发动机冷却液温度传感器测控平台设计

时间：2024-07-28

(湖北汽车工业学院电气与信息工程学院，湖北十堰 442002)

0 引言

“汽车传感技术”作为汽车电子专业的核心专业基础课程，在近几年的实践教学环节却一直面临着实验设备匮乏的现状。目前,市场上的传感器实验台不能有针对性地满足汽车传感技术方面的实践教学要求[1-4]。文献[5]提出了汽车发动机热敏电阻型水温传感器性能测试仪设计方案。该测试仪结构较复杂，体积不够小巧，加热开环控制，不便于精确控温及作为测试和控制开发的平台。

在多年科研和教学的基础上，经过几轮方案的设计和验证，开发出了相关系列的汽车传感器实验平台，使用效果良好。本文将具体介绍“发动机冷却液温度传感器测控平台”的设计和实现。

1 系统整体设计

系统主体由下位机DSP系统板、驱动电路、发动机冷却液温度工况模拟装置、发动机冷却液温度传感器(俗称水温传感器)、调理电路(比例缩放电路)、测量端口、温度计、汽车仪表的水温表以及LabVIEW开发的上位PC机人机界面组成。其中，发动机冷却水温模拟装置采用内嵌加热棒的铜套实现，选择片内外设丰富的TI公司TMS320LF2407DSP为主控芯片。

系统工作原理如下。

① 上位PC机人机界面与下位机DSP系统板通过串口进行双向通信。上位机接收下位机传来的温度测量数据后同步进行显示，同时能设定试验者所期望的温度并发送给下位机DSP系统板。

② 水温传感器通过调理电路将当前实际温度实时反馈给DSP系统板。与上位机设定温度比较后，经过软件控制算法，发出相应的PWM波形，由驱动电路驱动发动机冷却水温工况模拟装置，使得设定温度和实际温度趋向一致。

③ 当前温度传感器的参数值可以通过测量端口用万用表实时测量，并结合玻璃温度计、汽车仪表的水温表以及上位PC机LabVIEW开发的虚拟水温表进行多位一体的显示。

系统工作原理图如图1所示。图1中，水温传感器信号分别送往比例缩放电路的输入接口SW-IN、供试验者测试的测量端口SW-C以及汽车水温仪表的端口B15(B15为仪表厂家所给电气原理图的编号)。

图1 系统工作原理图

2 器件选型

2.1 仪表及温度传感器选型

(1) 汽车水温仪表选型

综合考虑各因素，选用全数字A01型东风小霸王轻型车组合仪表[6]。其中水温表电气原理图如图2所示。

图2 水温表电气原理图

水温传感器的信号经B15送往水温仪表内部实时进行处理和显示。如图1所示，B15端对应的是与温度相关的电压信号，可直接取用后经调理电路送往DSP进行测量处理。

(2) 发动机冷却液温度传感器选型

NTC型热敏电阻具有很高的负温度系数，适用于-100～300 ℃之间的温度测量，广泛应用于点温度、表面温度和温度场的测量[7-8]。

为了与A01型仪表汽车仪表配套,系统采用了东风襄樊仪表有限公司的NTC型热敏电阻式冷却液温度传感器(3825A01-010型),水温表内部执行结构为步进电机。

水温仪表及传感器参数如表1所示。

表1 水温表及传感器参数

2.2 温度工况模拟装置选型

本文采用内置加热棒的铜棒实现冷却液温度模拟。铜棒为储热棒，一端钻孔后插入加热棒进行温度调控，另一端攻锥形丝旋入温度传感器进行温度观测。靠近温度传感器部位钻有小圆孔，便于直插玻璃温度计进行实际温度观测。

综合考虑尺寸、功率等因素，本文选用功率为110 W、尺寸为Ф8 mm×50 mm的加热棒。

3 硬件设计

图3 系统硬件电路图

(1) 冷却液温度传感器调理电路

受DSP供电电压限制，内部A/D参考电压为3.3 V，所以温度信号电压需要先进行比例缩放。本文通过外部输入试验来确定电压范围，即在仪表的B15和B1端接入一个滑动电阻，仪表独立供电。参数测量结果如表2所示。

表2 外接电阻测量结果

从表2可以看出，当电阻为无穷大(即断开)时，测得分压为5 V。因此，经过比例运算，得到3 V的信号电压，将该电压送往DSP的ADCIN15口，以确保A/D口的电压范围在0～3 V之间。ADCIN15口并联小电容能滤除干扰杂波。为方便测试温度传感器电阻，在信号输出端串联一个自锁按钮开关。当开关断开时，测量电阻；当开关闭合时，进行在线闭环温度调控。

