基于PIC18Fxx的永磁無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)

引言

嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、體積、成本、可靠性、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是面向應(yīng)用的，系統(tǒng)的硬件選型和軟件開發(fā)模式都必須根據(jù)具體的應(yīng)用確定。

永磁無刷直流電動機(jī)是電機(jī)控制研究領(lǐng)域的熱點之一，這與其自身固有的技術(shù)優(yōu)勢密切相關(guān)：以電子換相取代了有刷直流電動機(jī)的機(jī)械換相。從根本上革除了普通有刷直流電動機(jī)由于電刷換相帶來的火花、噪音、高故障率等一系列問題，同時又使系統(tǒng)的性能能夠與普通有刷直流電動機(jī)相媲美，因此得到了廣泛的應(yīng)用。永磁無刷直流電動機(jī)的電子換相離不開電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號，傳統(tǒng)的方法是采用霍爾器件或其他位置傳感器檢測位置信號，這使得系統(tǒng)的維護(hù)和制造都不方便，并且由于傳感器的工作特性不穩(wěn)定，給系統(tǒng)的安全運行帶來了一些隱患。因此，無位置傳感器方案引起了人們的極大興趣。

本文結(jié)合無位置傳感器永磁無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)，以Microchip公司的PIC18F452單片機(jī)為主控器件，并采用嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II作為軟件開發(fā)平臺，詳細(xì)討論了嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)模式與流程。

2．系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的第一步是結(jié)合具體的應(yīng)用，綜合考慮系統(tǒng)對成本、性能、可擴(kuò)展性、開發(fā)周期等各個方面的要求，確定系統(tǒng)的主控器件，并以之為核心搭建系統(tǒng)硬件平臺。

無位置傳感器永磁無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵問題是位置檢測。目前已經(jīng)有了很多位置檢測方案，其中，反電勢法由于簡單實用而得以廣泛采用。反電勢法的原理是：基于電機(jī)的三相端電壓，通過硬件檢測電路或軟件算法得到三相反電勢過零信號，然后用軟件移相得到換相時刻，并在換相時刻按換相邏輯完成換相，觸發(fā)逆變橋以合適的導(dǎo)通時序工作，從而保證了電機(jī)的正常運行。

反電勢法的永磁無刷直流電動機(jī)無位置傳感器控制對系統(tǒng)硬件提出了更高的要求：

① 三個外部中斷輸入引腳，便于捕捉三相反電勢過零信號；

② 至少一個PWM模塊，實現(xiàn)電機(jī)的斬波調(diào)速；

③ 豐富的定時器資源，完成軟件移相、測速等功能；

④ 多通道的AD轉(zhuǎn)換模塊，能夠采樣速度給定及主電路的電流、電壓信號；

⑤ 硬件乘法器，保證速度、電流調(diào)節(jié)器的快速性；

⑥ 足夠的程序和數(shù)據(jù)存儲器，便于系統(tǒng)擴(kuò)展；

⑦ 高速的系統(tǒng)工作頻率，保證系統(tǒng)的強(qiáng)實時性；

⑧ 豐富的通信模塊，便于系統(tǒng)與其他嵌入式系統(tǒng)的互連。

對于無位置傳感器永磁無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計，有很多專用芯片可供選用，但為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，增強(qiáng)設(shè)計的靈活性，多采用DSP或?qū)Ｓ脝纹瑱C(jī)等智能器件。但是，這樣在提高系統(tǒng)性能的同時卻增加了系統(tǒng)開發(fā)成本。為了設(shè)計一個高性能、低成本的開發(fā)平臺，針對應(yīng)用對系統(tǒng)硬件的要求，考慮到PIC18F452單片機(jī)的高性價比，選用其作為主控器件。

PIC18F452是Microchip公司推出的一款增強(qiáng)型8位單片機(jī)，采用精簡指令集（RISC）的設(shè)計，有兩級流水線，最高運行頻率可達(dá)到10MIPS，能夠滿足系統(tǒng)對實時性的要求；指令總線16位寬，數(shù)據(jù)總線8位寬；單片機(jī)內(nèi)部有32K字節(jié)的FLASH程序存儲器，1.5K字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器和256字節(jié)的EEPROM，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展；自帶8×8硬件乘法器；中斷資源豐富，提供18個中斷源，兩個中斷優(yōu)先級，并且中斷優(yōu)先級可配置。PIC18F452單片機(jī)配備了豐富的外圍模塊，極大地簡化了單片機(jī)外圍電路的設(shè)計。同時，Microchip公司為PIC18F系列單片機(jī)提供了功能強(qiáng)大的指令集，共77條指令，絕大部分指令為單字（2個字節(jié)）存儲，單周期執(zhí)行，應(yīng)用代碼的存儲壓縮率高，指令執(zhí)行效率高。

