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(tǒng)的一個重要的參數(shù)，其測量精度直接關(guān)系到對發(fā)動機的保護控制。由于工程機械控制器溫度測量系統(tǒng)存在誤差，導(dǎo)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(zhǔn)工程機械溫度測量系統(tǒng)的誤差，提高工程機械控制器溫度測量系統(tǒng)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(fù)溫度系數(shù)(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(shù)關(guān)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(yīng)表

由式（1）和表1得出，當(dāng)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(tǒng)

傳統(tǒng)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(tǒng)的復(fù)雜度，但對測量系統(tǒng)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(yīng)用在工程機械上，目前工程機械控制器溫度測量系統(tǒng)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(dāng)溫度傳感器電阻為Rt，微控制器采集的標(biāo)準(zhǔn)為

工程機械控制器選用的電子元器件存在誤差，導(dǎo)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(guān)系。當(dāng)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(zhǔn)才能實現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)溫度差值如圖4所示，采集AD值如圖5所示，采集AD值與標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)溫度差值曲線

圖5 采集AD值曲線

圖6 采集AD值與標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)溫度精確測量。

3 溫度校準(zhǔn)系統(tǒng)

通過溫度測量系統(tǒng)的分析，控制器需進(jìn)行溫度校準(zhǔn)，本文設(shè)計溫度校準(zhǔn)系統(tǒng)如圖7所示。

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

圖7 溫度校準(zhǔn)系統(tǒng)

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

校準(zhǔn)流程如圖8所示，具體步驟如下。

圖8 校準(zhǔn)流程圖

1）溫度校準(zhǔn)平臺輸出電阻r+NΔr，溫度校準(zhǔn)平臺計數(shù)N=0。

2）溫度校準(zhǔn)平臺輸出電阻r+NΔr時，發(fā)送握手信號N至控制器。

3）控制器接收到溫度校準(zhǔn)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(fù)握手信號N至溫度校準(zhǔn)平臺并將采集到AD值發(fā)送至溫度校準(zhǔn)平臺和上位機。

5）溫度校準(zhǔn)平臺接收控制器回復(fù)的握手N信號后，溫度計數(shù)平臺計數(shù)N=N+1。

6）當(dāng)N≤255時，重復(fù)步驟(1)；當(dāng)N>255時，轉(zhuǎn)至步驟(7)執(zhí)行。

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

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

9）通過查表法將ADnormative轉(zhuǎn)化為相應(yīng)溫度值。

4 上位機校準(zhǔn)軟件

上位機校準(zhǔn)軟件采用VC++和matlab聯(lián)合編程。上位機軟件通過CAN總線與控制器進(jìn)行通信，接收控制器發(fā)出的ADactual。上位機軟件調(diào)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(shù)。

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(shù)后，控制器接收到擬合系數(shù)后，控制器發(fā)送接收到擬合系數(shù)的信號后，指示燈變暗，校準(zhǔn)結(jié)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(xiàn)的溫度采集誤差，通過溫度校準(zhǔn)系統(tǒng)的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后4塊工程機械控制器校準(zhǔn)溫度分別如圖10所示，校準(zhǔn)溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度差值如圖11所示，校準(zhǔn)AD值如圖12所示，校準(zhǔn)AD值與標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)，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(zhǔn)后，校準(zhǔn)AD值與標(biāo)準(zhǔn)AD值偏差減小，使用校準(zhǔn)AD值可以符合工程機械溫度查表的要求。

6 結(jié) 語

本文進(jìn)行工程機械控制器的溫度轉(zhuǎn)換電路誤差分析，通過基于最小二乘法的曲線擬合校準(zhǔn)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(jīng)在控制器上實際運用。 O

[1] 王幸之，王 雷．單片機應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)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(shù)，2005，32(5)：9-10．