基于PIC18Fxx的永磁無刷直流電動(dòng)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(jì)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(duì)功能、體積、成本、可靠性、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)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(dòng)機(jī)是電機(jī)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(shì)密切相關(guān)：以電子換相取代了有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換相。從根本上革除了普通有刷直流電動(dòng)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(shí)又使系統(tǒng)的性能能夠與普通有刷直流電動(dòng)機(jī)相媲美，因此得到了廣泛的應(yīng)用。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的電子換相離不開電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，傳統(tǒng)的方法是采用霍爾器件或其他位置傳感器檢測(cè)位置信號(hào)，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(yùn)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(dòng)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II作為軟件開發(fā)平臺(tái)，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(tái)設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步是結(jié)合具體的應(yīng)用，綜合考慮系統(tǒng)對(duì)成本、性能、可擴(kuò)展性、開發(fā)周期等各個(gè)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(tái)。

無位置傳感器永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵問題是位置檢測(cè)。目前已經(jīng)有了很多位置檢測(cè)方案，其中，反電勢(shì)法由于簡(jiǎn)單實(shí)用而得以廣泛采用。反電勢(shì)法的原理是：基于電機(jī)的三相端電壓，通過硬件檢測(cè)電路或軟件算法得到三相反電勢(shì)過零信號(hào)，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(dǎo)通時(shí)序工作，從而保證了電機(jī)的正常運(yùn)行。

反電勢(shì)法的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制對(duì)系統(tǒng)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(shì)過零信號(hào)；

② 至少一個(gè)PWM模塊，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的斬波調(diào)速；

③ 豐富的定時(shí)器資源，完成軟件移相、測(cè)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(hào)；

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(chǔ)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(shí)時(shí)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(duì)于無位置傳感器永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(jì)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(shí)卻增加了系統(tǒng)開發(fā)成本。為了設(shè)計(jì)一個(gè)高性能、低成本的開發(fā)平臺(tái)，針對(duì)應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)硬件的要求，考慮到PIC18F452單片機(jī)的高性價(jià)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(jiǎn)指令集（RISC）的設(shè)計(jì)，有兩級(jí)流水線，最高運(yùn)行頻率可達(dá)到10MIPS，能夠滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)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(chǔ)器，1.5K字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(gè)中斷源，兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，并且中斷優(yōu)先級(jí)可配置。PIC18F452單片機(jī)配備了豐富的外圍模塊，極大地簡(jiǎn)化了單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)。同時(shí)，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(gè)字節(jié)）存儲(chǔ)，單周期執(zhí)行，應(yīng)用代碼的存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)；

② 電機(jī)的速度檢測(cè)，可根據(jù)位置信號(hào)利用軟件計(jì)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(hào)。

3．嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)模式

對(duì)于簡(jiǎn)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(tái)系統(tǒng)（也叫無限循環(huán)系統(tǒng)）。

前后臺(tái)系統(tǒng)中，應(yīng)用程序就是一個(gè)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(tái)任務(wù)；中斷服務(wù)程序處理異步事件，這部分稱為前臺(tái)行為。因?yàn)橹袛喾?wù)程序提供的信息一直要等到后臺(tái)程序運(yùn)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(yīng)時(shí)間等于整個(gè)循環(huán)的執(zhí)行時(shí)間。因?yàn)楹笈_(tái)循環(huán)的執(zhí)行周期不是常數(shù)，所以基于前后臺(tái)模式的應(yīng)用軟件開發(fā)，雖然設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)單，但系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得不到保障。

為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，可以采用基于嵌入式實(shí)時(shí)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(gè)應(yīng)用細(xì)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(jí)，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(jié)構(gòu)上都是一個(gè)無限循環(huán)，它有多個(gè)狀態(tài)——休眠態(tài)、就緒態(tài)、運(yùn)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(jí)任務(wù)先運(yùn)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(tǒng)內(nèi)核讓此時(shí)就緒態(tài)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)運(yùn)行（不一定是被中斷的任務(wù)）。可見，基于RTOS的軟件開發(fā)模式使系統(tǒng)的任務(wù)響應(yīng)時(shí)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(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的邏輯結(jié)構(gòu)；同時(shí)，由于有了RTOS，屏蔽了應(yīng)用軟件對(duì)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(jí)。

對(duì)于PIC18F系列單片機(jī)，目前常用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有：μC/OS-II、Salvo、CMX、PIC18OS等。它們都是可剝奪型的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)，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(tái)。

4．基于μC/OS-II的應(yīng)用軟件開發(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(nèi)核，應(yīng)用開發(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(gè)文件中，因此只要針對(duì)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(gè)任務(wù)，然后實(shí)現(xiàn)每個(gè)任務(wù)，并為任務(wù)確定合適的優(yōu)先級(jí)；對(duì)于實(shí)時(shí)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(dòng)機(jī)正常運(yùn)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)過程對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高，所以由中斷服務(wù)程序完成。反電勢(shì)過零時(shí)，程序進(jìn)入反電勢(shì)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(shí)器的溢出值；當(dāng)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(jī)的正常運(yùn)行。此外，對(duì)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(shí)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(duì)實(shí)時(shí)性的要求不是很高，故由任務(wù)級(jí)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(yùn)行時(shí)，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(jí)最高的任務(wù)運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，始終保證運(yùn)行任務(wù)的優(yōu)先級(jí)高于就緒態(tài)中的所有任務(wù)。當(dāng)運(yùn)行著的任務(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(jí)的任務(wù)進(jìn)入了就緒態(tài)，則內(nèi)核中止當(dāng)前運(yùn)行著的任務(wù)，把CPU的使用權(quán)交給就緒態(tài)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行中斷服務(wù)程序，中斷返回時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)核將進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，將優(yōu)先級(jí)最高的就緒態(tài)任務(wù)轉(zhuǎn)為運(yùn)行態(tài)。例如，系統(tǒng)運(yùn)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(shí)任務(wù)TaskAD的狀態(tài)被轉(zhuǎn)為就緒態(tài)；中斷返回時(shí)，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(jí)最高的任務(wù)（系統(tǒng)正常運(yùn)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(tǒng)都將運(yùn)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(gè)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(jí)任務(wù)運(yùn)行。

5． 結(jié)論

本文結(jié)合無位置傳感器永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，針對(duì)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(tái)的開發(fā)方案。實(shí)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(jì)要求，同時(shí)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(shí)時(shí)性，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)；同時(shí)，也增加了系統(tǒng)的開發(fā)成本。一方面，操作系統(tǒng)本省會(huì)耗費(fèi)一定的硬件資源（例如程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、定時(shí)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，需要額外的軟件支出，即使是使用免費(fèi)的實(shí)時(shí)內(nèi)核，也要求開發(fā)者對(duì)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(huì)給開發(fā)過程帶來一定的便利，但針對(duì)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(shí)值得慎重考慮的問題。