基于PIC單片機的永磁無刷直流電動機控制系統的開發

引言

嵌入式系統是指以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟、硬件可裁剪，適應應用系統對功能、體積、成本、可靠性、功耗嚴格要求的專用計算機系統。嵌入式系統是面向應用的，系統的硬件選型和軟件開發模式都必須根據具體的應用確定。

永磁無刷直流電動機是電機控制研究領域的熱點之一，這與其自身固有的技術優勢密切相關：以電子換相取代了有刷直流電動機的機械換相。從根本上革除了普通有刷直流電動機由于電刷換相帶來的火花、噪音、高故障率等一系列問題，同時又使系統的性能能夠與普通有刷直流電動機相媲美，因此得到了廣泛的應用。永磁無刷直流電動機的電子換相離不開電機的轉子位置信號，傳統的方法是采用霍爾器件或其他位置傳感器檢測位置信號，這使得系統的維護和制造都不方便，并且由于傳感器的工作特性不穩定，給系統的安全運行帶來了一些隱患。因此，無位置傳感器方案引起了人們的極大興趣。

本文結合無位置傳感器永磁無刷直流電動機控制系統的開發，以Microchip公司的PIC18F452單片機為主控器件，并采用嵌入式實時操作系統μC/OS-II作為軟件開發平臺，詳細討論了嵌入式系統的開發模式與流程。

2．系統硬件平臺設計

嵌入式系統設計的第一步是結合具體的應用，綜合考慮系統對成本、性能、可擴展性、開發周期等各個方面的要求，確定系統的主控器件，并以之為核心搭建系統硬件平臺。

無位置傳感器永磁無刷直流電動機控制系統的關鍵問題是位置檢測。目前已經有了很多位置檢測方案，其中，反電勢法由于簡單實用而得以廣泛采用。反電勢法的原理是：基于電機的三相端電壓，通過硬件檢測電路或軟件算法得到三相反電勢過零信號，然后用軟件移相得到換相時刻，并在換相時刻按換相邏輯完成換相，觸發逆變橋以合適的導通時序工作，從而保證了電機的正常運行。

反電勢法的永磁無刷直流電動機無位置傳感器控制對系統硬件提出了更高的要求：

① 三個外部中斷輸入引腳，便于捕捉三相反電勢過零信號；

② 至少一個PWM模塊，實現電機的斬波調速；

③ 豐富的定時器資源，完成軟件移相、測速等功能；

④ 多通道的AD轉換模塊，能夠采樣速度給定及主電路的電流、電壓信號；

⑤ 硬件乘法器，保證速度、電流調節器的快速性；

⑥ 足夠的程序和數據存儲器，便于系統擴展；

⑦ 高速的系統工作頻率，保證系統的強實時性；

⑧ 豐富的通信模塊，便于系統與其他嵌入式系統的互連。

對于無位置傳感器永磁無刷直流電動機控制系統的設計，有很多專用芯片可供選用，但為了進一步提高系統性能，增強設計的靈活性，多采用DSP或專用單片機等智能器件。但是，這樣在提高系統性能的同時卻增加了系統開發成本。為了設計一個高性能、低成本的開發平臺，針對應用對系統硬件的要求，考慮到PIC18F452單片機的高性價比，選用其作為主控器件。

PIC18F452是Microchip公司推出的一款增強型8位單片機，采用精簡指令集（RISC）的設計，有兩級流水線，最高運行頻率可達到10MIPS，能夠滿足系統對實時性的要求；指令總線16位寬，數據總線8位寬；單片機內部有32K字節的FLASH程序存儲器，1.5K字節的數據存儲器和256字節的EEPROM，便于系統的擴展；自帶8×8硬件乘法器；中斷資源豐富，提供18個中斷源，兩個中斷優先級，并且中斷優先級可配置。PIC18F452單片機配備了豐富的外圍模塊，極大地簡化了單片機外圍電路的設計。同時，Microchip公司為PIC18F系列單片機提供了功能強大的指令集，共77條指令，絕大部分指令為單字（2個字節）存儲，單周期執行，應用代碼的存儲壓縮率高，指令執行效率高。

以PIC18F452為主控器件構成的系統硬件框圖如圖1所示。