摘要：將嵌入式系統(tǒng)應用到船舶柴油機電子調速器的控制系統(tǒng)中，提出了采用LPC2129控制的柴油機數(shù)字式電子調速器。給出了系統(tǒng)的硬件總體結構設計和軟件設計流程。硬件方面闡述了以LPC2129為核心所構建的硬件各組成部分。針對嵌入式系統(tǒng)的特點進行了電子調速器嵌入式控制系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)中的PID控制算法，實驗表明，能克服傳統(tǒng)機械式諸多方面的缺點，滿足大多數(shù)中高速柴油機不同工況下的調速要求。
關鍵詞：柴油機；電子調速器；ARM；PID控制
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(jīng)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(chǎn)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(jīng)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(jīng)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(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(jīng)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(jīng)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。控制器由CPU、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。
3 軟件設計
系統(tǒng)控制軟件由主控制軟件和若干個功能子程序和中斷程序構成。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、加減速、通訊、故障處理、人機交互等控制過程由相應的子程序完成。但轉速、齒條位移等反饋信號的采集、調節(jié)等運算、調節(jié)量的輸出等實時性要求高的環(huán)節(jié)則必須采用中斷控制的方式來實現(xiàn)。
3．1 轉速PID調節(jié)算法及實現(xiàn)
調速系統(tǒng)中的轉速控制采用PID控制算法，由于PID控制器具有原理簡單、易于實現(xiàn)、適應性強、魯棒性強的優(yōu)點，使其成為柴油機調速系統(tǒng)中應用普遍且效果良好的轉速調節(jié)方式。其算法如式(1)所示：
式中：U(t)，e(t)為調節(jié)量和轉速偏差量；KP，TI，TD分別為比例增益、積分時間常數(shù)、微分時間常數(shù)。
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)上電或者復位后，對硬件芯片進行初始化操作；判斷系統(tǒng)復位后的狀態(tài)，如果是非停車狀態(tài)，則應該恢復正常的運行狀態(tài)，否則進入系統(tǒng)狀態(tài)自檢測；通過串口向外部設備發(fā)送系統(tǒng)的狀態(tài)信息，利于觀測系統(tǒng)的運行狀態(tài)；程序自動查詢、判斷系統(tǒng)的外部指令，并跳轉到相應的功能模塊完成指定的任務。
3．3 中斷服務程序
在中斷程序里，采樣轉速反饋，根據(jù)與給定轉速的偏差值，進行PID調節(jié)運算，根據(jù)輸出值調節(jié)給出相應的齒條限制值。流程圖如圖4所示。
4 結語
本文將嵌入式系統(tǒng)應用到船舶柴油機電子調速器的控制系統(tǒng)中，介紹了一種基于ARM的嵌入式船舶柴油機電子調速器，以LPC2129為核心的控制系統(tǒng)，給出了總體控制方案和硬件設計包括傳感器部分，控制器部分，執(zhí)行器部分以及與PC機的串行通信，調節(jié)轉速采用PID控制算法。