嵌入式实时操作系统在开关磁阻电机控制系统中的应用.pdf

低压电器(2 0 0 5 5)嵌人式实时操作系统在开关磁阻电机控制系统中的应用嵌入式实时操作系统在开关磁阻电机控制系统中的应用蒯松岩l，谭国俊l，张玉祝2(1 中国矿业大学，江苏徐州2 2 1 0 0 8；2 无锡稀捷科技有限公司，江苏无锡2 1 4 0 0 0)第一作者：蒯松岩摘要：斗c o s 一是著名的实时内核，在嵌入式系统中得到了广泛的应用。在电(1 9 7 8 一)多，尊士力电子系统爵鑫制领域将其应用到开关磁阻电机调速系统中，并在斗c o s 操作系统?警竽，研警方宁平台上编制了开关磁阻电机调速系统的软件控制程序。在三相(1 2 j 8)结构1 5k w 开誊粤力电j 与皇寥关磁阻电动机上进行了实验。实验结果表明，实时操作系统在开关磁阻电机系统中的孽动、计算机控制应用是可行的。等。关键词：开关磁阻电动机；操作系统；数字信号处理中图分类号：T P2 7 3+5 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 1-5 5 3 1(2 0 0 5)0 5 J 2 6 0 3A p p l i c a t i o no fE m b e d d e dR e a IT i m eo p e r a t i o nS y s t e mi nS 耐t c h e dR e l u c t a n c eM o t o rD r i v e殷从，勘昭一弘n 1，踢G 和n 1，Z 日A B 地粕u 2(1 C h i n aU n i v e I 苫i t yo fM i n i n ga n dT e c h n o l o g y，X u z h o u2 2l0 0 8，C h i n a；2 W u x iS e a g a t eT e c h n 0 1 0 9 yC o m p a n y，W u x i2 1 4 0 0 0，C h i n a)A b s 觚c t：T h ef a m o u sr e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m 斗C O S 一t ob e 印p l i e di ne m b e d d e ds y s t e mc o m m o n l yw a su s e di np o w e re l e c t m n i c sc o n t m l6 e l da n dw o r k e do u tp r 0 即a mt or e a l i z es w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rd r i v ec o n t m l，t h m u g he x p e r i m e n tw i t I lt h r e ep h a s e(1 2 8)1 5k Ws w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r，t h ef e a s i b i l i t yu s i n gt l l i sr e a lt i m eo p e r a t i o ni ns w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rd r i v ec o n t r o lw a si n d i c a t e di nt l l i sp 印e r K e yw o r d s：s 谢t c h e dr e l u c t a em o t o r；o p e 均t i o ns y s t e m；d i g i t a ls i g I l a lp r o c e s s i I I g(D S P)0引言开关磁阻电机(S w i t c h e dR e l u c t a n c eM o t o r，S R M)是磁阻电机与电力电子开关电路及电子控制器所组成的机电一体化设备，不仅保持了交流异步机结构简单、坚固可靠的优点和直流机良好的可控性，还具有交流调速系统和直流调速系统所达不到的价格低、效率高和适应能力强等优点，具有广阔的发展前景。伴随着微处理器的发展，在电力电子系统的控制中，数字信号处理(D s P)逐步显示出高速计算能力，可增加采样速度和完成复杂的控制算法。不复杂的小系统一般设计成前后台系统。但一2 6 一随着处理器速度的提高，模糊控制、神经原网络控制等算法逐步被引入到开关磁阻电机控制系统中。在前后台系统上编写系统控制程序变越来越困难，且程序的可读性也会变差，在有些实时性要求很高的应用场合，前后台程序根本不能实现。因而，本文将C O s 系统引入到实时性要求较高的开关磁阻电机控制系统中。lC O S 一介绍前后台系统应用程序是一个无限的循环，循环中调用相应的函数完成相应的操作，时间相关性很强的关键操作一定是靠中断服务来保证的。实时系统的特点是，若逻辑和时序出现偏差将会 万方数据嵌人式实时操作系统在开关磁阻电机控制系统中的应用低压电器(2 0 0 5 5)引起严重后果的系统。斗c O S 是著名的、源码公开的实时内核。可以从w w w u c o s i i c o m 网站上获得全部源代码及其在各种体系平台上移植范例。