μC／OS-II在無刷直流電動(dòng)機(jī)控制中的應(yīng)用
陶 源，朱文
(重慶大學(xué)，重慶400030)
摘要：設(shè)計(jì)了基于嵌人式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)IxC／OS II的無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。介紹了基于單片機(jī)dsPIC30F6010A的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，詳細(xì)說明了μC／OS II任務(wù)的分配和設(shè)計(jì)。μ／OS—II簡化了應(yīng)用系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，可讀性強(qiáng)，便于維護(hù)和擴(kuò)展功能。
關(guān)鍵詞：μC／OS-II；dsPIC30F6010A；無刷直流電動(dòng)機(jī)；轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)
中圖分類號：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004—7018(2010)05—0031—03
0引言
無刷直流電動(dòng)機(jī)是一種正在快速普及的電機(jī)類型。它不用電刷來換向，而是使用電子換向，與有刷直流電動(dòng)機(jī)和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，具有許多優(yōu)點(diǎn)，如更好的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高效率、長壽命、運(yùn)轉(zhuǎn)元噪聲、較高的轉(zhuǎn)速范圍等，廣泛應(yīng)用于家用電器、汽車、航空航天、消費(fèi)品、醫(yī)療、工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備和儀器等行業(yè)。
μC／OS II是一個(gè)源碼公開、可移植、可固化、可裁剪、搶占式的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。μC／OS—II能管理64個(gè)任務(wù)，并提供任務(wù)調(diào)度與管理、內(nèi)存管理、任務(wù)間同步與通信、時(shí)間管理和中斷服務(wù)等功能，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)l眭能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。本文基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS—II和單片機(jī)dsPIC30F6010A設(shè)計(jì)了一個(gè)無刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的前后臺程序不同，基于μC／OS—II操作系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)，將一個(gè)大的應(yīng)用程序分解成多個(gè)任務(wù)來完成，能很大程度地降低控制系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短軟件開發(fā)周期。
1無刷直流電動(dòng)機(jī)控制原理
無刷電動(dòng)機(jī)的換相是通過電子方式控制的。轉(zhuǎn)子的位置由定子中嵌入的霍爾傳感器檢測，每當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極經(jīng)過霍爾傳感器附近，它們就會(huì)發(fā)出一個(gè)高電平或低電平信號，表示轉(zhuǎn)子的北磁極或南磁極正經(jīng)過該傳感器。根據(jù)三個(gè)霍爾傳感器信號的組合，就能確定換相的精確順序，給定子繞組通電，實(shí)現(xiàn)無刷電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)。常用120。電角度無刷直電動(dòng)機(jī)換相順序及轉(zhuǎn)繞組通電情況如圖1示。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60。電角度，其中一個(gè)霍傳感器就會(huì)改變狀態(tài)。完成一個(gè)電周期需要換相六次。而完成一個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，要重復(fù)的電周期數(shù)取決于轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)。
2無刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
無刷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。轉(zhuǎn)速環(huán)經(jīng)PID運(yùn)算后，為電流環(huán)提供電流給定。電流環(huán)再經(jīng)PID運(yùn)算，控制PWM占空比輸出，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速向給定速度變化。電流環(huán)的執(zhí)行頻率要比轉(zhuǎn)速環(huán)高。
