基于ARM的柴油機電子調速器研究

摘要：將嵌入式系統應用到船舶柴油機電子調速器的控制系統中，提出了采用LPC2129控制的柴油機數字式電子調速器。給出了系統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。針對嵌入式系統的特點進行了電子調速器嵌入式控制系統的研究，實現了控制系統中的PID控制算法，實驗表明，能克服傳統機械式諸多方面的缺點，滿足大多數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系統的重要部件，它根據柴油機負載的變化自動調節柴油機的供油量，使柴油機的轉速保持穩定，從而保證柴油機具有良好的工作性能。目前我國船舶行業大多數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。
嵌入式系統作為一種新的技術發展趨勢受到人們的廣泛關注，本文將嵌入式系統應用到柴油機電子調速器的控制系統中，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控制系統，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，向執行機構輸出一個油門開度調節信號，調節柴油機循環供油量，使柴油機按預先設定的轉速穩定運轉。當設定轉速發生變化時，系統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。對代碼規模有嚴格控制的應用可使用16位Thumb模式將代碼規模降低超過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環可實現最大為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境下都能得到高效的應用。

2 硬件設計
2．1 調速系統控制策略
本系統所采用的控制策略，是齒條位置和轉速串級控制。其控制策略框圖如圖1所示。

如圖所示內環為位移環，外環為轉速環。使用串級控制的目的是為了改善過程的動態性能，能提高控制質量，使系統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。