基于ARM的发动机控制系统的设计

2015-10-19宋少鹏

河南科技 2015年21期

关键词：微控制器框图油门

宋少鹏

（郑州飞机装备有限责任公司预研室，河南郑州 450005）

基于ARM的发动机控制系统的设计

宋少鹏

（郑州飞机装备有限责任公司预研室，河南郑州 450005）

本文介绍了一种基于ARM的小型发动机控制系统，描述了该控制系统的软硬件设计和控制算法。经过初步调试，该控制系统的稳定可靠，完全能满足实际工况的要求。

发动机控制系统；软硬件设计；ARM

1 引言

本文介绍了一种小型发动机控制系统，以满足发动机控制系统的快速性、精确性和稳定性等要求。该发动机控制系统是以微控制器STM32F103RBT6为主控制单元，外围电路包括隔离电路，信号采集电路和控制电路。微控制器根据采集的信号以固定的周期调节油门实现对发动机转速的控制。

2 控制系统硬件设计

发动机控制系统框图如图1所示。发动机控制器主要功能为［1］：发动机启动时，保持发动机恒量供油以启动发动机并加速到怠速状态；在恒速模式下，采用前馈模糊自适应PI控制率实现转速闭环控制，前馈信号为负载信号，反馈信号为发动机转速，控制量为油门开度；通过RS422接口向CPU发送发动机状态信息并接收CPU的命令进行各转速状态切换与停车操作。

图1 发动机控制器框图

该系统以STM32F103RBT6嵌入式微控制器为核心，该系列芯片采用高性能的ARMV7 Cortex-M3 版本内核，工作频率最高可达72M。采用3级流水线和哈佛结构，带独立的指令和数据以及外设总线，使得代码执行速度高达1.25MIPS/MHz。它内置高128K字节的FLASH和20K字节的SRAM，同时具备丰富的增强I/O端口和外设：包含16通道12位的ADC、4个通用16位定时器、电机控制PWM接口、2个I2C、2个SPI/ SSP、3个UART、1个USB Device、1路CAN总线接口等［2］，完全能满足系统工作需要。

系统采用28V电压供电，通过电源模块TDPAA28S5W10和TDPAA28D12W30将28V转化为5V、±12V。RC接收机经光电隔离的油门信号，发动机转速由微控制器的定时器输入捕获单元测量。发动机油门舵机信号由DAC7554数模转换器产生，油门舵机位置信号由ADS7841模数转换器采集，DAC与ADC通过光电隔离的SPI串行总线与微控制器连接。发动机汽缸温度和排气温度由K型热电偶测量，K型热电偶产生的电势由AMP08仪表放大器放大，放大后的电压信号由微控制器集成的10位AD转换器采集，同时本系统利用热敏电阻测量冷端温度以实现热电偶测温的冷端补偿。发动机水温、变速箱油温由铂热电阻测量，热电阻与精密电阻构成分压电路将温度信号转换成电压信号，电压信号由10位AD转换器采集并进行后续处理。油位信号、液位信号由浮子式液位传感器测量，液位传感器与精密电阻构成分压电路将液位信号转换成电压信号，电压信号由10位AD转换器采集并进行后续处理。微控制器同时也通过采集电池电压信号，开关量输入信号，开关量输出信号实现对发电机以及电池的监控。微控制器根据采集的信号以固定的周期调节油门实现对发动机转速的控制，同时将发动机的各种参数通过RS422接口发送到PC104。

3 控制系统软件设计

发动机控制系统的软件采用基于中断的前后台结构［3］。前台主要为定时器输入捕获、串口接收等中断的处理程序，后台为主函数循环。

后台软件为循环结构，每20ms进行一次发动机状态信号读取、发动机转速控制更新、发动机状态信息发送等操作，其软件流程图如图2所示。发动机转速控制算法采用前馈、模糊自适应PI算法。

图2 后台主程序流程图

前台软件由中断触发，串口接收中断处理程序负责接收上位机发送的发动机控制命令并进行相应操作；调试阶段，发动机油门手动遥控输入的杆位值由嵌入式微控制器定时器1的2个输入捕获单元测量，相应每个输入捕获中断的处理程序流程图如图3所示。发动机转速测量程序流程图如图4所示。

图3 油门手动遥控输入杆位值测量程序流程图

图4 发动机转速测量程序流程图

4 发动机转速闭环控制算法

负载转速的变化会导致发动机模型的非线性，给控制造成困难。由于负载转速与发动机转速比为固定值，一般通过控制发动机转速来固定负载转速。发动机的转速由油门控制，负载的变化对转速也有直接的影响，通常采用前馈PI算法，以发动机油门门开度为控制量，负载变化为前馈量［4］。这一算法在某一固定工作点可以工作地很好，但工作点变化或发动机特性变化时，控制效果会变差。本系统拟采用前馈模糊自适应PI算法控制发动机转速，控制系统框图如图5所示。前馈控制器用于补偿负载变化对发动机转速的影响，PI控制器来对发动机转速实行反馈检验，模糊监督控制器是在PI控制器整定值的基础上，以系统偏差e和偏差变化率ec为输入，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表在线实时调整PI参数［3］。与前馈PI算法相比，由于具有参数自整定功能，本算法具有2个优点：对工作点与发动机特性变化具有很强的适应性；在怠速、正常、最大三种转速模式之间切换时，可以减少超调与振荡，实现快速平稳地切换。