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

調(diào)速器是柴油機(jī)自動調(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力設(shè)備越來越高的要求。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。該調(diào)速器是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，以LPC2129控制器為核心。轉(zhuǎn)速給定信號和位置反饋信號以及實際轉(zhuǎn)速測量信號經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入ARM處理器，當(dāng)實際轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)速不相等時，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速偏差，然后對偏差進(jìn)行PID運(yùn)算處理，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出一個油門開度調(diào)節(jié)信號，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，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

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(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運(yùn)行。對代碼規(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GPIO(可承受5 V電壓)。片內(nèi)獨(dú)特的PLL環(huán)可實現(xiàn)最大為60 MHz的CPU操作頻率。12個獨(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(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

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)速串級控制。其控制策略框圖如圖1所示。


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如圖所示內(nèi)環(huán)為位移環(huán)，外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán)。使用串級控制的目的是為了改善過程的動態(tài)性能，能提高控制質(zhì)量，使系統(tǒng)對負(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控制器實現(xiàn)。

2．2 統(tǒng)硬件部分

系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，分為傳感器、控制器、執(zhí)行器3個部分。


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

選用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器來測量柴油機(jī)實際轉(zhuǎn)速，得出的正弦交流信號經(jīng)整形電路調(diào)理與定寬處理后轉(zhuǎn)換為方波信號，方波信號隨后經(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)速信號由電位器給出，其輸出信號要經(jīng)過放大和A／D轉(zhuǎn)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(jīng)過放大和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)測以及與外部PC機(jī)的通信聯(lián)絡(luò)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(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度調(diào)節(jié)信號轉(zhuǎn)換成油泵齒條的直線位移運(yùn)動，使柴油主機(jī)的轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速相一致。電動執(zhí)行器本質(zhì)上是一個帶有內(nèi)置式制動器的伺服電動機(jī)，并且安裝在高壓油泵油門齒條側(cè)，用以驅(qū)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(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對應(yīng)-15～-5 V電壓，標(biāo)準(zhǔn)邏輯0對應(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。