工程機械控制器溫度測量系統誤差校準

趙明輝，王志偉，馬文宇

(廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 5 4 5 0 0 7)

在工程機械上，溫度作為工程機械控制系統的一個重要的參數，其測量精度直接關系到對發動機的保護控制。由于工程機械控制器溫度測量系統存在誤差，導致溫度測量精度不高，使用溫度作為控制的輸入量時也會受到一定的限制。本文通過最小二乘法曲線擬合的查表法，有效校準工程機械溫度測量系統的誤差，提高工程機械控制器溫度測量系統的精度。

1 溫度傳感器特性

工程機械的溫度傳感器采用的是負溫度系數(NTC)型熱敏電阻，即隨著溫度升高，電阻阻值降低。其溫度傳感器輸出電阻值Rt與溫度t之間的函數關系為

式中，Rt為絕對溫度t時溫度傳感器的電阻值；A、C和D值如表1所示。

表1 A、C和D的取值與溫度對應表

由式（1）和表1得出，當溫度從0～120℃溫度傳感器輸出的電阻值如圖1所示。

圖1 溫度傳感器特性曲線

2 溫度測量系統

傳統的三線制、四線制、恒流源和恒壓源溫度傳感器接線法，主要消除線阻的影響，增加了測量系統的復雜度，但對測量系統的誤差、傳感器電阻誤差很少考慮。工程機械上線路短、線阻小的特點，因此三線制、四線制、恒流源和恒壓源溫度傳感器接線法很少應用在工程機械上，目前工程機械控制器溫度測量系統圖2所示。

圖2中，R1為上拉電阻；Rt為溫度傳感器電阻，VCC為溫度傳感器供電電源；虛線部分為工程機械控制器溫度測量電路。

若不考慮溫度傳感器供電電源VCC、上拉電阻R1和微控制器(MCU)的參考電壓Uref的誤差。當溫度傳感器電阻為Rt，微控制器采集的標準為

工程機械控制器選用的電子元器件存在誤差，導致微控制器采集的ADactual與ADnormative存在誤差。若不考慮線阻誤差和溫度傳感器自身誤差時，控制器采樣的ADactual為

式中，k1為溫度傳感器供電電源的誤差；k2為微控制器的參考電壓Uref誤差；k3為上拉電阻R1的誤差；k4為跟隨電路誤差。

由式（2）和式（3）得

式中，k=k1k4/k2。

由式（4）可知，Δad與Rt不是線性關系。當溫度傳感器電阻為Rt時，不同工程機械控制器，由于上拉電阻、傳感器供電電源精度不同，微控制器采集的ADactual也不同，因此工程機械控制器必須通過校準才能實現溫度的精確測量。

通過對采集電路的誤差分析，使用電阻箱模擬溫度傳感器，4塊工程機械控制器采集溫度如圖3所示，采集溫度與標準溫度差值如圖4所示，采集AD值如圖5所示，采集AD值與標準AD差值如圖6所示。

由圖3和圖4可知，不同的控制器采集的溫度偏差不同，4#控制器采集溫度值與標準溫度值最大差值11℃，不能滿足工程機械溫度測量需求。

由圖5和圖6可知，不同控制器采集的

圖3 采集溫度曲線

圖4 采集溫度與標準溫度差值曲線

圖5 采集AD值曲線

圖6 采集AD值與標準AD差值曲線

ADactual與ADnormative差值大，4#控制器采集的AD最大差值60℃，因此通過查表法無法實現溫度精確測量。

3 溫度校準系統

通過溫度測量系統的分析，控制器需進行溫度校準，本文設計溫度校準系統如圖7所示。

圖7中左側方框為溫度校準平臺；右側方框為控制器和上位機；溫度校準平臺和控制器之間通過CAN總線通信。

圖7 溫度校準系統

溫度校準平臺由微控制器MCU和數字電位計組成，微控制器和數字電位計通過SPI總線通信。通常數字電位計精度越高，校準效果越好。

校準流程如圖8所示，具體步驟如下。

圖8 校準流程圖

1）溫度校準平臺輸出電阻r+NΔr，溫度校準平臺計數N=0。

2）溫度校準平臺輸出電阻r+NΔr時，發送握手信號N至控制器。

3）控制器接收到溫度校準平臺的握手信號N后，控制器啟動10m s定時器。

4）10ms后，控制器回復握手信號N至溫度校準平臺并將采集到AD值發送至溫度校準平臺和上位機。

5）溫度校準平臺接收控制器回復的握手N信號后，溫度計數平臺計數N=N+1。

6）當N≤255時，重復步驟(1)；當N>255時，轉至步驟(7)執行。

7）上位機將接收的256個ADactual與ADnormative通過最小二乘法進行曲線擬合，并將計算的系數發送至控制器。

8）控制器將接收的系數保存在存儲器中，并在以后每次AD轉換時，將采集的ADactual按最小二乘法原理乘以相應的系數，轉化為ADnormative。

9）通過查表法將ADnormative轉化為相應溫度值。

4 上位機校準軟件

上位機校準軟件采用VC++和matlab聯合編程。上位機軟件通過CAN總線與控制器進行通信，接收控制器發出的ADactual。上位機軟件調用matlab將ADactual通過最小二乘曲線擬合方法來逼近ADnormative，并計算曲線擬合系數。

上位機軟件接收到第256個ADactual時，上位機上指示燈變亮，計算出擬合系數后，控制器接收到擬合系數后，控制器發送接收到擬合系數的信號后，指示燈變暗，校準結束。上位機軟件界面如圖9所示。

圖9 上位機軟件界面

5 試驗驗證

針對4塊控制器出現的溫度采集誤差，通過溫度校準系統的校準，校準后4塊工程機械控制器校準溫度分別如圖10所示，校準溫度與標準溫度差值如圖11所示，校準AD值如圖12所示，校準AD值與標準AD值差值如圖13所示。

由圖3、圖4、圖10和圖11可知，通過溫度校準，控制器采集溫度偏差為±1℃，滿足工程機械溫度測量要求。

由圖5、圖6、圖12和圖13可知，通過校準后，校準AD值與標準AD值偏差減小，使用校準AD值可以符合工程機械溫度查表的要求。

6 結 語

本文進行工程機械控制器的溫度轉換電路誤差分析，通過基于最小二乘法的曲線擬合校準誤差的方法，在不增加成本的情況下，提高了工程機械控制器溫度測量的精度。該方法已經在控制器上實際運用。 O

[1] 王幸之，王 雷．單片機應用系統抗干擾技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2000．

[2] 趙新宇，何怡剛．車用鉑電阻溫度傳感器非線性校正[J]．計量與測試技術，2005，32(5)：9-10．