基于PIC單片機的永磁無刷直流電動機控制系統(tǒng)的開發(fā)

表1 適用于PIC18F系列單片機的幾種嵌入式實時操作系統(tǒng)

結合本文的具體應用，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實時內核，應用開發(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，就可以開始應用程序的編寫工作。RTOS將面向功能的應用開發(fā)轉化為了面相任務的應用開發(fā)，因此軟件開發(fā)的過程就是將應用系統(tǒng)按照功能細分為多個任務，然后實現(xiàn)每個任務，并為任務確定合適的優(yōu)先級；對于實時性要求高的操作，需要編寫相關的中斷服務程序。

永磁無刷直流電動機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，所以由中斷服務程序完成。反電勢過零時，程序進入反電勢過零中斷服務程序，該中斷服務程序根據(jù)當前的電機速度設定軟件移相定時器的溢出值；當軟件移相定時器溢出中斷時，程序進入移相定時器中斷服務程序，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，對于過流、過壓、欠壓等緊急故障的處理也必須由相應的中斷服務程序完成。系統(tǒng)還要完成的功能有：定時采樣速度給定，并將采樣結果經(jīng)過調節(jié)器轉化為PWM波的占空比；響應鍵盤輸入；顯示電機的速度、PWM波占空比等系統(tǒng)狀態(tài)信息；與上位PC機串口通信；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，故由任務級完成。應用系統(tǒng)的任務如表2所示。

表2 應用系統(tǒng)任務列表

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

5． 結論

本文結合無位置傳感器永磁無刷直流電動機控制系統(tǒng)的設計，針對系統(tǒng)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、低成本的設計要求，同時具備了較強的可擴展性和一定技術前瞻性。

值得說明的是，在嵌入式系統(tǒng)中使用RTOS，增強了系統(tǒng)實時性，簡化了系統(tǒng)軟件設計；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核，也要求開發(fā)者對內核本省有深入的理解，需要投入相當?shù)木?。所以，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。