本硬件系統(tǒng)主要由微控制器、M0sFET三相逆變橋電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、檢測電路和保護(hù)電路構(gòu)成，圖3為無刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)硬件框圖。dsPIc30F610A是一款專門為嵌入式電機(jī)控制應(yīng)用設(shè)計(jì)的Mcu，具有輸入電平變化通知引腳、電機(jī)控制專用PwM模塊、PwM故障引腳FLTA，可同時(shí)采樣最多4路的ADc、串口等外設(shè)。cNl3、cNl4、cNl5為輸入電平變化通知(cN)引腳，當(dāng)霍爾傳感器信號的電平發(fā)生變化時(shí)，產(chǎn)生電平變化通知中斷，捕捉無刷電動(dòng)機(jī)霍爾傳感器信號。PwMlH～PwM3L可實(shí)現(xiàn)6個(gè)獨(dú)立或3對互補(bǔ)PwM輸出，驅(qū)動(dòng)M0sFET三相逆變橋電路，控制繞組上施加的電壓，改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。無刷電動(dòng)機(jī)在任意換相時(shí)刻，只有兩相繞組通電，故只需要一路電流采樣電路。但這種電流采樣為母線電流采樣，需要在PwM高電平的中點(diǎn)采樣電流值，才能得到較準(zhǔn)確的相電流值。繞組電流流經(jīng)采樣電阻，產(chǎn)生的電壓降經(jīng)運(yùn)放放大，一路輸入到ADc模塊的輸入通道AN3，進(jìn)行電機(jī)相電流采樣，一路與設(shè)定****電流進(jìn)行比較后，連接到PwM故障引腳F冊A，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的過流保護(hù)。
為了提供速度給定，將一個(gè)電位器連接到ADc的一個(gè)輸入通道AN2。兩個(gè)開關(guān)用來控制電機(jī)的起停和正反轉(zhuǎn)。串口用來傳送嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的任務(wù)運(yùn)行狀態(tài)和電機(jī)速度信息給上位機(jī)顯示。
3基于μC／0s—II的軟件設(shè)計(jì)
3．1μC／os—II在dsPIc30F石010A上的移植
在μc／0s—II移植過程中，與應(yīng)用程序有關(guān)的文件是os—cFG H和INcLuDEs．H，與處理器有關(guān)的文件有Os_CPU H、0s_CPU—c.c、os_cPll-A．AsM。
os cFG.H文件用來確定允許μc／0s—II的各種功能。
INcLuDEs．H是一個(gè)主頭文件，出現(xiàn)在每個(gè)c文件的開頭�？梢园褢�(yīng)用程序的頭文件添加其中。
os—cPU．H包括了用#denne定義的、與處理器有關(guān)的常數(shù)、宏以及數(shù)據(jù)類型。dsPIc30F6010A的堆棧從低地址向高地址遞增，定義Os_sTK_GR0wTH=O。開關(guān)中斷宏采用第三種方式，定義cPu狀態(tài)寄存器和堆棧寬度為16位。
Os_cPu_c．c文件中****必要的函數(shù)是OsTa—skstkInit，用于初始化任務(wù)的棧結(jié)構(gòu)。
Os_cPu_A AsM文件中要求用戶編寫四個(gè)匯編語言函數(shù)：()SStanH’ghRdy()、0sctxsw()、Os—Intctxsw()、OsTickISR()。()SStartHighRdy()使就緒態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級****的任務(wù)開始運(yùn)行，OsQxsw()執(zhí)行任務(wù)級的切換，OsIntctxsw()在ISR中執(zhí)行任務(wù)切換功能。()STickISR()為μc／Os—II提供一個(gè)周期性的時(shí)鐘源，來實(shí)現(xiàn)時(shí)間的延時(shí)和超時(shí)功能。下文中的定時(shí)器l中斷就是實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。
移植工作完成后，就要驗(yàn)證移植的μc／Os—II是否能正常工作。采用運(yùn)行／不運(yùn)行測試方法，通過示波器觀察LED的波形，了解操作系統(tǒng)的運(yùn)行情況。移植代碼測試成功后，一個(gè)多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺就搭建成功。
3．2任務(wù)的分配
基于μc／Os—II的程序設(shè)計(jì)是將一個(gè)大的應(yīng)用程序分成相對獨(dú)立的多個(gè)任務(wù)來完成。μc／Os—II內(nèi)核對這些任務(wù)進(jìn)行調(diào)度和管理。無刷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)總體任務(wù)關(guān)聯(lián)圖如圖4所示。
3．3任務(wù)的設(shè)計(jì)
(1)起動(dòng)任務(wù)
起動(dòng)任務(wù)是在主程序中創(chuàng)建的，用于系統(tǒng)初始化(包括初始化系統(tǒng)時(shí)鐘定時(shí)器1，PwM輸出模塊，輸入電平通知(cN)功能，串口，ADc模塊，按鍵，定時(shí)器3)，創(chuàng)建按鍵任務(wù)、轉(zhuǎn)速環(huán)任務(wù)和電流環(huán)任務(wù)，然后調(diào)用OsTaskDel(Os—PRIO一SELF)進(jìn)行自我刪除，起動(dòng)任務(wù)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。
(2)定時(shí)器1中斷任務(wù)
uc／Os-II的時(shí)鐘節(jié)拍是通過定時(shí)器1以中斷的形式實(shí)現(xiàn)的，中斷間隔為10 ms，以供系統(tǒng)處理諸如延時(shí)、超時(shí)等與時(shí)間有關(guān)的事件。在中斷子程序中，要調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)OsTimeTick，以使用戶任務(wù)控制塊OsJcB中的時(shí)間延時(shí)項(xiàng)OsTcBDly減1，最后還要通過調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)OsIntExit，返回到進(jìn)入就緒態(tài)的****優(yōu)先級任務(wù)，f而不是回到被中斷了的任務(wù)。
