基于ARM的柴油機電子調速器研究 2011-05-05 11:18:44作者：樹芳芳來源:現(xiàn)代電子技術

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0 引言

調速器是柴油機自動調節(jié)系統(tǒng)的重要部件，它根據(jù)柴油機負載的變化自動調節(jié)柴油機的供油量，使柴油機的轉速保持穩(wěn)定，從而保證柴油機具有良好的工作性能。目前我國船舶行業(yè)大多數(shù)柴油機采用的機械式調速器已逐漸不能滿足動力設備越來越高的要求。采用電子調速器代替機械式調速器的方法，既能提高柴油機的各項性能，又不至于大幅度提高成本。
嵌入式系統(tǒng)作為一種新的技術發(fā)展趨勢受到人們的廣泛關注，本文將嵌入式系統(tǒng)應用到柴油機電子調速器的控制系統(tǒng)中，介紹一種嵌入式電子調速器的軟硬件設計。該調速器是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，以LPC2129控制器為核心。轉速給定信號和位置反饋信號以及實際轉速測量信號經過A／D轉換成數(shù)字量送入ARM處理器，當實際轉速和設定轉速不相等時，產生轉速偏差，然后對偏差進行PID運算處理，向執(zhí)行機構輸出一個油門開度調節(jié)信號，調節(jié)柴油機循環(huán)供油量，使柴油機按預先設定的轉速穩(wěn)定運轉。當設定轉速發(fā)生變化時，系統(tǒng)能夠以同樣的方式迅速達到設定轉速，改善了柴油機的響應性能。
1 LPC2129的功能及特點

LPC2129是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI—S CPU的微控制器，并帶有256 KB嵌入的高速FLASH存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。對代碼規(guī)模有嚴格控制的應用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過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46個GPIO(可承受5 V電壓)。片內獨特的PLL環(huán)可實現(xiàn)最大為60 MHz的CPU操作頻率。12個獨立外部中斷引腳(EIN和CAP功能)，獨有的向量中斷控制器可配置中斷優(yōu)先級和向量地址。雙電源供電，2個低功耗模式：空閑和掉電。同時該芯片豐富的基本外設使得在不同的環(huán)境下都能得到高效的應用。
2 硬件設計

2．1 調速系統(tǒng)控制策略

本系統(tǒng)所采用的控制策略，是齒條位置和轉速串級控制。其控制策略框圖如圖1所示。

如圖所示內環(huán)為位移環(huán)，外環(huán)為轉速環(huán)。使用串級控制的目的是為了改善過程的動態(tài)性能，能提高控制質量，使系統(tǒng)對負荷變化的適應性較強。這里，轉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控制器實現(xiàn)。

2．2 統(tǒng)硬件部分

系統(tǒng)硬件設計結構框圖如圖2所示，分為傳感器、控制器、執(zhí)行器3個部分。

本系統(tǒng)的輸入信號有：柴油機實際轉速信號、由電位器給出的設定轉速信號以及齒條位移反饋信號，均經過信號調理后送入ARM。

選用磁電式轉速傳感器來測量柴油機實際轉速，得出的正弦交流信號經整形電路調理與定寬處理后轉換為方波信號，方波信號隨后經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A／D轉換為數(shù)字量送ARM。

設定轉速信號由電位器給出，其輸出信號要經過放大和A／D轉換后送ARM處理器。

齒條位移的檢測采用角位移傳感器，其輸出信號也要經過放大和A／D轉換后送ARM進行處理。

控制器主要完成調速與控制運算、系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)測以及與外部PC機的通信聯(lián)絡等功能。是整個系統(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。

調速執(zhí)行機構的功能是將轉速控制器輸出的油門開度調節(jié)信號轉換成油泵齒條的直線位移運動，使柴油主機的轉速與設定轉速相一致。電動執(zhí)行器本質上是一個帶有內置式制動器的伺服電動機，并且安裝在高壓油泵油門齒條側，用以驅動油門齒條。同時，執(zhí)行器也將齒條位移的信息反饋給控制器，供控制運算和顯示用。另外，為了便于與PC機的通信，按RS232標準擴展了串行通信接口。通用異步收發(fā)器(UART)是用硬件實現(xiàn)異步串行通信的通信接口電路，LPC2129內部集成了2路UART電路。在電氣特性上，RS232標準采用負邏輯方式，標準邏輯1對應-15～-5 V電壓，標準邏輯0對應+5～+15 V電壓，所以在硬件上UART的TTL電平都需要采用SIPEX的SP3232芯片進行電平轉換，才能與RS232接口連接并通信。