以PIC18F452為主控器件構(gòu)成的系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

值得說明的是：

① 系統(tǒng)中的換相邏輯由可編程邏輯器件完成，主要是為了提高系統(tǒng)的可靠性，從功能上講，完全可由單片機(jī)實現(xiàn)；

② 電機(jī)的速度檢測，可根據(jù)位置信號利用軟件計算得來，故省略了速度傳感器；

③ 模擬輸入為電機(jī)的速度給定信號。

3．嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)模式

對于簡單的應(yīng)用系統(tǒng)，系統(tǒng)的軟件開發(fā)模式通常如圖2所示，稱為前后臺系統(tǒng)（也叫無限循環(huán)系統(tǒng)）。

前后臺系統(tǒng)中，應(yīng)用程序就是一個無限循環(huán)。循環(huán)中調(diào)用函數(shù)完成相應(yīng)的操作，這些操作稱為后臺任務(wù)；中斷服務(wù)程序處理異步事件，這部分稱為前臺行為。因為中斷服務(wù)程序提供的信息一直要等到后臺程序運行到該處理這個信息時才得到處理，所以最壞情況下的任務(wù)響應(yīng)時間等于整個循環(huán)的執(zhí)行時間。因為后臺循環(huán)的執(zhí)行周期不是常數(shù)，所以基于前后臺模式的應(yīng)用軟件開發(fā)，雖然設(shè)計過程簡單，但系統(tǒng)的實時性得不到保障。

為了提高系統(tǒng)的實時性，可以采用基于嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS）的軟件開發(fā)模式。RTOS分為兩類：非可剝奪型內(nèi)核和可剝奪型內(nèi)核，一般商用的都是可剝奪型內(nèi)核，所以本文只討論此類RTOS，其內(nèi)核結(jié)構(gòu)如圖3所示。

RTOS將整個應(yīng)用細(xì)分為多個任務(wù)，每個任務(wù)完成特定的功能，并被賦予一定的優(yōu)先級，擁有自己的任務(wù)控制塊和棧空間。一般地，每個任務(wù)在程序結(jié)構(gòu)上都是一個無限循環(huán)，它有多個狀態(tài)——休眠態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)、掛起態(tài)和中斷態(tài)等。系統(tǒng)內(nèi)核總是讓就緒態(tài)的高優(yōu)先級任務(wù)先運行，中斷服務(wù)程序可搶占CPU，中斷服務(wù)程序完成時，系統(tǒng)內(nèi)核讓此時就緒態(tài)中優(yōu)先級最高的任務(wù)運行（不一定是被中斷的任務(wù)）?？梢姡赗TOS的軟件開發(fā)模式使系統(tǒng)的任務(wù)響應(yīng)時間得到了最優(yōu)化。更重要的是，這種開發(fā)模式將以往面向功能的應(yīng)用開發(fā)轉(zhuǎn)化為面相任務(wù)的應(yīng)用開發(fā)，簡化了系統(tǒng)設(shè)計的邏輯結(jié)構(gòu)；同時，由于有了RTOS，屏蔽了應(yīng)用軟件對底層硬件的可見性，將以往軟件系統(tǒng)的兩層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為三層結(jié)構(gòu)（如圖4所示），極大地方便了系統(tǒng)的軟件擴(kuò)展與硬件升級。

對于PIC18F系列單片機(jī)，目前常用的嵌入式實時操作系統(tǒng)有：μC/OS-II、Salvo、CMX、PIC18OS等。它們都是可剝奪型的實時內(nèi)核，詳細(xì)的比較如表1所示。

表1 適用于PIC18F系列單片機(jī)的幾種嵌入式實時操作系統(tǒng)

結(jié)合本文的具體應(yīng)用，綜合考慮系統(tǒng)硬件資源及上述幾種實時操作系統(tǒng)的特點，最終選用基于操作系統(tǒng)的軟件開發(fā)模式，并選擇μC/OS-II作為系統(tǒng)軟件平臺。

4．基于μC/OS-II的應(yīng)用軟件開發(fā)

μC/OS-II是一個可移植、可固化、可裁剪及可剝奪型的多任務(wù)實時內(nèi)核，應(yīng)用開發(fā)時首先必須完成其在特定硬件上的移植。μC/OS-II在編寫的過程中就充分考慮到了可移植性，它的絕大部分代碼都由ANSI C寫成，與處理器相關(guān)的代碼集中在OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C這三個文件中，因此只要針對具體的硬件改寫這些文件，就可以完成移植工作。

移植成功之后，就可以開始應(yīng)用程序的編寫工作。RTOS將面向功能的應(yīng)用開發(fā)轉(zhuǎn)化為了面相任務(wù)的應(yīng)用開發(fā)，因此軟件開發(fā)的過程就是將應(yīng)用系統(tǒng)按照功能細(xì)分為多個任務(wù)，然后實現(xiàn)每個任務(wù)，并為任務(wù)確定合適的優(yōu)先級；對于實時性要求高的操作，需要編寫相關(guān)的中斷服務(wù)程序。

