基于PIC18Fxx的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機控制系統的開(kāi)發(fā)

引言

嵌入式系統是指以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎，軟、硬件可裁剪，適應應用系統對功能、體積、成本、可靠性、功耗嚴格要求的專(zhuān)用計算機系統。嵌入式系統是面向應用的，系統的硬件選型和軟件開(kāi)發(fā)模式都必須根據具體的應用確定。

永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機是電機控制研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)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(dòng)機的機械換相。從根本上革除了普通有刷直流電動(dòng)機由于電刷換相帶來(lái)的火花、噪音、高故障率等一系列問(wèn)題，同時(shí)又使系統的性能能夠與普通有刷直流電動(dòng)機相媲美，因此得到了廣泛的應用。永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機的電子換相離不開(kāi)電機的轉子位置信號，傳統的方法是采用霍爾器件或其他位置傳感器檢測位置信號，這使得系統的維護和制造都不方便，并且由于傳感器的工作特性不穩定，給系統的安全運行帶來(lái)了一些隱患。因此，無(wú)位置傳感器方案引起了人們的極大興趣。

本文結合無(wú)位置傳感器永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機控制系統的開(kāi)發(fā)，以Microchip公司的PIC18F452單片機為主控器件，并采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-II作為軟件開(kāi)發(fā)平臺，詳細討論了嵌入式系統的開(kāi)發(fā)模式與流程。

2．系統硬件平臺設計

嵌入式系統設計的第一步是結合具體的應用，綜合考慮系統對成本、性能、可擴展性、開(kāi)發(fā)周期等各個(gè)方面的要求，確定系統的主控器件，并以之為核心搭建系統硬件平臺。

無(wú)位置傳感器永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機控制系統的關(guān)鍵問(wèn)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(jiǎn)單實(shí)用而得以廣泛采用。反電勢法的原理是：基于電機的三相端電壓，通過(guò)硬件檢測電路或軟件算法得到三相反電勢過(guò)零信號，然后用軟件移相得到換相時(shí)刻，并在換相時(shí)刻按換相邏輯完成換相，觸發(fā)逆變橋以合適的導通時(shí)序工作，從而保證了電機的正常運行。

反電勢法的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機無(wú)位置傳感器控制對系統硬件提出了更高的要求：

① 三個(gè)外部中斷輸入引腳，便于捕捉三相反電勢過(guò)零信號；

② 至少一個(gè)PWM模塊，實(shí)現電機的斬波調速；

③ 豐富的定時(shí)器資源，完成軟件移相、測速等功能；

④ 多通道的AD轉換模塊，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、電流調節器的快速性；

⑥ 足夠的程序和數據存儲器，便于系統擴展；

⑦ 高速的系統工作頻率，保證系統的強實(shí)時(shí)性；

⑧ 豐富的通信模塊，便于系統與其他嵌入式系統的互連。

對于無(wú)位置傳感器永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機控制系統的設計，有很多專(zhuān)用芯片可供選用，但為了進(jìn)一步提高系統性能，增強設計的靈活性，多采用DSP或專(zhuān)用單片機等智能器件。但是，這樣在提高系統性能的同時(shí)卻增加了系統開(kāi)發(fā)成本。為了設計一個(gè)高性能、低成本的開(kāi)發(fā)平臺，針對應用對系統硬件的要求，考慮到PIC18F452單片機的高性?xún)r(jià)比，選用其作為主控器件。

PIC18F452是Microchip公司推出的一款增強型8位單片機，采用精簡(jiǎn)指令集（RISC）的設計，有兩級流水線(xiàn)，最高運行頻率可達到10MIPS，能夠滿(mǎn)足系統對實(shí)時(shí)性的要求；指令總線(xiàn)16位寬，數據總線(xiàn)8位寬；單片機內部有32K字節的FLASH程序存儲器，1.5K字節的數據存儲器和256字節的EEPROM，便于系統的擴展；自帶8×8硬件乘法器；中斷資源豐富，提供18個(gè)中斷源，兩個(gè)中斷優(yōu)先級，并且中斷優(yōu)先級可配置。PIC18F452單片機配備了豐富的外圍模塊，極大地簡(jiǎn)化了單片機外圍電路的設計。同時(shí)，Microchip公司為PIC18F系列單片機提供了功能強大的指令集，共77條指令，絕大部分指令為單字（2個(gè)字節）存儲，單周期執行，應用代碼的存儲壓縮率高，指令執行效率高。

