發動機冷卻液溫度傳感器測控平臺設計

(湖北汽車工業學院電氣與信息工程學院，湖北 十堰 442002)

0 引言

“汽車傳感技術”作為汽車電子專業的核心專業基礎課程，在近幾年的實踐教學環節卻一直面臨著實驗設備匱乏的現狀。目前,市場上的傳感器實驗臺不能有針對性地滿足汽車傳感技術方面的實踐教學要求[1-4]。文獻[5]提出了汽車發動機熱敏電阻型水溫傳感器性能測試儀設計方案。該測試儀結構較復雜，體積不夠小巧，加熱開環控制，不便于精確控溫及作為測試和控制開發的平臺。

在多年科研和教學的基礎上，經過幾輪方案的設計和驗證，開發出了相關系列的汽車傳感器實驗平臺，使用效果良好。本文將具體介紹“發動機冷卻液溫度傳感器測控平臺”的設計和實現。

1 系統整體設計

系統主體由下位機DSP系統板、驅動電路、發動機冷卻液溫度工況模擬裝置、發動機冷卻液溫度傳感器(俗稱水溫傳感器)、調理電路(比例縮放電路)、測量端口、溫度計、汽車儀表的水溫表以及LabVIEW開發的上位PC機人機界面組成。其中，發動機冷卻水溫模擬裝置采用內嵌加熱棒的銅套實現，選擇片內外設豐富的TI公司TMS320LF2407DSP為主控芯片。

系統工作原理如下。

① 上位PC機人機界面與下位機DSP系統板通過串口進行雙向通信。上位機接收下位機傳來的溫度測量數據后同步進行顯示，同時能設定試驗者所期望的溫度并發送給下位機DSP系統板。

② 水溫傳感器通過調理電路將當前實際溫度實時反饋給DSP系統板。與上位機設定溫度比較后，經過軟件控制算法，發出相應的PWM波形，由驅動電路驅動發動機冷卻水溫工況模擬裝置，使得設定溫度和實際溫度趨向一致。

③ 當前溫度傳感器的參數值可以通過測量端口用萬用表實時測量，并結合玻璃溫度計、汽車儀表的水溫表以及上位PC機LabVIEW開發的虛擬水溫表進行多位一體的顯示。

系統工作原理圖如圖1所示。圖1中，水溫傳感器信號分別送往比例縮放電路的輸入接口SW-IN、供試驗者測試的測量端口SW-C以及汽車水溫儀表的端口B15(B15為儀表廠家所給電氣原理圖的編號)。

圖1 系統工作原理圖

2 器件選型

2.1 儀表及溫度傳感器選型

(1) 汽車水溫儀表選型

綜合考慮各因素，選用全數字A01型東風小霸王輕型車組合儀表[6]。其中水溫表電氣原理圖如圖2所示。

圖2 水溫表電氣原理圖

水溫傳感器的信號經B15送往水溫儀表內部實時進行處理和顯示。如圖1所示，B15端對應的是與溫度相關的電壓信號，可直接取用后經調理電路送往DSP進行測量處理。

(2) 發動機冷卻液溫度傳感器選型

NTC型熱敏電阻具有很高的負溫度系數，適用于-100～300 ℃之間的溫度測量，廣泛應用于點溫度、表面溫度和溫度場的測量[7-8]。

為了與A01型儀表汽車儀表配套,系統采用了東風襄樊儀表有限公司的NTC型熱敏電阻式冷卻液溫度傳感器(3825A01-010型),水溫表內部執行結構為步進電機。

水溫儀表及傳感器參數如表1所示。

表1 水溫表及傳感器參數

2.2 溫度工況模擬裝置選型

本文采用內置加熱棒的銅棒實現冷卻液溫度模擬。銅棒為儲熱棒，一端鉆孔后插入加熱棒進行溫度調控，另一端攻錐形絲旋入溫度傳感器進行溫度觀測?？拷鼫囟葌鞲衅鞑课汇@有小圓孔，便于直插玻璃溫度計進行實際溫度觀測。

綜合考慮尺寸、功率等因素，本文選用功率為110 W、尺寸為Ф8 mm×50 mm的加熱棒。

3 硬件設計

圖3 系統硬件電路圖

(1) 冷卻液溫度傳感器調理電路

受DSP供電電壓限制，內部A/D參考電壓為3.3 V，所以溫度信號電壓需要先進行比例縮放。本文通過外部輸入試驗來確定電壓范圍，即在儀表的B15和B1端接入一個滑動電阻，儀表獨立供電。參數測量結果如表2所示。

表2 外接電阻測量結果

從表2可以看出，當電阻為無窮大(即斷開)時，測得分壓為5 V。因此，經過比例運算，得到3 V的信號電壓，將該電壓送往DSP的ADCIN15口，以確保A/D口的電壓范圍在0～3 V之間。ADCIN15口并聯小電容能濾除干擾雜波。為方便測試溫度傳感器電阻，在信號輸出端串聯一個自鎖按鈕開關。當開關斷開時，測量電阻；當開關閉合時，進行在線閉環溫度調控。

(2) 加熱棒驅動電路

比較實時測量溫度和設定溫度后，利用DSP控制算法通過IOPE6實時生成相應的PWM波形，以驅動加熱棒。PWM波形首先經兩級反相器同相驅動，然后送往4N25型開關光耦U10進行隔離驅動，以控制IRF540N型MOS管Q10的柵極，使JGX-5F型固態繼電器與地的通路進行通斷控制，從而控制加熱棒與220 V交流電的通斷。反向并聯的硅二極管D10為續流二極管，當固態繼電器突然斷開時，自感電勢能量通過D10釋放，避免擊穿MOS管。

