TMS320LF2407在天然氣發動機控制中的應用
關鍵詞：數字信號處理器;天然氣發動機;實時控制
1 引言
近年來，數字信號處理器（DSP）芯片已經廣泛用于自動控制、圖像處理、通信技術、網絡設備、儀器儀表和家電等領域;DSP為數字信號處理提供了高效而可靠的硬件基礎。目前，應用最廣泛的DSP芯片是TI（德州儀器）公司的產品，TMS320C2000系列是該公司的適合于數字控制的一種DSP。這種系列DSP芯片具有完美的性能并集成了閃存、高速A/D轉換器、高性能的CAN模塊等，因此使用它可以降低開發難度，縮短產品開發時間，有效地降低開發成本，具有很高的性價比。TMS320LF2407芯片是TMS320C2000系列中最新的、集成度最高、性能最強的運動控制DSP芯片。
天然氣作為動力能源是傳統燃料的理想替代品。各種天然氣發動機的專用電子控制系統不斷地涌現，使天然氣發動機的動力性、經濟性、排放性等各項性能不斷提高。天然氣專用發動機通過良好的控制可以比同等的汽油機和柴油機具有更低的排放，并且動力性能有很大的提高，因此選用高性能的DSP芯片設計好天然氣發動機控制系統是非常重要的。
2 TMS320LF2407芯片簡介
DSP芯片是一種具有特殊結構的微處理器。該芯片的內部采用程序和數據分開的哈佛結構，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的指令，可以用來快速地實現各種數字信號處理算法。
TMS320x24x系列數字信號處理器是TI（美國德州儀器）公司推出地一種面向數字馬達控制、嵌入式控制系統和數字控制系統開發的新型可編程DSP芯片。TMS320LF240x是x24x系列DSP控制器中的新成員，是為了滿足控制應用而設計的。LF240x的片內程序存儲器為Flash EEPROM，包括LF2402、LF2406和LF2407三個型號。LF2407是x240x系列DSP控制器中功能最強、片上設施最完備地一個型號，被廣泛用于代碼開發、系統仿真及實際系統中，其主要特點：
（1） 采用高性能靜態CMOS技術，使得供電電壓降為3.3V，減小了控制器的功耗;30MIPS的執行速度使得指令周期縮短到33ns（30MHz），從而提高了控制器的實時控制能力。
（2） 兩個事件管理器模塊EVA和EVB，每個包括：兩個16位通用定時器;8個16位的脈寬調制（PWM）通道。適用于控制交流感應電機、無刷直流電機、步進電機和逆變器等。
（3） 10位A/D轉換器最小轉換時間為500ns，可選擇由兩個事件管理器來觸發兩個8通道輸入A/D轉換器或一個16位通道輸入的A/D轉換器。
3 TMS320LF2407芯片在天然氣發動機控制系統中的應用
傳統的控制系統是選用單片機來控制，一是其運行速度不高，達不到很好的實時控制，不能有效的起到在線檢測控制的效果;二是單片機的集成度較低，片上不具備運動控制系統所需的專用外設，這就需要較多的元器件，增加了系統電路的復雜性，降低了系統的可靠性。然而選用TI（美國德州儀器）公司的x240x系列DSP芯片，片上集成了專用的運動控制外設電路，且其內部的DSP核可提供更高的運算速度、運算精度和處理大量數據運算的能力。DSP芯片能較好地滿足系統的實時性要求，能夠比較方便實現復雜的控制算法。
3.1控制系統的硬件設計
控制系統的主要功能是通過兩個轉速傳感器和一個溫度傳感器，一個轉速傳感器測得信號來控制各缸的點火時間，另一個轉速傳感器測得信號來計算轉速，溫度傳感器是測量排放尾氣的溫度，通過測得的轉速和尾氣溫度來判斷發動機的運行情況，再根據一些控制規則來調節電磁閥來控制天然氣和空氣的進氣量，從而使發動機的轉速恒定，以提高天然氣發動機的動力性能。
控制系統采用TMS320LF2407的DSP芯片，系統的外圍元件很少，電路結構很簡單，系統結構簡圖如圖1所示：
