基于ARM的柴油机电子调速器研究

摘要：将嵌入式系统应用到船舶柴油机电子调速器的控制系统中，提出了采用LPC2129控制的柴油机数字式电子调速器。给出了系统的硬件总体结构设计和软件设计流程。硬件方面阐述了以LPC2129为核心所构建的硬件各组成部分。针对嵌入式系统的特点进行了电子调速器嵌入式控制系统的研究，实现了控制系统中的PID控制算法，实验表明，能克服传统机械式诸多方面的缺点，满足大多数中高速柴油机不同工况下的调速要求。
关键词：柴油机；电子调速器；ARM；PID控制

0 引言
调速器是柴油机自动调节系统的重要部件，它根据柴油机负载的变化自动调节柴油机的供油量，使柴油机的转速保持稳定，从而保证柴油机具有良好的工作性能。目前我国船舶行业大多数柴油机采用的机械式调速器已逐渐不能满足动力设备越来越高的要求。采用电子调速器代替机械式调速器的方法，既能提高柴油机的各项性能，又不至于大幅度提高成本。
嵌入式系统作为一种新的技术发展趋势受到人们的广泛关注，本文将嵌入式系统应用到柴油机电子调速器的控制系统中，介绍一种嵌入式电子调速器的软硬件设计。该调速器是一个闭环控制系统，以LPC2129控制器为核心。转速给定信号和位置反馈信号以及实际转速测量信号经过A／D转换成数字量送入ARM处理器，当实际转速和设定转速不相等时，产生转速偏差，然后对偏差进行PID运算处理，向执行机构输出一个油门开度调节信号，调节柴油机循环供油量，使柴油机按预先设定的转速稳定运转。当设定转速发生变化时，系统能够以同样的方式迅速达到设定转速，改善了柴油机的响应性能。

1 LPC2129的功能及特点
LPC2129是基于一个支持实时仿真和跟踪的16／32位ARM7TDMI—S CPU的微控制器，并带有256 KB嵌入的高速FLASH存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30％，而性能的损失却很小。LPC2129有较小的64脚封装、极低的功耗、多达46个GPIO(可承受5 V电压)。片内独特的PLL环可实现最大为60 MHz的CPU操作频率。12个独立外部中断引脚(EIN和CAP功能)，独有的向量中断控制器可配置中断优先级和向量地址。双电源供电，2个低功耗模式：空闲和掉电。同时该芯片丰富的基本外设使得在不同的环境下都能得到高效的应用。

2 硬件设计
2．1 调速系统控制策略
本系统所采用的控制策略，是齿条位置和转速串级控制。其控制策略框图如图1所示。

如图所示内环为位移环，外环为转速环。使用串级控制的目的是为了改善过程的动态性能，能提高控制质量，使系统对负荷变化的适应性较强。这里，转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控制器实现。