基于PIC單片機的永磁無刷直流電動機控制系統的開發

表1 適用于PIC18F系列單片機的幾種嵌入式實時操作系統

結合本文的具體應用，綜合考慮系統硬件資源及上述幾種實時操作系統的特點，最終選用基于操作系統的軟件開發模式，并選擇μC/OS-II作為系統軟件平臺。

4．基于μC/OS-II的應用軟件開發

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轉化為了面相任務的應用開發，因此軟件開發的過程就是將應用系統按照功能細分為多個任務，然后實現每個任務，并為任務確定合適的優先級；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。系統還要完成的功能有：定時采樣速度給定，并將采樣結果經過調節器轉化為PWM波的占空比；響應鍵盤輸入；顯示電機的速度、PWM波占空比等系統狀態信息；與上位PC機串口通信；系統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。應用系統的任務如表2所示。

表2 應用系統任務列表

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

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的設計，針對系統具體要求，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方案。實際的開發過程證明了這種開發模式能夠滿足系統高性能、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，在嵌入式系統中使用RTOS，增強了系統實時性，簡化了系統軟件設計；同時，也增加了系統的開發成本。一方面，操作系統本省會耗費一定的硬件資源（例如程序存儲器、數據存儲器、定時器資源等等），增加了系統的硬件成本；另一方面，若購買商用的實時操作系統，需要額外的軟件支出，即使是使用免費的實時內核，也要求開發者對內核本省有深入的理解，需要投入相當的精力。所以，雖然使用RTOS會給開發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，都是制定系統方案時值得慎重考慮的問題。