基于ARM的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

宋少鵬

（鄭州飛機(jī)裝備有限責(zé)任公司 預(yù)研室，河南 鄭州 450005）

基于ARM的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

宋少鵬

（鄭州飛機(jī)裝備有限責(zé)任公司 預(yù)研室，河南 鄭州 450005）

本文介紹了一種基于ARM的小型發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，描述了該控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和控制算法。經(jīng)過初步調(diào)試，該控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，完全能滿足實(shí)際工況的要求。

發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)；軟硬件設(shè)計(jì)；ARM

1 引言

本文介紹了一種小型發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)， 以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的快速性、精確性和穩(wěn)定性等要求。該發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)是以微控制器STM32F103RBT6為主控制單元，外圍電路包括隔離電路，信號(hào)采集電路和控制電路。微控制器根據(jù)采集的信號(hào)以固定的周期調(diào)節(jié)油門實(shí)現(xiàn)對發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)控制器主要功能為［1］：發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，保持發(fā)動(dòng)機(jī)恒量供油以啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)并加速到怠速狀態(tài)；在恒速模式下，采用前饋模糊自適應(yīng)PI控制率實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，前饋信號(hào)為負(fù)載信號(hào)，反饋信號(hào)為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，控制量為油門開度；通過RS422接口向CPU發(fā)送發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)信息并接收CPU的命令進(jìn)行各轉(zhuǎn)速狀態(tài)切換與停車操作。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)控制器框圖

該系統(tǒng)以STM32F103RBT6嵌入式微控制器為核心，該系列芯片采用高性能的ARMV7 Cortex-M3 版本內(nèi)核，工作頻率最高可達(dá)72M。采用3級(jí)流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，帶獨(dú)立的指令和數(shù)據(jù)以及外設(shè)總線，使得代碼執(zhí)行速度高達(dá)1.25MIPS/MHz。它內(nèi)置高128K字節(jié)的FLASH和20K字節(jié)的SRAM，同時(shí)具備豐富的增強(qiáng)I/O端口和外設(shè)：包含16通道12位的ADC、4個(gè)通用16位定時(shí)器、電機(jī)控制PWM接口、2個(gè)I2C、2個(gè)SPI/ SSP、3個(gè)UART、1個(gè)USB Device、1路CAN總線接口等［2］，完全能滿足系統(tǒng)工作需要。

系統(tǒng)采用28V電壓供電，通過電源模塊TDPAA28S5W10和TDPAA28D12W30將28V轉(zhuǎn)化為5V、±12V。RC接收機(jī)經(jīng)光電隔離的油門信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由微控制器的定時(shí)器輸入捕獲單元測量。發(fā)動(dòng)機(jī)油門舵機(jī)信號(hào)由DAC7554數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生，油門舵機(jī)位置信號(hào)由ADS7841模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集，DAC與ADC通過光電隔離的SPI串行總線與微控制器連接。發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸溫度和排氣溫度由K型熱電偶測量，K型熱電偶產(chǎn)生的電勢由AMP08儀表放大器放大，放大后的電壓信號(hào)由微控制器集成的10位AD轉(zhuǎn)換器采集，同時(shí)本系統(tǒng)利用熱敏電阻測量冷端溫度以實(shí)現(xiàn)熱電偶測溫的冷端補(bǔ)償。發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、變速箱油溫由鉑熱電阻測量，熱電阻與精密電阻構(gòu)成分壓電路將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)由10位AD轉(zhuǎn)換器采集并進(jìn)行后續(xù)處理。油位信號(hào)、液位信號(hào)由浮子式液位傳感器測量，液位傳感器與精密電阻構(gòu)成分壓電路將液位信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)由10位AD轉(zhuǎn)換器采集并進(jìn)行后續(xù)處理。微控制器同時(shí)也通過采集電池電壓信號(hào)，開關(guān)量輸入信號(hào)，開關(guān)量輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)以及電池的監(jiān)控。微控制器根據(jù)采集的信號(hào)以固定的周期調(diào)節(jié)油門實(shí)現(xiàn)對發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，同時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)的各種參數(shù)通過RS422接口發(fā)送到PC104。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的軟件采用基于中斷的前后臺(tái)結(jié)構(gòu)［3］。前臺(tái)主要為定時(shí)器輸入捕獲、串口接收等中斷的處理程序，后臺(tái)為主函數(shù)循環(huán)。

