PTC 電阻式車用油位傳感器控制系統研究

王煜華，申立中，王鵬

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學 云南省內燃機重點實驗室）

0 引言

近年來，隨著汽車工業的進步，人們對汽車性能的要求也越來越高，油位傳感器的功能也更加完善。為了提高汽車的可靠性，油位傳感器起著很大的作用，能夠檢測汽車機油油量及其最低油量，以保證發動機在良好的工作環境下運行，避免發動機在潤滑不足的情況下工作，而損壞發動機內部機械零件。精密的油位傳感器能夠有效提高汽車正常行駛的安全，所以選擇一個好的油位傳感器是不可忽略的一部分。目前油位傳感器可分為接觸和非接觸兩種形式，其中接觸式主要有厚膜電阻式和繞線電阻式等，其制造簡單、價格便宜、應用廣泛是其優點。油位傳感器主流設計：非接觸式有霍爾式、超聲波式、電容式等，其電特性不易受油品腐蝕影響，穩定性好，但是價格太過昂貴不具普及性[1-2]。國外早在20 世紀30 年代就開始研發電阻式傳感器。由于電阻式油位傳感器結構簡單、測量精確、靈敏度高、動態性好、成本較低，則在汽車發動機中得到了廣泛的應用[3]。本文在對電阻式油位傳感器的研究中，提出了一種PTC 探針式油位傳感器。它能夠根據待測液體的變化來進行測量，且能夠自我檢測錯誤。此傳感器采用PID 控制策略，實時監控油位的變化并及時對測量結果進行修正。

1 PTC 電阻式傳感器的工作原理及模型

1.1 主要結構

PTC 電阻式傳感器的主要結構與原理如圖1所示。其主要工作原理就是根據施加在探頭上的恒定電流下PTC 鉑探頭在規定時間段內的電阻變化來評估油底殼中的潤滑油液位。測量的物理值是探針上的電壓，從探針上抽出的熱量取決于油探針接觸區域的大小，探頭周圍的油越多，排出的熱量就越多，因此它的溫度、電阻、電壓的增加就越小。

圖1 PTC 電阻式傳感器主要結構Fig.1 Main structure of PTC resistance sensor

1.2 工作原理及電阻數學模型

打開點火鑰匙后，電子模塊根據施加在探針上的恒定電流下PTC 鉑探針在規定的時間間隔內電阻的變化來評估油底殼中的潤滑油油位。探針的兩端壓差是在一個很小的時間間隔內分別測得開始電壓和結束電壓而得到一個壓差，根據壓差的變化率來對機油油位進行評估，如圖1 所示。EDC 對電壓信號進行評估，將其轉換為相應的機油油位，然后通過CAN 將其傳輸到車身計算機。車身電腦依次將此信息重新傳輸到儀表板，儀表板顯示油底殼中的機油油位。如果機油油位過低，儀表板上的機油油位指示燈將閃爍5 s。如圖1所示的電阻式傳感器原理示意圖，設電阻棒的總長度為L，其上分布線密度為λ 的均勻電阻,傳感器垂直插入水中的深度為S。a、b 兩點為傳感器的兩端，c 點為傳感器與水面的接觸點,水溶液的電阻率為P，電流通過水體垂向傳導的面積始終為A，則電阻棒a，b 兩點間的總電阻可近似用下式計算[4]：

式中：ρ——介質密度。

根據式（2）—式（5）即可近似算出端點a，b 間的總電阻R，當劃分電阻棒的長度dl 逐漸減小時，所計算的R 就向a，b 間的真值逼近。當電阻棒上的電阻分布不均勻時，設其線密度為λ（l）。其中，l 為至頂端b 點的距離，則式（2）和式（4）分別變成

由關系式可知電阻與油位界面值的關系，所以只要測得電阻針兩端的電壓和電流，再計算出電阻值，從而可知機油油位。

2 控制系統的研究

汽車正常運行過程中，機油液位高低是汽車正常運行的一個重要指標，同時也是保證發動機安全運行的重要條件之一[5]。由于機油液位變化因素較多，在測量時可能會受到外界因素的干擾而產生液位的變化，這就需要對測量的液位及時做出調整，從而得到最精確的值。在控制系統中，往往被控對象的參數會有一定慣性和時間上的滯后，在汽車的行駛過程中，機油消耗和其他因素會對控制帶來影響，造成系統參數的變化,從而影響控制性能[6-7]。