以PIC18F452為主控器件構成的系統硬件框圖如圖1所示。

值得說(shuō)明的是：

① 系統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的可靠性，從功能上講，完全可由單片機實(shí)現；

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

③ 模擬輸入為電機的速度給定信號。

3．嵌入式系統軟件開(kāi)發(fā)模式

對于簡(jiǎn)單的應用系統，系統的軟件開(kāi)發(fā)模式通常如圖2所示，稱(chēng)為前后臺系統（也叫無(wú)限循環(huán)系統）。

前后臺系統中，應用程序就是一個(gè)無(wú)限循環(huán)。循環(huán)中調用函數完成相應的操作，這些操作稱(chēng)為后臺任務(wù)；中斷服務(wù)程序處理異步事件，這部分稱(chēng)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(gè)信息時(shí)才得到處理，所以最壞情況下的任務(wù)響應時(shí)間等于整個(gè)循環(huán)的執行時(shí)間。因為后臺循環(huán)的執行周期不是常數，所以基于前后臺模式的應用軟件開(kāi)發(fā)，雖然設計過(guò)程簡(jiǎn)單，但系統的實(shí)時(shí)性得不到保障。

為了提高系統的實(shí)時(shí)性，可以采用基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統（RTOS）的軟件開(kāi)發(fā)模式。RTOS分為兩類(lèi)：非可剝奪型內核和可剝奪型內核，一般商用的都是可剝奪型內核，所以本文只討論此類(lèi)RTOS，其內核結構如圖3所示。

RTOS將整個(gè)應用細分為多個(gè)任務(wù)，每個(gè)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?？臻g。一般地，每個(gè)任務(wù)在程序結構上都是一個(gè)無(wú)限循環(huán)，它有多個(gè)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。系統內核總是讓就緒態(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(shí)，系統內核讓此時(shí)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?jiàn)，基于RTOS的軟件開(kāi)發(fā)模式使系統的任務(wù)響應時(shí)間得到了最優(yōu)化。更重要的是，這種開(kāi)發(fā)模式將以往面向功能的應用開(kāi)發(fā)轉化為面相任務(wù)的應用開(kāi)發(fā)，簡(jiǎn)化了系統設計的邏輯結構；同時(shí)，由于有了RTOS，屏蔽了應用軟件對底層硬件的可見(jiàn)性，將以往軟件系統的兩層結構轉化為三層結構（如圖4所示），極大地方便了系統的軟件擴展與硬件升級。

對于PIC18F系列單片機，目前常用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統有：μC/OS-II、Salvo、CMX、PIC18OS等。它們都是可剝奪型的實(shí)時(shí)內核，詳細的比較如表1所示。

表1 適用于PIC18F系列單片機的幾種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統

結合本文的具體應用，綜合考慮系統硬件資源及上述幾種實(shí)時(shí)操作系統的特點(diǎn)，最終選用基于操作系統的軟件開(kāi)發(fā)模式，并選擇μC/OS-II作為系統軟件平臺。

4．基于μC/OS-II的應用軟件開(kāi)發(fā)

μC/OS-II是一個(gè)可移植、可固化、可裁剪及可剝奪型的多任務(wù)實(shí)時(shí)內核，應用開(kāi)發(fā)時(shí)首先必須完成其在特定硬件上的移植。μC/OS-II在編寫(xiě)的過(guò)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(xiě)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(gè)文件中，因此只要針對具體的硬件改寫(xiě)這些文件，就可以完成移植工作。

移植成功之后，就可以開(kāi)始應用程序的編寫(xiě)工作。RTOS將面向功能的應用開(kāi)發(fā)轉化為了面相任務(wù)的應用開(kāi)發(fā)，因此軟件開(kāi)發(fā)的過(guò)程就是將應用系統按照功能細分為多個(gè)任務(wù)，然后實(shí)現每個(gè)任務(wù)，并為任務(wù)確定合適的優(yōu)先級；對于實(shí)時(shí)性要求高的操作，需要編寫(xiě)相關(guān)的中斷服務(wù)程序。