后臺(tái)軟件為循環(huán)結(jié)構(gòu)，每20ms進(jìn)行一次發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)信號(hào)讀取、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制更新、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)信息發(fā)送等操作，其軟件流程圖如圖2所示。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制算法采用前饋、模糊自適應(yīng)PI算法。

圖2 后臺(tái)主程序流程圖

前臺(tái)軟件由中斷觸發(fā)，串口接收中斷處理程序負(fù)責(zé)接收上位機(jī)發(fā)送的發(fā)動(dòng)機(jī)控制命令并進(jìn)行相應(yīng)操作；調(diào)試階段，發(fā)動(dòng)機(jī)油門手動(dòng)遙控輸入的桿位值由嵌入式微控制器定時(shí)器1的2個(gè)輸入捕獲單元測量，相應(yīng)每個(gè)輸入捕獲中斷的處理程序流程圖如圖3所示。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量程序流程圖如圖4所示。

圖3 油門手動(dòng)遙控輸入桿位值測量程序流程圖

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量程序流程圖

4 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制算法

負(fù)載轉(zhuǎn)速的變化會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)模型的非線性，給控制造成困難。由于負(fù)載轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速比為固定值，一般通過控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來固定負(fù)載轉(zhuǎn)速。發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由油門控制，負(fù)載的變化對轉(zhuǎn)速也有直接的影響，通常采用前饋PI算法，以發(fā)動(dòng)機(jī)油門門開度為控制量，負(fù)載變化為前饋量［4］。這一算法在某一固定工作點(diǎn)可以工作地很好，但工作點(diǎn)變化或發(fā)動(dòng)機(jī)特性變化時(shí)，控制效果會(huì)變差。本系統(tǒng)擬采用前饋模糊自適應(yīng)PI算法控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。前饋控制器用于補(bǔ)償負(fù)載變化對發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，PI控制器來對發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)行反饋檢驗(yàn)，模糊監(jiān)督控制器是在PI控制器整定值的基礎(chǔ)上，以系統(tǒng)偏差e和偏差變化率ec為輸入，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊矩陣表在線實(shí)時(shí)調(diào)整PI參數(shù)［3］。與前饋PI算法相比，由于具有參數(shù)自整定功能，本算法具有2個(gè)優(yōu)點(diǎn)：對工作點(diǎn)與發(fā)動(dòng)機(jī)特性變化具有很強(qiáng)的適應(yīng)性；在怠速、正常、最大三種轉(zhuǎn)速模式之間切換時(shí)，可以減少超調(diào)與振蕩，實(shí)現(xiàn)快速平穩(wěn)地切換。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)框圖

5 結(jié)束語

本文介紹了一種基于ARM的小型發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)體積小，并且設(shè)計(jì)成本低，可靠性高。經(jīng)過與系統(tǒng)的初步聯(lián)調(diào)，該控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，完全能滿足系統(tǒng)的飛行要求。

［1］王小青，黃一敏，楊一棟，曾國貴.小型無人直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2007（12）

［2］彭剛，秦志強(qiáng).基于ARM Cortex-M3系列嵌入式微控制器應(yīng)用實(shí)踐［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011：1-3

［3］代曉珂.發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元軟件開發(fā)平臺(tái)的研究和實(shí)現(xiàn)［D］. 江蘇：江蘇大學(xué)，2010：29-47

［4］黃向華，彭召勇.無人駕駛直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)模糊自適應(yīng)PID控制［J］，航空動(dòng)力學(xué)報(bào).2005（03）

宋少鵬（1983.5— ），男，碩士，工程師，研究方向：電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

U472.9；TP277

A

1003-5168（2015）11-023-02