用常規的PID 控制不能得到良好的控制效果，這是因為常規的PID 不能在線實時調整參數，而自校正控制系統中，受控對象的初始不確定性及因受到隨機干擾而引起的參數變化，可以通過對受控對象參數和狀態的不斷在線估計得到正確反映。PID 參數的自整定是為了提高PID 調節器的適應能力，將自適應技術PID 調節結合起來，產生自校正PID 調節器，這里采用相關系數辨識法來在線調節PID 參數[8]。實際采集的數據輸入模型后，計算實際輸出和模型輸出的關系，通過不斷調整模型的參數，搜索對應于相關系數最大值的數學模型，再在此模型的基礎上按照二次型性能指標設計最優的PID 控制器，此過程在系統運行中不斷在線進行[9]。參數的整定流程如圖2所示，其中SP 和PV 分別表示控制過程中的設定值和測量值，OP 表示控制器的輸出。此系統的控制優點是原理簡單且操作性強，對于液位的變化能夠做出及時調整，適應性較強。

圖2 自適應控制-相關系數辨識 PID 參數Fig.2 Adaptive control correlation coefficient identification PID parameters

3 油位檢測系統的研究

3.1 合理性范圍檢測模塊

油位傳感器驅動控制策略兩大重要任務是通過ADC輸入來獲取信號和檢查信號的范圍錯誤。當打開點火鑰匙后，電子模塊根據電阻變化評估油底殼中的潤滑油液位，每個規定的時間范圍內，在PTC 探針上施加恒定電流，在EDC 評估電壓信號，將其轉換成相應的油位。算法開發選擇MATLAB/Simulink 作為主環境，通過Simulink 代碼生成工具，將搭建完成的模型轉化為 C 代碼，并編譯成dll 動態鏈接庫文件，導入VeriStand 中進行配置，如圖3 所示為信號采集模塊概述[10]。

圖3 信號采集模塊概述Fig.3 Overview of signal acquisition module

機油油位的信號可以通過ADC 通道或CAN接口來獲取，其中提供軟件選擇開關來決定是否進行配置信號的輸入。

當發動機未運轉時執行該測量。如果發動機啟動，必須中斷測量，因為此時發動機運轉可能會導致油箱抖動而使測量不準確?？刂茊卧ㄟ^ADC 讀取電壓值，監視信號范圍錯誤并檢查它們的合理性，執行錯誤消抖和通過DSM 報告。油位信號驅動裝置，可見油位信號獲取層主要包含信號范圍檢測、油位狀態評估和DSM3 個子模型，如圖4 所示。

圖4 油位獲取層模型Fig.4 Oil level acquisition layer model

合理性范圍檢測模塊監測測量數據是否合理，它將開始測量電壓ustrat_mp 和結束測量電壓uend_mp 實時檢測中設定了一個閾值，都不能超過uSRCMin_C～uSRCMax_C 這個范圍。若測量值在這個范圍則為正常；若測量結果超過了這個閾值，則設置相應的故障錯誤DFC_Min 和DFC_Max。若ADC 在采樣中發生了至少一個錯誤則會輸出stcurrtmanger 標志，該標志表示機油油位評估不精確。合理性范圍檢查模型主要由DSM 錯誤管理系統子模塊組成，如圖5 所示。

圖5 合理性范圍檢查模型Fig.5 Rationality range inspection model

輸入的是發動機油位OilLvl，其檢測條件判斷模型是一個在ECU 上電后就立刻被激活的前置模型，將實際測量的值與閾值在設定的時間范圍內進行比較，若超出這個范圍則將信號報告給DSM 中，最后輸出DFC。

