基于PIC單片機(jī)的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)

引言

嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、體積、成本、可靠性、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是面向應(yīng)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(yīng)用確定。

永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)是電機(jī)控制研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，這與其自身固有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)密切相關(guān)：以電子換相取代了有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換相。從根本上革除了普通有刷直流電動(dòng)機(jī)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(shí)又使系統(tǒng)的性能能夠與普通有刷直流電動(dòng)機(jī)相媲美，因此得到了廣泛的應(yīng)用。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的電子換相離不開電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，傳統(tǒng)的方法是采用霍爾器件或其他位置傳感器檢測(cè)位置信號(hào)，這使得系統(tǒng)的維護(hù)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(yùn)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(jié)合無位置傳感器永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)，以Microchip公司的PIC18F452單片機(jī)為主控器件，并采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II作為軟件開發(fā)平臺(tái)，詳細(xì)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(tái)設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步是結(jié)合具體的應(yīng)用，綜合考慮系統(tǒng)對(duì)成本、性能、可擴(kuò)展性、開發(fā)周期等各個(gè)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(tái)。

無位置傳感器永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵問題是位置檢測(cè)。目前已經(jīng)有了很多位置檢測(cè)方案，其中，反電勢(shì)法由于簡(jiǎn)單實(shí)用而得以廣泛采用。反電勢(shì)法的原理是：基于電機(jī)的三相端電壓，通過硬件檢測(cè)電路或軟件算法得到三相反電勢(shì)過零信號(hào)，然后用軟件移相得到換相時(shí)刻，并在換相時(shí)刻按換相邏輯完成換相，觸發(fā)逆變橋以合適的導(dǎo)通時(shí)序工作，從而保證了電機(jī)的正常運(yùn)行。

反電勢(shì)法的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制對(duì)系統(tǒng)硬件提出了更高的要求：

① 三個(gè)外部中斷輸入引腳，便于捕捉三相反電勢(shì)過零信號(hào)；

② 至少一個(gè)PWM模塊，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的斬波調(diào)速；

③ 豐富的定時(shí)器資源，完成軟件移相、測(cè)速等功能；

④ 多通道的AD轉(zhuǎn)換模塊，能夠采樣速度給定及主電路的電流、電壓信號(hào)；

⑤ 硬件乘法器，保證速度、電流調(diào)節(jié)器的快速性；

⑥ 足夠的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，便于系統(tǒng)擴(kuò)展；

⑦ 高速的系統(tǒng)工作頻率，保證系統(tǒng)的強(qiáng)實(shí)時(shí)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(duì)于無位置傳感器永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，有很多專用芯片可供選用，但為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，增強(qiáng)設(shè)計(jì)的靈活性，多采用DSP或?qū)Ｓ脝纹瑱C(jī)等智能器件。但是，這樣在提高系統(tǒng)性能的同時(shí)卻增加了系統(tǒng)開發(fā)成本。為了設(shè)計(jì)一個(gè)高性能、低成本的開發(fā)平臺(tái)，針對(duì)應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)硬件的要求，考慮到PIC18F452單片機(jī)的高性價(jià)比，選用其作為主控器件。

PIC18F452是Microchip公司推出的一款增強(qiáng)型8位單片機(jī)，采用精簡(jiǎn)指令集（RISC）的設(shè)計(jì)，有兩級(jí)流水線，最高運(yùn)行頻率可達(dá)到10MIPS，能夠滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求；指令總線16位寬，數(shù)據(jù)總線8位寬；單片機(jī)內(nèi)部有32K字節(jié)的FLASH程序存儲(chǔ)器，1.5K字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和256字節(jié)的EEPROM，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展；自帶8×8硬件乘法器；中斷資源豐富，提供18個(gè)中斷源，兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，并且中斷優(yōu)先級(jí)可配置。PIC18F452單片機(jī)配備了豐富的外圍模塊，極大地簡(jiǎn)化了單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)。同時(shí)，Microchip公司為PIC18F系列單片機(jī)提供了功能強(qiáng)大的指令集，共77條指令，絕大部分指令為單字（2個(gè)字節(jié)）存儲(chǔ)，單周期執(zhí)行，應(yīng)用代碼的存儲(chǔ)壓縮率高，指令執(zhí)行效率高。

以PIC18F452為主控器件構(gòu)成的系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。