基于ARM的柴油機(jī)電子調(diào)速器研究

摘要：將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到船舶柴油機(jī)電子調(diào)速器的控制系統(tǒng)中，提出了采用LPC2129控制的柴油機(jī)數(shù)字式電子調(diào)速器。給出了系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)流程。硬件方面闡述了以LPC2129為核心所構(gòu)建的硬件各組成部分。針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行了電子調(diào)速器嵌入式控制系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)中的PID控制算法，實(shí)驗(yàn)表明，能克服傳統(tǒng)機(jī)械式諸多方面的缺點(diǎn)，滿足大多數(shù)中高速柴油機(jī)不同工況下的調(diào)速要求。
關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；電子調(diào)速器；ARM；PID控制

0 引言
    調(diào)速器是柴油機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重要部件，它根據(jù)柴油機(jī)負(fù)載的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)柴油機(jī)的供油量，使柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，從而保證柴油機(jī)具有良好的工作性能。目前我國(guó)船舶行業(yè)大多數(shù)柴油機(jī)采用的機(jī)械式調(diào)速器已逐漸不能滿足動(dòng)力設(shè)備越來(lái)越高的要求。采用電子調(diào)速器代替機(jī)械式調(diào)速器的方法，既能提高柴油機(jī)的各項(xiàng)性能，又不至于大幅度提高成本。
    嵌入式系統(tǒng)作為一種新的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)受到人們的廣泛關(guān)注，本文將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到柴油機(jī)電子調(diào)速器的控制系統(tǒng)中，介紹一種嵌入式電子調(diào)速器的軟硬件設(shè)計(jì)。該調(diào)速器是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，以LPC2129控制器為核心。轉(zhuǎn)速給定信號(hào)和位置反饋信號(hào)以及實(shí)際轉(zhuǎn)速測(cè)量信號(hào)經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入ARM處理器，當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)速不相等時(shí)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速偏差，然后對(duì)偏差進(jìn)行PID運(yùn)算處理，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出一個(gè)油門開(kāi)度調(diào)節(jié)信號(hào)，調(diào)節(jié)柴油機(jī)循環(huán)供油量，使柴油機(jī)按預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)設(shè)定轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)能夠以同樣的方式迅速達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，改善了柴油機(jī)的響應(yīng)性能。

1 LPC2129的功能及特點(diǎn)
    LPC2129是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI—S CPU的微控制器，并帶有256 KB嵌入的高速FLASH存儲(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過(guò)30％，而性能的損失卻很小。LPC2129有較小的64腳封裝、極低的功耗、多達(dá)46個(gè)GPIO(可承受5 V電壓)。片內(nèi)獨(dú)特的PLL環(huán)可實(shí)現(xiàn)最大為60 MHz的CPU操作頻率。12個(gè)獨(dú)立外部中斷引腳(EIN和CAP功能)，獨(dú)有的向量中斷控制器可配置中斷優(yōu)先級(jí)和向量地址。雙電源供電，2個(gè)低功耗模式：空閑和掉電。同時(shí)該芯片豐富的基本外設(shè)使得在不同的環(huán)境下都能得到高效的應(yīng)用。

2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 調(diào)速系統(tǒng)控制策略
    本系統(tǒng)所采用的控制策略，是齒條位置和轉(zhuǎn)速串級(jí)控制。其控制策略框圖如圖1所示。

    如圖所示內(nèi)環(huán)為位移環(huán)，外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán)。使用串級(jí)控制的目的是為了改善過(guò)程的動(dòng)態(tài)性能，能提高控制質(zhì)量，使系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性較強(qiáng)。這里，轉(zhuǎn)速控制器和位置控制器所采用的都是PID控制算法，并且都是由LPC2129控制器實(shí)現(xiàn)。[!--empirenews.page--]
2．2 統(tǒng)硬件部分
    系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，分為傳感器、控制器、執(zhí)行器3個(gè)部分。

