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基于PIC單片機的永磁無刷直流電動機控制系統(tǒng)的開發(fā)

作者: 時間:2012-04-12 來源:網(wǎng)絡 收藏

引言

嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)對功能、體積、成本、可靠性、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是面向應用的,系統(tǒng)的硬件選型和軟件開發(fā)模式都必須根據(jù)具體的應用確定。

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(yōu)勢密切相關:以電子換相取代了有刷的機械換相。從根本上革除了普通有刷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(tǒng)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。直流電動機的電子換相離不開電機的轉子位置信號,傳統(tǒng)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(tǒng)的維護和制造都不方便,并且由于傳感器的工作特性不穩(wěn)定,給系統(tǒng)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直流電動機的開發(fā),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(tǒng)μC/OS-II作為軟件開發(fā)平臺,詳細討論了嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)模式與流程。

2.系統(tǒng)硬件平臺設計

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

無位置傳感器永磁無刷直流電動機的關鍵問題是位置檢測。目前已經(jīng)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(fā)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(tǒng)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(xiàn)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(jié)器的快速性;

⑥ 足夠的程序和數(shù)據(jù)存儲器,便于系統(tǒng)擴展;

⑦ 高速的系統(tǒng)工作頻率,保證系統(tǒng)的強實時性;

⑧ 豐富的通信模塊,便于系統(tǒng)與其他嵌入式系統(tǒng)的互連。

對于無位置傳感器永磁無刷直流電動機的設計,有很多專用芯片可供選用,但為了進一步提高系統(tǒng)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(tǒng)性能的同時卻增加了系統(tǒng)開發(fā)成本。為了設計一個高性能、低成本的開發(fā)平臺,針對應用對系統(tǒng)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(tǒng)對實時性的要求;指令總線16位寬,數(shù)據(jù)總線8位寬;單片機內部有32K字節(jié)的FLASH程序存儲器,1.5K字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器和256字節(jié)的EEPROM,便于系統(tǒng)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(yōu)先級,并且中斷優(yōu)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(jié))存儲,單周期執(zhí)行,應用代碼的存儲壓縮率高,指令執(zhí)行效率高。

以PIC18F452為主控器件構成的系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

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