完全满足车用范围。本发明所用功能连接方式如图3所示。其中Vin接蓄电池电压12V或24V，
LM2576-ADJ是一种可调电源，调整范围在为1.23V～Vin，其具体输出公式为
R48，R47为调压电阻，本文中选择R48＝1kΩ，R47＝7.87kΩ，由上式可得，Vout≈10.5V。由于有电压反馈控制环节，该输出电压是恒定的，不随输入电压和外界环境而变化，因而可以使宽域氧传感器能够稳定工作。
加热模块将来自蓄电池的电源电压Vbat转化成宽域氧传感器工作时所需的稳定电压Heater+，主要用于给泵电池等发生电化学反应的元件进行加热，使其能够正常稳定的工作。
六、电源模块
电源模块3，见图4，它由芯片IC2(MC 7805B)(11)、芯片IC312)(LT1054)及外围电路组成；其间的连接为芯片IC2 11(MC7805B)的OUT口与十电容C10(47uF)、十三电容C13(54.3uF)的相连并连接+5V，芯片IC2的GND口与十电容C10、十三电容C13的另一端相连并接GND，芯片IC211的IN口接+12V，并通过十八电容C18(22uF)接GND；
芯片IC312LT1054的CAP+口接七电容C7(47uF)接CAP-口，芯片IC312的GND口接GND，芯片IC3的VCC口接+5V，芯片IC3L的Vout口接-5V，第八电容C8(54.2uF)一端接+5V，一端接GDN，第九电容C9(47uF)一端接-5V，一端接GDN。
电源模块将蓄电池电压转化成电路所需要+5V、-5V等工作电源，这些电源用于给运算放大器、比较器等器件供电。
考虑到输入电源为12V，而且车辆上空间狭小且环境温度较高等因素，本发明选择Motorola公司的MC78M05C作为12V转5V的电源，用Linear Technology的LT1054作为+5V转-5V的电源。
MC78M05C的工作温度范围为-40℃≤Tj≤125℃，而且其体积较小，完全满足车用要求。管脚1为输入端，接12V电压；管脚3接输出端，输出5V电源，即输出电压Vout＝5V；元件背面是管脚2，接地。
LT1054的工作温度范围是-55℃≤Tj≤125℃，因为现在已经有了5V电源，直接利用LT1054的反转功能就能得到-5V电源。
Vout＝-Vin＝-5V
本发明的放大控制流程如下：
1.接受传感器反馈电压Vs信号，由于信号较弱，将其按照Af(其大小在后面说明)倍放大。
2.按前面的分析，上一步的结果VsAf只能为三种情况，即0，0.45Af，0.9Af，其中若放大后为0.45Af，则表示当前λ＝1，其他两种情况为λ≠1。现按照λ是否等于1将信号分两部分处理。
3.由于后面需要在λ＝1的两侧不同方向的电压信号，来产生不同方向的泵电流Ip，所以将传感器反馈电压Vs放大后的信号减去λ＝1时Vs值的Af倍，即VsAf-VrefAf。这样，当λ在1周围附近变化时，VsAf-VrefAf在0周围变化，其产生的电流也会有两个方向，即λ＞1时，泵电流Ip一个方向，λ＜1时Ip为另一个方向。
4.将Vs放大后的信号反转，变为VsAf2输出。
5.当λ≠1时，将经过前面处理的电压信号VsAf2接到反馈控制模块的输入端，反馈控制电路由一个运算放大器及外围器件来实现。该控制器按照硬件给定的运算规则计算出所需的控制电压的大小，将该电压输回给氧传感器，从而改变泵电流的大小，维持参考室中氧浓度的稳定。
6.当λ≈1时，传感器反馈电压Vs输出一个450mV的电压信号。这时调节电压Vju将使Q1导通，从而将反馈控制模块短接，使其停止工作，这时后端放大器将直接对控制电压V1进行放大。
7.将前面所述的三种情况所得到的电压信号进行进一步的转化放大，使其在0～5V的范围变化，放大电路见图8。
至此，过量空气系数在较宽范围内的变化，可以完全由放大控制器的输出电压的高低来表征。