基于ARM的發動機控制系統的設計

宋少鵬

（鄭州飛機裝備有限責任公司 預研室，河南 鄭州 450005）

基于ARM的發動機控制系統的設計

宋少鵬

（鄭州飛機裝備有限責任公司 預研室，河南 鄭州 450005）

本文介紹了一種基于ARM的小型發動機控制系統，描述了該控制系統的軟硬件設計和控制算法。經過初步調試，該控制系統的穩定可靠，完全能滿足實際工況的要求。

發動機控制系統；軟硬件設計；ARM

1 引言

本文介紹了一種小型發動機控制系統， 以滿足發動機控制系統的快速性、精確性和穩定性等要求。該發動機控制系統是以微控制器STM32F103RBT6為主控制單元，外圍電路包括隔離電路，信號采集電路和控制電路。微控制器根據采集的信號以固定的周期調節油門實現對發動機轉速的控制。

2 控制系統硬件設計

發動機控制系統框圖如圖1所示。發動機控制器主要功能為［1］：發動機啟動時，保持發動機恒量供油以啟動發動機并加速到怠速狀態；在恒速模式下，采用前饋模糊自適應PI控制率實現轉速閉環控制，前饋信號為負載信號，反饋信號為發動機轉速，控制量為油門開度；通過RS422接口向CPU發送發動機狀態信息并接收CPU的命令進行各轉速狀態切換與停車操作。

圖1 發動機控制器框圖

該系統以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 版本內核，工作頻率最高可達72M。采用3級流水線和哈佛結構，帶獨立的指令和數據以及外設總線，使得代碼執行速度高達1.25MIPS/MHz。它內置高128K字節的FLASH和20K字節的SRAM，同時具備豐富的增強I/O端口和外設：包含16通道12位的ADC、4個通用16位定時器、電機控制PWM接口、2個I2C、2個SPI/ SSP、3個UART、1個USB Device、1路CAN總線接口等［2］，完全能滿足系統工作需要。

系統采用28V電壓供電，通過電源模塊TDPAA28S5W10和TDPAA28D12W30將28V轉化為5V、±12V。RC接收機經光電隔離的油門信號，發動機轉速由微控制器的定時器輸入捕獲單元測量。發動機油門舵機信號由DAC7554數模轉換器產生，油門舵機位置信號由ADS7841模數轉換器采集，DAC與ADC通過光電隔離的SPI串行總線與微控制器連接。發動機汽缸溫度和排氣溫度由K型熱電偶測量，K型熱電偶產生的電勢由AMP08儀表放大器放大，放大后的電壓信號由微控制器集成的10位AD轉換器采集，同時本系統利用熱敏電阻測量冷端溫度以實現熱電偶測溫的冷端補償。發動機水溫、變速箱油溫由鉑熱電阻測量，熱電阻與精密電阻構成分壓電路將溫度信號轉換成電壓信號，電壓信號由10位AD轉換器采集并進行后續處理。油位信號、液位信號由浮子式液位傳感器測量，液位傳感器與精密電阻構成分壓電路將液位信號轉換成電壓信號，電壓信號由10位AD轉換器采集并進行后續處理。微控制器同時也通過采集電池電壓信號，開關量輸入信號，開關量輸出信號實現對發電機以及電池的監控。微控制器根據采集的信號以固定的周期調節油門實現對發動機轉速的控制，同時將發動機的各種參數通過RS422接口發送到PC104。

3 控制系統軟件設計

發動機控制系統的軟件采用基于中斷的前后臺結構［3］。前臺主要為定時器輸入捕獲、串口接收等中斷的處理程序，后臺為主函數循環。

后臺軟件為循環結構，每20ms進行一次發動機狀態信號讀取、發動機轉速控制更新、發動機狀態信息發送等操作，其軟件流程圖如圖2所示。發動機轉速控制算法采用前饋、模糊自適應PI算法。

圖2 后臺主程序流程圖

前臺軟件由中斷觸發，串口接收中斷處理程序負責接收上位機發送的發動機控制命令并進行相應操作；調試階段，發動機油門手動遙控輸入的桿位值由嵌入式微控制器定時器1的2個輸入捕獲單元測量，相應每個輸入捕獲中斷的處理程序流程圖如圖3所示。發動機轉速測量程序流程圖如圖4所示。

圖3 油門手動遙控輸入桿位值測量程序流程圖

圖4 發動機轉速測量程序流程圖

4 發動機轉速閉環控制算法

負載轉速的變化會導致發動機模型的非線性，給控制造成困難。由于負載轉速與發動機轉速比為固定值，一般通過控制發動機轉速來固定負載轉速。發動機的轉速由油門控制，負載的變化對轉速也有直接的影響，通常采用前饋PI算法，以發動機油門門開度為控制量，負載變化為前饋量［4］。這一算法在某一固定工作點可以工作地很好，但工作點變化或發動機特性變化時，控制效果會變差。本系統擬采用前饋模糊自適應PI算法控制發動機轉速，控制系統框圖如圖5所示。前饋控制器用于補償負載變化對發動機轉速的影響，PI控制器來對發動機轉速實行反饋檢驗，模糊監督控制器是在PI控制器整定值的基礎上，以系統偏差e和偏差變化率ec為輸入，利用模糊規則進行模糊推理，查詢模糊矩陣表在線實時調整PI參數［3］。與前饋PI算法相比，由于具有參數自整定功能，本算法具有2個優點：對工作點與發動機特性變化具有很強的適應性；在怠速、正常、最大三種轉速模式之間切換時，可以減少超調與振蕩，實現快速平穩地切換。

圖5 發動機轉速控制系統框圖

5 結束語

本文介紹了一種基于ARM的小型發動機控制系統，該系統體積小，并且設計成本低，可靠性高。經過與系統的初步聯調，該控制系統的穩定可靠，完全能滿足系統的飛行要求。

［1］王小青，黃一敏，楊一棟，曾國貴.小型無人直升機發動機控制系統設計［J］.航空動力學報，2007（12）

［2］彭剛，秦志強.基于ARM Cortex-M3系列嵌入式微控制器應用實踐［M］.北京：電子工業出版社，2011：1-3

［3］代曉珂.發動機電子控制單元軟件開發平臺的研究和實現［D］. 江蘇：江蘇大學，2010：29-47

［4］黃向華，彭召勇.無人駕駛直升機發動機模糊自適應PID控制［J］，航空動力學報.2005（03）

宋少鵬（1983.5— ），男，碩士，工程師，研究方向：電氣控制系統設計。

U472.9；TP277

A

1003-5168（2015）11-023-02