(2) 加热棒驱动电路

比较实时测量温度和设定温度后，利用DSP控制算法通过IOPE6实时生成相应的PWM波形，以驱动加热棒。PWM波形首先经两级反相器同相驱动，然后送往4N25型开关光耦U10进行隔离驱动，以控制IRF540N型MOS管Q10的栅极，使JGX-5F型固态继电器与地的通路进行通断控制，从而控制加热棒与220 V交流电的通断。反向并联的硅二极管D10为续流二极管，当固态继电器突然断开时，自感电势能量通过D10释放，避免击穿MOS管。

4 软件设计

4.1 温度传感器标定

温度传感器的准确标定是后续温度精确控制的前提。标定步骤如下。

(1) A/D误差校正

DSP2407内置ADC转换精度为10位。实际使用中如果直接用其A/D进行转换，则由于受实验台其他装置的电磁干扰等影响，A/D转换精度并不理想。

我们的名字按字母顺序写在“黑板”上。我环顾四周，眼光落到亍房间一头，在那里，每隔一米挂着一个褪色的黑沙袋。

ADC误差主要包括失调误差和增益误差。根据TI公司手册，采用校准模式可以计算ADC模块的零、中值和最大值的偏置误差，但在实际应用中该模式具有一定的局限性。为此，采用中值滤波的方法进行A/D转换值的处理。为保证足够的采样精度，对某点的过采样数要比较多。对于中值滤波涉及的数值排序问题，采用效率较高的希尔排序法解决。排序后再进行中值平均滤波。

A/D值与实际测量值仍然有一定的差异，该误差即为上述失调误差和增益误差的体现。为此，标准输入一组电压Ui，得到对应的A/D值Di，建立Ui=f(Di)的分段线性拟合公式。与相关文献[8]中通过实际值与理论值得到校正增益和校正失调的方法相比，该方式更加简洁实用，避免了D/A换算的理论公式，同时也避免了参考电压测量不准带来的二次换算误差。

(2) 温度-电压关系标定

为提高标定速度，采取两步标定的方案。

① 在开环手动调压输入情况下，系统温度初步达到平衡后即记录对应的温度T、信号电压值U，得到初步标定关系式T=g1(U)，A/D口电压UD=0.6 V，所以初步标定关系式为T=g1(UD/0.6)。

② 在闭环控制系统中，将利用该关系式换算得到的测量温度T与设定温度TS进行比较，实现闭环调节。当换算测量温度T与设定温度TS一致、系统温度达到稳态后，观测玻璃温度计，记录实际温度Tb以及当前信号电压U。

继续利用快速稳定的反馈调节，得到系列测量值，并建立新的标定关系式Tb=g2(UD/0.6)。Tb即为二次标定后A/D转换电压所换算的正确测量温度T，则T=g2(UD/0.6)。该方案的优点是标定效率高、精度准，第二次标定后基本不需要再反复进行系数修正，但其前提是闭环系统的控制策略良好稳定。

二次标定时的系列测量值如表3所示。

表3 二次标定系列测量值

采用最小二乘法原理，经4次多项式拟合，得到Tb-UD亦即二次标定后T-UD的拟合关系式为：

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

对应的拟合曲线如图4所示。

图4 T-UD拟合曲线

4.2 测控流程

温度测控流程如图5所示。

图5 温度测控流程图

由图3所示驱动电路可知，加热棒与220 V电源的通断由固态继电器JGX-5F实现，其内部为双向可控硅结构。由于可控硅属半控型器件，开通后只能在工作电压接近反向时才完全截止[9-10]。若要精确地输出控制量，必须增加工作电压220 V的过零检测，配合精确的导通角输入才能达到此目的。本文采用了更加简洁易行的方案，即以模糊控制思想为基础的控制策略，从而节省了硬件资源。

大致思路是：双向可控硅在1 s内正负导通共100次，即1 s内有0～100个波头可以进行自由支配。PWM输出周期为1 s的波形，占空比为m%，其中m为1 s内预期控制导通的波头数。除非PWM上升沿恰好在220 V交流电的过零点附近，否则导通的波头数为(m+1)。虽然最多可能有1个波头的误差，但是模糊控制的鲁棒性可以使其影响忽略不计。首先，温度区间模糊化为8个区间，开环送占空比为mi%的PWM波形，得到每个温度区间大致需要的波头数mi，此即平衡点的粗略估计值。然后，以模糊控制思想为基础，并结合逐次逼近预测控制的策略，达到快速、稳定、精确的控制效果[11-12]。

5 试验结果

采用LabVIEW开发的上位机实验界面，通过对话框或旋钮输入设定温度，试验过程中能直观看到温度响应记录曲线和温度设定曲线的吻合程度。虚拟温度计也可直观显示当前温度值，并对照汽车水温仪表、温度计观测模拟水温。试验者通过测量端子测量稳态时水温传感器的信号电压和电阻值，并结合测量温度进行标定。多种测量方式保证了测量的可靠性。结果表明，通过DSP的控制调节，实验台能够较快地达到期望水温，超调量和稳态误差小。