μC／OS-II在無刷直流電動機控制中的應用
陶 源，朱文
(重慶大學，重慶400030)
摘要：設計了基于嵌人式實時操作系統(tǒng)IxC／OS II的無刷直流電動機轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。介紹了基于單片機dsPIC30F6010A的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構，詳細說明了μC／OS II任務的分配和設計。μ／OS—II簡化了應用系統(tǒng)軟件的設計，可讀性強，便于維護和擴展功能。
關鍵詞：μC／OS-II；dsPIC30F6010A；無刷直流電動機；轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)
中圖分類號：TM33 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2010)05—0031—03
0引言
無刷直流電動機是一種正在快速普及的電機類型。它不用電刷來換向，而是使用電子換向，與有刷直流電動機和感應電動機相比，具有許多優(yōu)點，如更好的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性、快速動態(tài)響應、高效率、長壽命、運轉(zhuǎn)元噪聲、較高的轉(zhuǎn)速范圍等，廣泛應用于家用電器、汽車、航空航天、消費品、醫(yī)療、工業(yè)自動化設備和儀器等行業(yè)。
μC／OS II是一個源碼公開、可移植、可固化、可裁剪、搶占式的嵌入式實時操作系統(tǒng)。μC／OS—II能管理64個任務，并提供任務調(diào)度與管理、內(nèi)存管理、任務間同步與通信、時間管理和中斷服務等功能，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時l眭能優(yōu)良和可擴展性強等特點。本文基于嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS—II和單片機dsPIC30F6010A設計了一個無刷電動機控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的前后臺程序不同，基于μC／OS—II操作系統(tǒng)的程序設計，將一個大的應用程序分解成多個任務來完成，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無刷直流電動機控制原理
無刷電動機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，每當轉(zhuǎn)子磁極經(jīng)過霍爾傳感器附近，它們就會發(fā)出一個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，實現(xiàn)無刷電動機的旋轉(zhuǎn)。常用120。電角度無刷直電動機換相順序及轉(zhuǎn)繞組通電情況如圖1示。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60。電角度，其中一個霍傳感器就會改變狀態(tài)。完成一個電周期需要換相六次。而完成一個機械轉(zhuǎn)動，要重復的電周期數(shù)取決于轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)。
2無刷電動機控制系統(tǒng)設計
無刷電動機轉(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運算后，為電流環(huán)提供電流給定。電流環(huán)再經(jīng)PID運算，控制PWM占空比輸出，調(diào)節(jié)電機的轉(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)動電路、檢測電路和保護電路構成，圖3為無刷電動機控制系統(tǒng)硬件框圖。dsPIc30F610A是一款專門為嵌入式電機控制應用設計的Mcu，具有輸入電平變化通知引腳、電機控制專用PwM模塊、PwM故障引腳FLTA，可同時采樣最多4路的ADc、串口等外設。cNl3、cNl4、cNl5為輸入電平變化通知(cN)引腳，當霍爾傳感器信號的電平發(fā)生變化時，產(chǎn)生電平變化通知中斷，捕捉無刷電動機霍爾傳感器信號。PwMlH～PwM3L可實現(xiàn)6個獨立或3對互補PwM輸出，驅(qū)動M0sFET三相逆變橋電路，控制繞組上施加的電壓，改變電機的轉(zhuǎn)速。無刷電動機在任意換相時刻，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高電平的中點采樣電流值，才能得到較準確的相電流值。繞組電流流經(jīng)采樣電阻，產(chǎn)生的電壓降經(jīng)運放放大，一路輸入到ADc模塊的輸入通道AN3，進行電機相電流采樣，一路與設定****電流進行比較后，連接到PwM故障引腳F冊A，實現(xiàn)電機的過流保護。
為了提供速度給定，將一個電位器連接到ADc的一個輸入通道AN2。兩個開關用來控制電機的起停和正反轉(zhuǎn)。串口用來傳送嵌入式實時操作系統(tǒng)的任務運行狀態(tài)和電機速度信息給上位機顯示。
3基于μC／0s—II的軟件設計
3．1μC／os—II在dsPIc30F石010A上的移植
在μc／0s—II移植過程中，與應用程序有關的文件是os—cFG H和INcLuDEs．H，與處理器有關的文件有Os_CPU H、0s_CPU—c.c、os_cPll-A．AsM。
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