圖1系統結構簡圖
1）人機接口部分的設計：
主要設計8位LED顯示和20鍵鍵盤，一是為了轉速和排氣溫度的顯示，一是點火角度的輸入和調整。采用了一種鍵盤和數碼管的智能控制芯片HD7279A和DSP芯片相連，只需用DSP的4個I/O口，能夠有效的減少硬件電路，提高系統可靠性。由于TMS320LF2407的I/O口輸出都是3.3V，和HD7279A引腳相連時可以加鉗位電路。
HD7279A是一片具有串行接口的智能顯示驅動芯片，可同時驅動8位共陰式數碼管和連接64鍵的鍵盤矩陣，無需外圍元件可直接驅動LED，單片即可完成LED顯示和鍵盤接口的全部功能。電路如圖2所示：
HD7279A應連接共陰式數碼管，應用中無需用到的鍵盤和數碼管可以不連接。若不用鍵盤，則圖2中的連接到鍵盤的8只10K電阻和8只100K下拉電阻均可以省去。若使用了鍵盤，則電路中的8只100K下拉電阻均不得省略。若不用數碼管，則圖2中串入DP及SA-SG連線的8只0.2K電阻可省去，否則不能省略。實際應用中8只下拉電阻和8只鍵盤連接位選線DIG0-DIG7的8只位選電阻應遵從一定的比例關系，下拉電阻應大于位選電阻的5倍而小于其50倍，典型值為10倍。
HD7279A需要外接RC振蕩電路以供系統工作，其典型值分別為R=1.5K,C=15pF，若芯片無法正常工作，要首先檢查此振蕩電路。
圖2 鍵盤和LED顯示
2）信號采集部分的設計
控制系統主要采集天然氣發動機的轉速和排氣溫度。
轉速傳感器采集的信號是脈沖信號經過LF356放大，再經過LM339比較器整形后，通過光電隔離送到DSP的I/O口，通過所得的脈沖信號個數來計算出轉速值。
排氣溫度在800度左右，因此溫度信號使用K型熱電偶采得，由AD590構成熱電偶冷端溫度補償，經過OP07放大后送到DSP的模擬信號端口。電路框圖如圖3所示：
圖3 轉速、溫度信號采集框圖
AD590是一種恒流源形式的溫度傳感器，只需在其二端加上一定的工作電壓，則其輸出電流隨溫度變化產生線性變化，溫度每變化1℃，輸出電流變化1μA。采用AD590對熱電偶進行溫度補償，根據不同的熱電偶的塞貝克系數，選取合適的電阻，使其讀數變化的電壓變化與熱電偶此時的冷端電動勢抵消，從而達到溫度補償。
3.2軟件設計
軟件采用匯編語言編寫，使用TI公司的CC2000開發環境，主程序主要是實現顯示功能和數據采集功能。主程序流程圖如圖5所示：
圖4 主程序流程圖
在控制程序中，將計算出的轉速和溫度與期望值比較，得出誤差和誤差變化率，再根據制定好的控制規則來調整燃氣和空氣的電磁閥，從而改變燃氣和空氣的進氣量，以便輸出恒定的轉速。DSP芯片內部具有電動機控制專用硬件機制，能夠直接產生PWM波形，這樣可以直接用來控制燃氣和空氣的電磁閥。
4 結語
基于DSP芯片構成的控制系統事實上是一個單片系統，因為整個控制所需的各種功能都可由DSP芯片來實現。因此，可以減小目標系統的體積，減少外部元件的個數，增加系統的可靠性。對于那些性能和精度要求高、實時性強、體積小的場合，基于DSP芯片來構成控制系統是具有很高性能價格比的實現方法。
參考文獻：
[1] 江思敏. TMS320LF240xDSP硬件開發教程[M].北京：機械工業出版社，2003.
[2] 韓安太，劉峙飛，黃海. DSP控制原理及其在運動控制系統中的應用[M].北京：清華大學出版社，2003.
[3] HD7279A中文技術手冊.2003.
[4] 沙占友. 集成化智能傳感器原理與應用[M].北京：電子工業出版社，2004.
[5] 王珂，張幽彤. 天然氣發動機技術發展的研究[J].車輛與動力技術，2000.4
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