(湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002)

0 引言

“汽車(chē)傳感技術(shù)”作為汽車(chē)電子專(zhuān)業(yè)的核心專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，在近幾年的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)卻一直面臨著實(shí)驗(yàn)設(shè)備匱乏的現(xiàn)狀。目前,市場(chǎng)上的傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)不能有針對(duì)性地滿足汽車(chē)傳感技術(shù)方面的實(shí)踐教學(xué)要求[1-4]。文獻(xiàn)[5]提出了汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)熱敏電阻型水溫傳感器性能測(cè)試儀設(shè)計(jì)方案。該測(cè)試儀結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，體積不夠小巧，加熱開(kāi)環(huán)控制，不便于精確控溫及作為測(cè)試和控制開(kāi)發(fā)的平臺(tái)。

在多年科研和教學(xué)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)幾輪方案的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，開(kāi)發(fā)出了相關(guān)系列的汽車(chē)傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使用效果良好。本文將具體介紹“發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度傳感器測(cè)控平臺(tái)”的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主體由下位機(jī)DSP系統(tǒng)板、驅(qū)動(dòng)電路、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度工況模擬裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度傳感器(俗稱(chēng)水溫傳感器)、調(diào)理電路(比例縮放電路)、測(cè)量端口、溫度計(jì)、汽車(chē)儀表的水溫表以及LabVIEW開(kāi)發(fā)的上位PC機(jī)人機(jī)界面組成。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫模擬裝置采用內(nèi)嵌加熱棒的銅套實(shí)現(xiàn)，選擇片內(nèi)外設(shè)豐富的TI公司TMS320LF2407DSP為主控芯片。

系統(tǒng)工作原理如下。

① 上位PC機(jī)人機(jī)界面與下位機(jī)DSP系統(tǒng)板通過(guò)串口進(jìn)行雙向通信。上位機(jī)接收下位機(jī)傳來(lái)的溫度測(cè)量數(shù)據(jù)后同步進(jìn)行顯示，同時(shí)能設(shè)定試驗(yàn)者所期望的溫度并發(fā)送給下位機(jī)DSP系統(tǒng)板。

② 水溫傳感器通過(guò)調(diào)理電路將當(dāng)前實(shí)際溫度實(shí)時(shí)反饋給DSP系統(tǒng)板。與上位機(jī)設(shè)定溫度比較后，經(jīng)過(guò)軟件控制算法，發(fā)出相應(yīng)的PWM波形，由驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫工況模擬裝置，使得設(shè)定溫度和實(shí)際溫度趨向一致。

③ 當(dāng)前溫度傳感器的參數(shù)值可以通過(guò)測(cè)量端口用萬(wàn)用表實(shí)時(shí)測(cè)量，并結(jié)合玻璃溫度計(jì)、汽車(chē)儀表的水溫表以及上位PC機(jī)LabVIEW開(kāi)發(fā)的虛擬水溫表進(jìn)行多位一體的顯示。

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

圖1 系統(tǒng)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(chē)水溫儀表選型

綜合考慮各因素，選用全數(shù)字A01型東風(fēng)小霸王輕型車(chē)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(hào)經(jīng)B15送往水溫儀表內(nèi)部實(shí)時(shí)進(jìn)行處理和顯示。如圖1所示，B15端對(duì)應(yīng)的是與溫度相關(guān)的電壓信號(hào)，可直接取用后經(jīng)調(diào)理電路送往DSP進(jìn)行測(cè)量處理。

(2) 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度傳感器選型

NTC型熱敏電阻具有很高的負(fù)溫度系數(shù)，適用于-100～300 ℃之間的溫度測(cè)量，廣泛應(yīng)用于點(diǎn)溫度、表面溫度和溫度場(chǎng)的測(cè)量[7-8]。

為了與A01型儀表汽車(chē)儀表配套,系統(tǒng)采用了東風(fēng)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(nèi)部執(zhí)行結(jié)構(gòu)為步進(jìn)電機(jī)。

水溫儀表及傳感器參數(shù)如表1所示。

表1 水溫表及傳感器參數(shù)

2.2 溫度工況模擬裝置選型

本文采用內(nèi)置加熱棒的銅棒實(shí)現(xiàn)冷卻液溫度模擬。銅棒為儲(chǔ)熱棒，一端鉆孔后插入加熱棒進(jìn)行溫度調(diào)控，另一端攻錐形絲旋入溫度傳感器進(jìn)行溫度觀測(cè)。靠近溫度傳感器部位鉆有小圓孔，便于直插玻璃溫度計(jì)進(jìn)行實(shí)際溫度觀測(cè)。

