基于uC/OS-II的變頻器結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本文介紹了抽油電機(jī)變頻器變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)功能原理，如何利用uC/OS-II的多任務(wù)功能實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的算法結(jié)構(gòu)變換，操作系統(tǒng)的移植、多任務(wù)的建立和SDK下的軟件設(shè)計(jì);最后總結(jié)了在應(yīng)用中需注意的問(wèn)題。

　　在油田生產(chǎn)中為了節(jié)省電能并減小故障率，變頻器得到越來(lái)越多的應(yīng)用。但由于油井負(fù)載的非周期大脈動(dòng)性質(zhì)，從能量的流向來(lái)看，變頻器有兩種運(yùn)行狀態(tài)——電動(dòng)運(yùn)行和回饋制動(dòng)。不同運(yùn)行狀態(tài)的控制變量和控制方法是不同的，這就要采用所謂的變結(jié)構(gòu)控制。本應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)抽油電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)中的變結(jié)構(gòu)控制，不同的控制結(jié)構(gòu)通過(guò)任務(wù)間的切換實(shí)現(xiàn)。

　　系統(tǒng)控制核心采用DSP56F803，它是Motorola公司推出的16位DSP型微控制器，運(yùn)算速度可達(dá)40MIPS，片內(nèi)資源豐富，有強(qiáng)大的軟件支持，是嵌入式應(yīng)用的理想選擇。本系統(tǒng)應(yīng)用了其SPI、SCI、PWM、鍵盤(pán)中斷及通用I/O口等功能模塊。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1．1 uC/OS-II的移植與配置

　　Motorola公司提供的軟件開(kāi)發(fā)工具包SDK為使用uCC/OS-II做好了鋪墊工作，與硬件相關(guān)的文件OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM和OS_CPU_C.C已經(jīng)給出，只需購(gòu)得系統(tǒng)源代碼，然后將其考入指定的文件目錄，系統(tǒng)的移植就完成了。本文采用最新版本uCC/OS-II V2.51。

　　系統(tǒng)移植成功后，需要對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行配置（裁剪），把用不到的功能去掉，以最大限度地節(jié)省存儲(chǔ)空間。這項(xiàng)工作是通過(guò)os_cfg.h中的宏定義進(jìn)行的，本文只用到了多任務(wù)管理、信號(hào)量、互斥量等功能。在本應(yīng)用中，uCC/OS-II內(nèi)核經(jīng)過(guò)剪裁后只有3KB左右，相對(duì)DSP56F803的32KB內(nèi)部程序Flash只用了不到十分之一。需注意的另一個(gè)關(guān)鍵設(shè)置是時(shí)鐘節(jié)拍中斷頻率OS_TICKS_PER_SEC，它是系統(tǒng)多任務(wù)運(yùn)行所依賴(lài)的時(shí)間基準(zhǔn)，也決定了任務(wù)重復(fù)調(diào)用的最快頻率。這里缺省設(shè)為1000，要比文獻(xiàn)［3］中的推薦值高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。但實(shí)際應(yīng)用表明，DSP56F803以其高運(yùn)算速度在這個(gè)設(shè)置下是完全勝任的。

　　1．2 系統(tǒng)功能

　　根據(jù)油田生產(chǎn)的要求，系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)以下功能：鍵盤(pán)輸入、參數(shù)顯示、三相電流采集、直流側(cè)電壓采集、溫度采集、變頻指令輸出以及保護(hù)等。系統(tǒng)對(duì)電流、電壓、溫度進(jìn)行周期性采樣，采樣值經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理，作為控制器的參數(shù)，最后由控制算法得出控制量，經(jīng)PWM和D/A轉(zhuǎn)換器發(fā)送給變頻器，形成反饋閉環(huán)控制。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)顯示電流、溫度等參數(shù)，并可以通過(guò)鍵盤(pán)對(duì)控制器進(jìn)行參數(shù)在線(xiàn)設(shè)定。另外，高溫、過(guò)流等保護(hù)功能必不可少。系統(tǒng)原理如圖1?？刂破鞲鶕?jù)直流側(cè)電容C上電壓的大小來(lái)確定以哪一種控制結(jié)構(gòu)運(yùn)行。當(dāng)直流側(cè)電壓不超過(guò)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)以電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行。超過(guò)設(shè)定值時(shí)要以回饋制動(dòng)方式運(yùn)行，要求兩種工作狀態(tài)要互鎖，切換要準(zhǔn)確、及時(shí)。

　　1．3 任務(wù)的創(chuàng)建及變結(jié)構(gòu)控制的實(shí)現(xiàn)

　　根據(jù)功能要求，本著盡量減少任務(wù)數(shù)以減輕CPU運(yùn)行負(fù)擔(dān)的原則，本文設(shè)計(jì)了AD采集、電動(dòng)運(yùn)行、回饋制動(dòng)和顯示四個(gè)任務(wù)。另外還設(shè)計(jì)了兩個(gè)中斷服務(wù)子程序：用PortA口的中斷功能實(shí)現(xiàn)8個(gè)鍵盤(pán)輸入，用外部中斷IrqA實(shí)現(xiàn)短路、過(guò)流、缺相保護(hù)功能。

　　每個(gè)任務(wù)都有自己的名稱(chēng)、內(nèi)存空間和優(yōu)先級(jí)。不同的任務(wù)必須有不同的優(yōu)先級(jí)，它們可以是0~62之間的任意值，數(shù)值越小優(yōu)先級(jí)越高。優(yōu)先級(jí)的設(shè)置有不同的依據(jù)，以本文為例，回饋運(yùn)行任務(wù)對(duì)時(shí)間要求最苛刻，如果不能及時(shí)啟動(dòng)或過(guò)早結(jié)束都會(huì)對(duì)變頻器造成危害，所以其優(yōu)先級(jí)設(shè)為最高;AD采集任務(wù)運(yùn)行最頻繁，必須為其它任務(wù)提供可靠的參數(shù)，優(yōu)先級(jí)設(shè)為次高;電動(dòng)運(yùn)行任務(wù)是常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)先級(jí)低于AD采集任務(wù);顯示任務(wù)只實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，顯示狀態(tài)和參數(shù)對(duì)控制器性能沒(méi)有直接影響，優(yōu)先級(jí)設(shè)為最低。uCC/OS-II要求為每個(gè)任務(wù)分配OS_STK類(lèi)型的堆棧空間，并且它們占用的RAM存儲(chǔ)空間必須是連續(xù)的。