3.2 油位決策模型

油位決策模型作用是在發動機點火時，在啟動ADC 采樣電壓時，若沒有故障則決定啟用油位評估，它決定了何時進行油位評估。由于故障并非總在循環內持續發生，所以決策模型還應當體現故障發生和消除狀態之間的互相轉化。根據描述的功能特點，使用Simulink 中的Stateflow 模塊進行決策模型的編寫。Stateflow 是一種基于狀態機原理的圖形化編程工具，對較為復雜的邏輯有良好的實現效果[11]。狀態機（見圖6）中的每一個矩形塊都代表一種狀態，塊之間的連線則代表狀態的互相轉化。使用狀態機進行油位的評估，其先進行ADC 輸入獲取執行 其余的狀態進行油位評估。當T15 接通并且ECU 初始化程序完成后，電流開始流過探針并轉換到下一個狀態，接著開始采樣電壓，在這個狀態下對傳感器兩端的電壓進行采樣。如果采樣成功，則狀態更改為WAITSMPL（0x03）；如果采樣有故障（SRC 錯誤），則在采樣最終確定之前狀態不會更改（然后狀態更改為WAITSMPL（0x03）），則設置相應的DFC。同理，在后面的03～04 狀態中進行采樣結束電壓。當沒有ADC 故障時，則轉換到狀態05 進行油位的評估。當油位評估完時，如果值tinxtmeas_c 不等于0，即評估的周期還沒有結束時，則更改為狀態06，反之狀態更改為08，測量結束切斷探頭的電流。在狀態06 中，等待tinxtmeas_c 過期即測量周期結束后狀態變為01，重新進行以上循環。其中，除了狀態08 以外，發動機啟動或者測量開關被關閉時，則會關閉電流供應，重置內部計時器。只要重新初始化ECU則油位就會進行一次新的評估。

圖6 油位決策模型Fig.6 Oil level decision model

3.3 油位評估模塊

圖7 油位評估模型Fig.7 Oil level evaluation model

油位評估模型如圖7 所示。當滿足以下條件時，油位記錄才會更新：（1）開始電壓采樣和結束電壓采樣都必須成功，并且沒有一個DFC故障；（2）采樣開始電壓和結束電壓大于0；（3）當前測量循環中沒有計時錯誤和溫度錯誤。

同時滿足以下任意一個條件時也可進行油位評估：（1）上一個函數輸出是發動機油位默認值rengoildfl_c，并且評估中沒有出現錯誤，由標志stdfl_mp 指 示；（2）當評估周期進行重置時。油位評估若出現了錯誤，此時會停止工作并對外輸出一個DFC。

油 位rEngOil 使 用ADC 獲取的電壓差uDiff和發動機溫度tEngOil_mp作為輸入，通過評估發動機油位的圖譜rEngOil_MAP 評估。其中發動機溫度是通過發動機溫度場EngDa_tFld 進行選擇。若tiNxtMeas_C=0，評估結束，反之則進行第2 次評估。使用油溫的默認值（tEngOilDfl_C）代替傳感器傳遞的值，設置標志stTempErr_mp。這表示發動機油位評估準確性較低，所以必須要考慮先前的條件才能進行更新。

4 控制系統實驗驗證

實驗主要是為了驗證油位檢測系統的精確度。實驗在一個較為密閉的空間并且溫度穩定的環境中進行。

用到的實驗設備有單片機下載模塊、玻璃量筒、高度游標卡尺、量塊、PC 上位機、1 L 潤滑油。將模型進行代碼生成并下載到實時控制器運行，在上位機PC 中通過VeriStand 軟件進行系統定義文件的配置和交互界面的設計，實現系統狀態的實時監控。

4.1 系統標定實驗

油位傳感器利用高精度的游標卡尺作為標準的值。把帶有PTC 探針的油位傳感器調整好位置放入量筒中，每次向量筒中加入20 mm 油液，直到滿程。測得的數據如表1 所示。

表1 系統標定實驗Tab.1 System calibration experiment

根據表中的測出的電阻值和傳感器輸出的數據，進行最小二乘擬合可得到擬合曲線，見圖8。

圖8 擬合曲線Fig.8 Fitting curve

根據擬合曲線可得電阻R 和高度H 的擬合方程式：

把標定數據與實測數據進行對比可知與實際相差較大，把部分參數修正到計算公式中去，用于單片機的軟件中。

4.2 系統測量實驗

在進行測量實驗時，其環境和設備與標定實驗相同，每次加入的油液的高度量保持在10 mm，直到滿量程。得到的測量結果如表2 所示。

表2 系統測量實驗Tab.2 System measurement experiment

為了清楚地表示結果的準確性，采用相對誤差公式：

把表2 數據帶入式（9）可得最大相對誤差為2.90%，同時最大絕對誤差不超過0.685 mm，基本滿足系統設計要求。

5 結論

此控制系統運用狀態機進行油位評估和對評估的結果進行診斷，得出沒有測量故障的準確值。通過實驗驗證PTC 電阻式油位傳感器的系統可行性和精確度，表明系統設計基本符合要求，且精確度較高，但是在測試時沒有考慮到不同介質對測量結果的影響及傳感器探針本身的體積對測量結果的影響，因此為了使系統更加適合實際應用，在以后的研究中可對以上因素進行改進。