基于ARM的柴油機(jī)電子調(diào)速器研究

　　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(mén)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。

?????? 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。

　　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)。

　　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?？刂破饔蒀PU、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(mén)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(mén)齒條側(cè)，用以驅(qū)動(dòng)油門(mén)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。