(3)輸入變化通知中斷任務(wù)
讀霍爾傳感器信號，使對應(yīng)相序下的兩相繞組通電，并記錄一個(gè)機(jī)械周期所需要的時(shí)間，為轉(zhuǎn)速環(huán)任務(wù)中的速度計(jì)算提供時(shí)間參數(shù)。因?yàn)橹袛嘁娴絚Pu寄存器操作，因此中斷服務(wù)子程序要用匯編編寫，關(guān)于要處理的任務(wù)，可以用c語言寫，然后在此中斷程序中調(diào)用。
(4)A／D轉(zhuǎn)換中斷任務(wù)
在ADc模塊的初始化中，設(shè)定在PwM高電平中點(diǎn)對模擬輸入通AN3進(jìn)行同時(shí)采樣。通常電機(jī)控制的PwM頻率為20 kHz，電流環(huán)調(diào)節(jié)周期為50μs，與PwM信號同周期。A／D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)子程序的清單，和上面的輸入變化通知中斷的一樣，只不過“執(zhí)行用戶代碼做中斷服務(wù)”有所不同。
(5)速度環(huán)任務(wù)
執(zhí)行周期為10ms，主要功能為讀取輸入變化通知中斷任務(wù)中，用定時(shí)器3記錄無刷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)機(jī)械周期所用的時(shí)間，計(jì)算出元刷電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。然后與給定轉(zhuǎn)速值比較，通過PI運(yùn)算，計(jì)算出內(nèi)環(huán)電流環(huán)的給定電流值。同時(shí)，把電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速通過串口傳遞給上位機(jī)。無刷電動(dòng)機(jī)的速度V  T是一個(gè)電周期的時(shí)間，p是電機(jī)極數(shù)。 (6)按鍵任務(wù)
用于控制電機(jī)的起停和正反轉(zhuǎn)。默認(rèn)狀態(tài)為停止、正轉(zhuǎn)。執(zhí)行周期為100ms。當(dāng)起動(dòng)鍵按下時(shí)，開啟PwM輸出，打開定時(shí)器3，記錄電機(jī)換相時(shí)間，用于計(jì)算轉(zhuǎn)速。當(dāng)停止鍵按下時(shí)，禁止PwM，清零OVDcON狀態(tài)改寫寄存器，回到初始狀態(tài)。
(7)PwM故障檢測中斷任務(wù)
當(dāng)電機(jī)相電流過大時(shí)，可以起到過流保護(hù)作用。禁止PwM，清零OVDcON狀態(tài)改寫寄存器，回到初始狀態(tài)。
4實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析
由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，只完成了轉(zhuǎn)速爭閉環(huán)實(shí)驗(yàn)。在速度給定值為l 000 r／min、電機(jī)空載的條件下，以PwM占空比為50％起動(dòng)時(shí)，單片機(jī)對無刷電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行采樣，采樣周期為10 ms，并把采樣速度傳遞給上位機(jī)。首次只調(diào)整比例部分，將比例系數(shù)由小變大，并觀察系統(tǒng)所對應(yīng)的響應(yīng)，直到得到響應(yīng)快、超調(diào)量小的響應(yīng)曲線為止。然后湊試積分常數(shù)，先給一個(gè)較大值，并將上一步調(diào)整時(shí)獲得的比例系數(shù)略微減小，然后逐漸減少積分常數(shù)，并根據(jù)所獲得的響應(yīng)曲線進(jìn)一步調(diào)試比例系數(shù)和積分常數(shù)，直到消除靜態(tài)誤差，并保持良好的動(dòng)態(tài)性能為止。圖5為kp=O.05、Ti=5時(shí)的轉(zhuǎn)速波形圖。
當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，在電機(jī)輸出端，加上額定載后，電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)圖如圖6所示。從圖6可知，給系統(tǒng)突加額定負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)速降為200 r／min，轉(zhuǎn)速在動(dòng)態(tài)降落后逐漸恢復(fù)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值，穩(wěn)態(tài)值范圍在890～910 r／min之間。
5結(jié)語
嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μc／Os—II被成功移植到dsPIc30t760lOA中，并完成無刷電動(dòng)機(jī)外環(huán)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。對于轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)試系統(tǒng)，當(dāng)突加負(fù)載時(shí)，動(dòng)態(tài)速降較大，不能很好地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過程。uc／Os—II的引入，可以將一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用程序分解成多個(gè)獨(dú)立的任務(wù)來完成，提高系統(tǒng)的開發(fā)效率，降低開發(fā)難度，便于應(yīng)用程序的功能擴(kuò)展和維護(hù)，以適應(yīng)日趨復(fù)雜的現(xiàn)代控制系統(tǒng)。
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