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(shè)計(jì)

圖3 系統(tǒng)硬件電路圖

(1) 冷卻液溫度傳感器調(diào)理電路

受DSP供電電壓限制，內(nèi)部A/D參考電壓為3.3 V，所以溫度信號(hào)電壓需要先進(jìn)行比例縮放。本文通過(guò)外部輸入試驗(yàn)來(lái)確定電壓范圍，即在儀表的B15和B1端接入一個(gè)滑動(dòng)電阻，儀表獨(dú)立供電。參數(shù)測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 外接電阻測(cè)量結(jié)果

從表2可以看出，當(dāng)電阻為無(wú)窮大(即斷開(kāi))時(shí)，測(cè)得分壓為5 V。因此，經(jīng)過(guò)比例運(yùn)算，得到3 V的信號(hào)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(lián)小電容能濾除干擾雜波。為方便測(cè)試溫度傳感器電阻，在信號(hào)輸出端串聯(lián)一個(gè)自鎖按鈕開(kāi)關(guān)。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，測(cè)量電阻；當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，進(jìn)行在線閉環(huán)溫度調(diào)控。

(2) 加熱棒驅(qū)動(dòng)電路

比較實(shí)時(shí)測(cè)量溫度和設(shè)定溫度后，利用DSP控制算法通過(guò)IOPE6實(shí)時(shí)生成相應(yīng)的PWM波形，以驅(qū)動(dòng)加熱棒。PWM波形首先經(jīng)兩級(jí)反相器同相驅(qū)動(dòng)，然后送往4N25型開(kāi)關(guān)光耦U10進(jìn)行隔離驅(qū)動(dòng)，以控制IRF540N型MOS管Q10的柵極，使JGX-5F型固態(tài)繼電器與地的通路進(jìn)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(lián)的硅二極管D10為續(xù)流二極管，當(dāng)固態(tài)繼電器突然斷開(kāi)時(shí)，自感電勢(shì)能量通過(guò)D10釋放，避免擊穿MOS管。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 溫度傳感器標(biāo)定

溫度傳感器的準(zhǔn)確標(biāo)定是后續(xù)溫度精確控制的前提。標(biāo)定步驟如下。

(1) A/D誤差校正

DSP2407內(nèi)置ADC轉(zhuǎn)換精度為10位。實(shí)際使用中如果直接用其A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，則由于受實(shí)驗(yàn)臺(tái)其他裝置的電磁干擾等影響，A/D轉(zhuǎn)換精度并不理想。

我們的名字按字母順序?qū)懺凇昂诎濉鄙?。我環(huán)顧四周，眼光落到亍房間一頭，在那里，每隔一米掛著一個(gè)褪色的黑沙袋。

ADC誤差主要包括失調(diào)誤差和增益誤差。根據(jù)TI公司手冊(cè)，采用校準(zhǔn)模式可以計(jì)算ADC模塊的零、中值和最大值的偏置誤差，但在實(shí)際應(yīng)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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換值的處理。為保證足夠的采樣精度，對(duì)某點(diǎn)的過(guò)采樣數(shù)要比較多。對(duì)于中值濾波涉及的數(shù)值排序問(wèn)題，采用效率較高的希爾排序法解決。排序后再進(jìn)行中值平均濾波。

A/D值與實(shí)際測(cè)量值仍然有一定的差異，該誤差即為上述失調(diào)誤差和增益誤差的體現(xiàn)。為此，標(biāo)準(zhǔn)輸入一組電壓Ui，得到對(duì)應(yīng)的A/D值Di，建立Ui=f(Di)的分段線性擬合公式。與相關(guān)文獻(xiàn)[8]中通過(guò)實(shí)際值與理論值得到校正增益和校正失調(diào)的方法相比，該方式更加簡(jiǎn)潔實(shí)用，避免了D/A換算的理論公式，同時(shí)也避免了參考電壓測(cè)量不準(zhǔn)帶來(lái)的二次換算誤差。

(2) 溫度-電壓關(guān)系標(biāo)定

為提高標(biāo)定速度，采取兩步標(biāo)定的方案。

① 在開(kāi)環(huán)手動(dòng)調(diào)壓輸入情況下，系統(tǒng)溫度初步達(dá)到平衡后即記錄對(duì)應(yīng)的溫度T、信號(hào)電壓值U，得到初步標(biāo)定關(guān)系式T=g1(U)，A/D口電壓UD=0.6 V，所以初步標(biāo)定關(guān)系式為T(mén)=g1(UD/0.6)。