    本系統(tǒng)的輸入信號(hào)有：柴油機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)、由電位器給出的設(shè)定轉(zhuǎn)速信號(hào)以及齒條位移反饋信號(hào)，均經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后送入ARM。
    選用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器來(lái)測(cè)量柴油機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，得出的正弦交流信號(hào)經(jīng)整形電路調(diào)理與定寬處理后轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，方波信號(hào)隨后經(jīng)RC積分電路積分為電壓量，電壓量的大小與方波的頻率成正比，電壓量經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送ARM。
    設(shè)定轉(zhuǎn)速信號(hào)由電位器給出，其輸出信號(hào)要經(jīng)過(guò)放大和A／D轉(zhuǎn)換后送ARM處理器。
    齒條位移的檢測(cè)采用角位移傳感器，其輸出信號(hào)也要經(jīng)過(guò)放大和A／D轉(zhuǎn)換后送ARM進(jìn)行處理。
    控制器主要完成調(diào)速與控制運(yùn)算、系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及與外部PC機(jī)的通信聯(lián)絡(luò)等功能。是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，選擇Philips公司的LPC2129芯片。控制器由CPU、外圍輔助電路以及串行通訊控制器組成。
    調(diào)速執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能是將轉(zhuǎn)速控制器輸出的油門開(kāi)度調(diào)節(jié)信號(hào)轉(zhuǎn)換成油泵齒條的直線位移運(yùn)動(dòng)，使柴油主機(jī)的轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速相一致。電動(dòng)執(zhí)行器本質(zhì)上是一個(gè)帶有內(nèi)置式制動(dòng)器的伺服電動(dòng)機(jī)，并且安裝在高壓油泵油門齒條側(cè)，用以驅(qū)動(dòng)油門齒條。同時(shí)，執(zhí)行器也將齒條位移的信息反饋給控制器，供控制運(yùn)算和顯示用。另外，為了便于與PC機(jī)的通信，按RS232標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展了串行通信接口。通用異步收發(fā)器(UART)是用硬件實(shí)現(xiàn)異步串行通信的通信接口電路，LPC2129內(nèi)部集成了2路UART電路。在電氣特性上，RS232標(biāo)準(zhǔn)采用負(fù)邏輯方式，標(biāo)準(zhǔn)邏輯1對(duì)應(yīng)-15～-5 V電壓，標(biāo)準(zhǔn)邏輯0對(duì)應(yīng)+5～+15 V電壓，所以在硬件上UART的TTL電平都需要采用SIPEX的SP3232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，才能與RS232接口連接并通信。

3 軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)控制軟件由主控制軟件和若干個(gè)功能子程序和中斷程序構(gòu)成。其中主程序完成系統(tǒng)硬件芯片的初始化和控制流程的管理。起動(dòng)、加減速、通訊、故障處理、人機(jī)交互等控制過(guò)程由相應(yīng)的子程序完成。但轉(zhuǎn)速、齒條位移等反饋信號(hào)的采集、調(diào)節(jié)等運(yùn)算、調(diào)節(jié)量的輸出等實(shí)時(shí)性要求高的環(huán)節(jié)則必須采用中斷控制的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。
3．1 轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)算法及實(shí)現(xiàn)
    調(diào)速系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速控制采用PID控制算法，由于PID控制器具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，使其成為柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用普遍且效果良好的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式。其算法如式(1)所示：
   
    式中：U(t)，e(t)為調(diào)節(jié)量和轉(zhuǎn)速偏差量；KP，TI，TD分別為比例增益、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)。[!--empirenews.page--]
3．2 主控制程序
    主控制流程圖如圖3所示。

    主要完成以下功能：系統(tǒng)上電或者復(fù)位后，對(duì)硬件芯片進(jìn)行初始化操作；判斷系統(tǒng)復(fù)位后的狀態(tài)，如果是非停車狀態(tài)，則應(yīng)該恢復(fù)正常的運(yùn)行狀態(tài)，否則進(jìn)入系統(tǒng)狀態(tài)自檢測(cè)；通過(guò)串口向外部設(shè)備發(fā)送系統(tǒng)的狀態(tài)信息，利于觀測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；程序自動(dòng)查詢、判斷系統(tǒng)的外部指令，并跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的功能模塊完成指定的任務(wù)。
3．3 中斷服務(wù)程序
    在中斷程序里，采樣轉(zhuǎn)速反饋，根據(jù)與給定轉(zhuǎn)速的偏差值，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)運(yùn)算，根據(jù)輸出值調(diào)節(jié)給出相應(yīng)的齒條限制值。流程圖如圖4所示。

4 結(jié)語(yǔ)
    本文將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到船舶柴油機(jī)電子調(diào)速器的控制系統(tǒng)中，介紹了一種基于ARM的嵌入式船舶柴油機(jī)電子調(diào)速器，以LPC2129為核心的控制系統(tǒng)，給出了總體控制方案和硬件設(shè)計(jì)包括傳感器部分，控制器部分，執(zhí)行器部分以及與PC機(jī)的串行通信，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速采用PID控制算法。