基于PIC單片機(jī)的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)

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?。所以，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。