② 在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，將利用該關(guān)系式換算得到的測(cè)量溫度T與設(shè)定溫度TS進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)。當(dāng)換算測(cè)量溫度T與設(shè)定溫度TS一致、系統(tǒng)溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，觀測(cè)玻璃溫度計(jì)，記錄實(shí)際溫度Tb以及當(dāng)前信號(hào)電壓U。

繼續(xù)利用快速穩(wěn)定的反饋調(diào)節(jié)，得到系列測(cè)量值，并建立新的標(biāo)定關(guān)系式Tb=g2(UD/0.6)。Tb即為二次標(biāo)定后A/D轉(zhuǎn)換電壓所換算的正確測(cè)量溫度T，則T=g2(UD/0.6)。該方案的優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)定效率高、精度準(zhǔn)，第二次標(biāo)定后基本不需要再反復(fù)進(jìn)行系數(shù)修正，但其前提是閉環(huán)系統(tǒng)的控制策略良好穩(wěn)定。

二次標(biāo)定時(shí)的系列測(cè)量值如表3所示。

表3 二次標(biāo)定系列測(cè)量值

采用最小二乘法原理，經(jīng)4次多項(xiàng)式擬合，得到Tb-UD亦即二次標(biāo)定后T-UD的擬合關(guān)系式為：

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

對(duì)應(yīng)的擬合曲線如圖4所示。

圖4 T-UD擬合曲線

4.2 測(cè)控流程

溫度測(cè)控流程如圖5所示。

圖5 溫度測(cè)控流程圖

由圖3所示驅(qū)動(dòng)電路可知，加熱棒與220 V電源的通斷由固態(tài)繼電器JGX-5F實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)部為雙向可控硅結(jié)構(gòu)。由于可控硅屬半控型器件，開(kāi)通后只能在工作電壓接近反向時(shí)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(guò)零檢測(cè)，配合精確的導(dǎo)通角輸入才能達(dá)到此目的。本文采用了更加簡(jiǎn)潔易行的方案，即以模糊控制思想為基礎(chǔ)的控制策略，從而節(jié)省了硬件資源。

大致思路是：雙向可控硅在1 s內(nèi)正負(fù)導(dǎo)通共100次，即1 s內(nèi)有0～100個(gè)波頭可以進(jìn)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(nèi)預(yù)期控制導(dǎo)通的波頭數(shù)。除非PWM上升沿恰好在220 V交流電的過(guò)零點(diǎn)附近，否則導(dǎo)通的波頭數(shù)為(m+1)。雖然最多可能有1個(gè)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(jì)。首先，溫度區(qū)間模糊化為8個(gè)區(qū)間，開(kāi)環(huán)送占空比為mi%的PWM波形，得到每個(gè)溫度區(qū)間大致需要的波頭數(shù)mi，此即平衡點(diǎn)的粗略估計(jì)值。然后，以模糊控制思想為基礎(chǔ)，并結(jié)合逐次逼近預(yù)測(cè)控制的策略，達(dá)到快速、穩(wěn)定、精確的控制效果[11-12]。

5 試驗(yàn)結(jié)果

采用LabVIEW開(kāi)發(fā)的上位機(jī)實(shí)驗(yàn)界面，通過(guò)對(duì)話框或旋鈕輸入設(shè)定溫度，試驗(yàn)過(guò)程中能直觀看到溫度響應(yīng)記錄曲線和溫度設(shè)定曲線的吻合程度。虛擬溫度計(jì)也可直觀顯示當(dāng)前溫度值，并對(duì)照汽車(chē)水溫儀表、溫度計(jì)觀測(cè)模擬水溫。試驗(yàn)者通過(guò)測(cè)量端子測(cè)量穩(wěn)態(tài)時(shí)水溫傳感器的信號(hào)電壓和電阻值，并結(jié)合測(cè)量溫度進(jìn)行標(biāo)定。多種測(cè)量方式保證了測(cè)量的可靠性。結(jié)果表明，通過(guò)DSP的控制調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)能夠較快地達(dá)到期望水溫，超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差小。

6 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)人機(jī)界面友好，操作簡(jiǎn)單方便。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的了解和實(shí)踐，能夠加深試驗(yàn)者對(duì)汽車(chē)水溫傳感器參數(shù)標(biāo)定、傳感器信號(hào)調(diào)理電路及加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)、模糊控制策略等的認(rèn)知理解。靈活的模塊化設(shè)計(jì)，不僅能滿足相關(guān)的實(shí)踐教學(xué)，也是很好的畢業(yè)設(shè)計(jì)和課余電子設(shè)計(jì)應(yīng)用的實(shí)踐平臺(tái)。

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