永磁無刷直流電動機(jī)正常運行的基本條件是：在最佳換相時刻按最佳換相邏輯換相。這個過程對實時性要求很高，所以由中斷服務(wù)程序完成。反電勢過零時，程序進(jìn)入反電勢過零中斷服務(wù)程序，該中斷服務(wù)程序根據(jù)當(dāng)前的電機(jī)速度設(shè)定軟件移相定時器的溢出值；當(dāng)軟件移相定時器溢出中斷時，程序進(jìn)入移相定時器中斷服務(wù)程序，顯然，此時即最佳換相時刻。因此，在移相定時器中斷服務(wù)程序中按最佳換相邏輯完成換相，就能保證電機(jī)的正常運行。此外，對于過流、過壓、欠壓等緊急故障的處理也必須由相應(yīng)的中斷服務(wù)程序完成。系統(tǒng)還要完成的功能有：定時采樣速度給定，并將采樣結(jié)果經(jīng)過調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)化為PWM波的占空比；響應(yīng)鍵盤輸入；顯示電機(jī)的速度、PWM波占空比等系統(tǒng)狀態(tài)信息；與上位PC機(jī)串口通信；系統(tǒng)非緊急故障的處理等等。這些功能對實時性的要求不是很高，故由任務(wù)級完成。應(yīng)用系統(tǒng)的任務(wù)如表2所示。

表2 應(yīng)用系統(tǒng)任務(wù)列表

系統(tǒng)運行時，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化操作，并創(chuàng)建任務(wù)。所有新創(chuàng)建的任務(wù)都被置為就緒態(tài)，操作系統(tǒng)內(nèi)核首先調(diào)用就緒態(tài)中優(yōu)先級最高的任務(wù)運行。系統(tǒng)運行過程中，始終保證運行任務(wù)的優(yōu)先級高于就緒態(tài)中的所有任務(wù)。當(dāng)運行著的任務(wù)因等待某一事件或延時而被掛起，或者有更高優(yōu)先級的任務(wù)進(jìn)入了就緒態(tài)，則內(nèi)核中止當(dāng)前運行著的任務(wù)，把CPU的使用權(quán)交給就緒態(tài)中優(yōu)先級最高的任務(wù)。當(dāng)中斷發(fā)生時，系統(tǒng)運行中斷服務(wù)程序，中斷返回時，系統(tǒng)內(nèi)核將進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，將優(yōu)先級最高的就緒態(tài)任務(wù)轉(zhuǎn)為運行態(tài)。例如，系統(tǒng)運行過程中發(fā)生了AD采樣完成中斷，程序進(jìn)入AD采樣完成中斷服務(wù)程序；中斷服務(wù)程序向郵箱ADResult發(fā)送AD采樣結(jié)果，由于任務(wù)TaskAD早先因等待郵箱ADResult而被掛起，所以此時任務(wù)TaskAD的狀態(tài)被轉(zhuǎn)為就緒態(tài)；中斷返回時，內(nèi)核進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，由于TaskAD是就緒態(tài)中優(yōu)先級最高的任務(wù)（系統(tǒng)正常運行時TaskErr任務(wù)始終為掛起態(tài)），因此不管原先被中斷的任務(wù)是什么，系統(tǒng)都將運行任務(wù)TaskAD，這就保證了任務(wù)TaskAD具有足夠快的任務(wù)響應(yīng)速度。TaskAD執(zhí)行一個循環(huán)后，又因等待郵箱ADResult而轉(zhuǎn)為掛起態(tài)，內(nèi)核再次進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，調(diào)用就緒態(tài)中的最高優(yōu)先級任務(wù)運行。

5． 結(jié)論

本文結(jié)合無位置傳感器永磁無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計，針對系統(tǒng)具體要求，確定了以PIC18F452單片機(jī)為主控器件，μC/OS-II作為軟件平臺的開發(fā)方案。實際的開發(fā)過程證明了這種開發(fā)模式能夠滿足系統(tǒng)高性能、低成本的設(shè)計要求，同時具備了較強(qiáng)的可擴(kuò)展性和一定技術(shù)前瞻性。

值得說明的是，在嵌入式系統(tǒng)中使用RTOS，增強(qiáng)了系統(tǒng)實時性，簡化了系統(tǒng)軟件設(shè)計；同時，也增加了系統(tǒng)的開發(fā)成本。一方面，操作系統(tǒng)本省會耗費一定的硬件資源（例如程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、定時器資源等等），增加了系統(tǒng)的硬件成本；另一方面，若購買商用的實時操作系統(tǒng)，需要額外的軟件支出，即使是使用免費的實時內(nèi)核，也要求開發(fā)者對內(nèi)核本省有深入的理解，需要投入相當(dāng)?shù)木ΑＫ?，雖然使用RTOS會給開發(fā)過程帶來一定的便利，但針對具體的應(yīng)用，是否使用RTOS，若使用，具體選擇那種RTOS，都是制定系統(tǒng)方案時值得慎重考慮的問題。