永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機正常運行的基本條件是：在最佳換相時(shí)刻按最佳換相邏輯換相。這個(gè)過(guò)程對實(shí)時(shí)性要求很高，所以由中斷服務(wù)程序完成。反電勢過(guò)零時(shí)，程序進(jìn)入反電勢過(guò)零中斷服務(wù)程序，該中斷服務(wù)程序根據當前的電機速度設定軟件移相定時(shí)器的溢出值；當軟件移相定時(shí)器溢出中斷時(shí)，程序進(jìn)入移相定時(shí)器中斷服務(wù)程序，顯然，此時(shí)即最佳換相時(shí)刻。因此，在移相定時(shí)器中斷服務(wù)程序中按最佳換相邏輯完成換相，就能保證電機的正常運行。此外，對于過(guò)流、過(guò)壓、欠壓等緊急故障的處理也必須由相應的中斷服務(wù)程序完成。系統還要完成的功能有：定時(shí)采樣速度給定，并將采樣結果經(jīng)過(guò)調節器轉化為PWM波的占空比；響應鍵盤(pán)輸入；顯示電機的速度、PWM波占空比等系統狀態(tài)信息；與上位PC機串口通信；系統非緊急故障的處理等等。這些功能對實(shí)時(shí)性的要求不是很高，故由任務(wù)級完成。應用系統的任務(wù)如表2所示。

表2 應用系統任務(wù)列表

系統運行時(shí)，首先進(jìn)行系統初始化操作，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)，操作系統內核首先調用就緒態(tài)中優(yōu)先級最高的任務(wù)運行。系統運行過(guò)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)。當運行著(zhù)的任務(wù)因等待某一事件或延時(shí)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)，則內核中止當前運行著(zhù)的任務(wù)，把CPU的使用權交給就緒態(tài)中優(yōu)先級最高的任務(wù)。當中斷發(fā)生時(shí)，系統運行中斷服務(wù)程序，中斷返回時(shí)，系統內核將進(jìn)行任務(wù)調度，將優(yōu)先級最高的就緒態(tài)任務(wù)轉為運行態(tài)。例如，系統運行過(guò)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采樣結果，由于任務(wù)TaskAD早先因等待郵箱ADResult而被掛起，所以此時(shí)任務(wù)TaskAD的狀態(tài)被轉為就緒態(tài)；中斷返回時(shí)，內核進(jìn)行任務(wù)調度，由于TaskAD是就緒態(tài)中優(yōu)先級最高的任務(wù)（系統正常運行時(shí)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)響應速度。TaskAD執行一個(gè)循環(huán)后，又因等待郵箱ADResult而轉為掛起態(tài)，內核再次進(jìn)行任務(wù)調度，調用就緒態(tài)中的最高優(yōu)先級任務(wù)運行。

5． 結論

本文結合無(wú)位置傳感器永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機控制系統的設計，針對系統具體要求，確定了以PIC18F452單片機為主控器件，μC/OS-II作為軟件平臺的開(kāi)發(fā)方案。實(shí)際的開(kāi)發(fā)過(guò)程證明了這種開(kāi)發(fā)模式能夠滿(mǎn)足系統高性能、低成本的設計要求，同時(shí)具備了較強的可擴展性和一定技術(shù)前瞻性。

值得說(shuō)明的是，在嵌入式系統中使用RTOS，增強了系統實(shí)時(shí)性，簡(jiǎn)化了系統軟件設計；同時(shí)，也增加了系統的開(kāi)發(fā)成本。一方面，操作系統本省會(huì )耗費一定的硬件資源（例如程序存儲器、數據存儲器、定時(shí)器資源等等），增加了系統的硬件成本；另一方面，若購買(mǎi)商用的實(shí)時(shí)操作系統，需要額外的軟件支出，即使是使用免費的實(shí)時(shí)內核，也要求開(kāi)發(fā)者對內核本省有深入的理解，需要投入相當的精力。所以，雖然使用RTOS會(huì )給開(kāi)發(fā)過(guò)程帶來(lái)一定的便利，但針對具體的應用，是否使用RTOS，若使用，具體選擇那種RTOS，都是制定系統方案時(shí)值得慎重考慮的問(wèn)題。