4 軟件設計

4.1 溫度傳感器標定

溫度傳感器的準確標定是后續溫度精確控制的前提。標定步驟如下。

(1) A/D誤差校正

DSP2407內置ADC轉換精度為10位。實際使用中如果直接用其A/D進行轉換，則由于受實驗臺其他裝置的電磁干擾等影響，A/D轉換精度并不理想。

我們的名字按字母順序寫在“黑板”上。我環顧四周，眼光落到亍房間一頭，在那里，每隔一米掛著一個褪色的黑沙袋。

ADC誤差主要包括失調誤差和增益誤差。根據TI公司手冊，采用校準模式可以計算ADC模塊的零、中值和最大值的偏置誤差，但在實際應用中該模式具有一定的局限性。為此，采用中值濾波的方法進行A/D轉換值的處理。為保證足夠的采樣精度，對某點的過采樣數要比較多。對于中值濾波涉及的數值排序問題，采用效率較高的希爾排序法解決。排序后再進行中值平均濾波。

A/D值與實際測量值仍然有一定的差異，該誤差即為上述失調誤差和增益誤差的體現。為此，標準輸入一組電壓Ui，得到對應的A/D值Di，建立Ui=f(Di)的分段線性擬合公式。與相關文獻[8]中通過實際值與理論值得到校正增益和校正失調的方法相比，該方式更加簡潔實用，避免了D/A換算的理論公式，同時也避免了參考電壓測量不準帶來的二次換算誤差。

(2) 溫度-電壓關系標定

為提高標定速度，采取兩步標定的方案。

① 在開環手動調壓輸入情況下，系統溫度初步達到平衡后即記錄對應的溫度T、信號電壓值U，得到初步標定關系式T=g1(U)，A/D口電壓UD=0.6 V，所以初步標定關系式為T=g1(UD/0.6)。

② 在閉環控制系統中，將利用該關系式換算得到的測量溫度T與設定溫度TS進行比較，實現閉環調節。當換算測量溫度T與設定溫度TS一致、系統溫度達到穩態后，觀測玻璃溫度計，記錄實際溫度Tb以及當前信號電壓U。

繼續利用快速穩定的反饋調節，得到系列測量值，并建立新的標定關系式Tb=g2(UD/0.6)。Tb即為二次標定后A/D轉換電壓所換算的正確測量溫度T，則T=g2(UD/0.6)。該方案的優點是標定效率高、精度準，第二次標定后基本不需要再反復進行系數修正，但其前提是閉環系統的控制策略良好穩定。

二次標定時的系列測量值如表3所示。

表3 二次標定系列測量值

采用最小二乘法原理，經4次多項式擬合，得到Tb-UD亦即二次標定后T-UD的擬合關系式為：

T=14.73UD4-92.18UD3+210.9UD2-250.1UD+191.8

對應的擬合曲線如圖4所示。

圖4 T-UD擬合曲線

4.2 測控流程

溫度測控流程如圖5所示。

圖5 溫度測控流程圖

由圖3所示驅動電路可知，加熱棒與220 V電源的通斷由固態繼電器JGX-5F實現，其內部為雙向可控硅結構。由于可控硅屬半控型器件，開通后只能在工作電壓接近反向時才完全截止[9-10]。若要精確地輸出控制量，必須增加工作電壓220 V的過零檢測，配合精確的導通角輸入才能達到此目的。本文采用了更加簡潔易行的方案，即以模糊控制思想為基礎的控制策略，從而節省了硬件資源。

大致思路是：雙向可控硅在1 s內正負導通共100次，即1 s內有0～100個波頭可以進行自由支配。PWM輸出周期為1 s的波形，占空比為m%，其中m為1 s內預期控制導通的波頭數。除非PWM上升沿恰好在220 V交流電的過零點附近，否則導通的波頭數為(m+1)。雖然最多可能有1個波頭的誤差，但是模糊控制的魯棒性可以使其影響忽略不計。首先，溫度區間模糊化為8個區間，開環送占空比為mi%的PWM波形，得到每個溫度區間大致需要的波頭數mi，此即平衡點的粗略估計值。然后，以模糊控制思想為基礎，并結合逐次逼近預測控制的策略，達到快速、穩定、精確的控制效果[11-12]。

5 試驗結果

采用LabVIEW開發的上位機實驗界面，通過對話框或旋鈕輸入設定溫度，試驗過程中能直觀看到溫度響應記錄曲線和溫度設定曲線的吻合程度。虛擬溫度計也可直觀顯示當前溫度值，并對照汽車水溫儀表、溫度計觀測模擬水溫。試驗者通過測量端子測量穩態時水溫傳感器的信號電壓和電阻值，并結合測量溫度進行標定。多種測量方式保證了測量的可靠性。結果表明，通過DSP的控制調節，實驗臺能夠較快地達到期望水溫，超調量和穩態誤差小。

6 結束語

實驗臺人機界面友好，操作簡單方便。通過對實驗系統的了解和實踐，能夠加深試驗者對汽車水溫傳感器參數標定、傳感器信號調理電路及加熱系統設計、模糊控制策略等的認知理解。靈活的模塊化設計，不僅能滿足相關的實踐教學，也是很好的畢業設計和課余電子設計應用的實踐平臺。

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