同时，它是占先式实时内核，广泛地用于各类单片机或D S P。迄今为止，C O S 已在超过4 0种不同架构的微处理器上运行。2开关磁阻电机控制系统硬件组成系统硬件以T M S 3 2 0 L F 2 4 0 71 6 位定点D S P为核心，它主要包括一个T M S 3 2 0 2 4 x 内核，具有2个1 6 位定时器，8 路标准P W M 输出，3 个捕获单元，1 6 路A D 输入，片内光电编码接口。开关磁阻电机系统硬件框图如图1 所示。多路A，D 输人I嚣2 0=幢躺陶吖D s PI 1 功率变换器k：)士Hc Dl 篓l P w M 酬三相不对称F e 刊。!麓I 霪HM半桥卜-t H”I 堡l 捕获输入三相交流输入1 5 k W 直流电动机图1开关磁阻电机系统硬件框图开关磁阻电机为双闭环(电流环和速度环)调速系统，软件主程序主要完成对输入指令、位置信号及当前运行状态的检测，进行判断和计算，输出相应的换相信号与合适的电流控制信号。最后通过对P W M 占空比的调整对S R 电动机进行控制。开关磁阻电机的相切换由D S P 的事件管理器捕获中断完成。3前后台模式下系统软件结构文献 4 中的开关磁阻电机控制系统的软件设计为前后台系统。系统主要功能包括速度计算反馈量采集L 0 和A D 输入、电流环控制、位置计算、电机相位切换、速度控制环计算等。从程序结构可看出该程序设计方法只适用于简单的控制算法。因为没有相应的任务切换功能，D S P 只是简单的在程序中顺序运行。一旦控制算法变得复杂，将会导致系统实时响应变慢。S R M 典型前后台控制程序系统结构图如图2所示。甲后台程序：速度计算反馈量采集(A，D)输人数字量输入、输出和显示初始化程序：定时器中断：D s P 寄存器参数设定电流环控制事件管理模块初始化位置计算s R M 软件算法初始化电动机相位切换开系统中断速度控嗣环计算捕获中断：存储捕获到的转子位置信息位置计算参数更新速度计算参数更新图2S R M 典型前后台控制程序系统结构图4基于陆C O S 一嵌入式平台下系统软件结构采用基于斗c O s 一的软件平台，使得软件系统层次清晰、模块功能独立、便于维护和修改，最重要的是系统实时性得到体现，高优先级的任务始终最先得到运行。系统软件包括操作系统和用户应用程序两个部分。任务划分同前后台系统一致，即速度计算、数字量输入输出、显示任务、模拟量A D 输入、电流环控制、位置计算、电机相位切换、速度控制环计算7 个任务，但根据重要性和实时性将它们定为不同的优先级(见表1)。表1 任务划分表除了6 个任务外，系统还有2 个中断程序，包括1 0 0 斗s 时钟节拍中断，其中断优先级最高；另外一个是转子位置编码脉冲中断，由外部事件管理器实现，用于转子位置状态信息更新。4 1 主函数主函数是一个被最先执行的函数，该函数永远不会返回。函数首先屏蔽所有的中断，调用系一2 7 万方数据低压电器(2 5 5)嵌入式实时操作系统在开关磁阻电机控翱系统中的应用统初始化函数对各种软、硬件进行初始化(包括全局变量初始化、中断、数字量输人输出、显示等硬件初始化)，接着调用0 S I n i t()函数对系统进行初始化。在启动操作系统之前，用户至少要建立一个应用任务。最后，调用0 s S t a r t()启动R T O S，程序把控制权交给了R T O S，在R T O S 的管理下实现开关磁阻电机电流、速度的控制。主函数程序如下：m a i n()S y s t e m I n i t()；$系统硬件初始化 0 s I n i t()；初始化操作系统0 S T a s k C r e a t e()；$创建任务O S S t a n()；开始多任务调度0 S S t a I t()永远不会返回书4 2 任务与中断之间通信本系统中大部分任务通过调用O S T i m e D l y()实现定时运行(如电流环控制大约5 0 0 s 运行一次)，每个任务都可通过系统函数赋予不同的定时时间间隔，此外通过信号量和调用系统函数可实现任务与中断之间通信。例如：在转子位置编码脉冲中断服务程序中发出信号量通知任务0 电机相位切换任务改变当前通电相号。电机相位切换任务程序如下：v o i dS w i t c h(v o i d 卑d a t a)w h i l e(1)0 S s e m P e n d()；+转子位置编码脉冲中断服务程序中发出信号量s。根据转子位置信息，改变当前通电相号。+转子位置编码脉冲中断服务程序如下：v o i di n t e n l l p tc r o t o r()0 s I n t E n t e r()；中断服务程序 O s s e m P o s t()$发出信号量通知任务0+O S I n t E x i t()；a s m(”C L R CI N T M”)；5系统验证实验使用电机为三相(1 2 8)结构1 5k W 开关磁阻电动机，负载采用6 R A 7 0 控制的1 5k W 直流电机。通过电机相电流的波形(见图3，上面波形为P W M 斩波，下面波形为电流波形)可观察到，基于“C o s 一的软件平台程序控制，电机相位切换和电流控制正常，表明了实时操作系统在开关磁阻电机系统中应用的可行性。5 55 04 03 02 01 0删m卜一m洲一 卅一”1 1八八l八，1，?1，11O5l O1 52 02 53 03 54 04 55 0f m s图3s R 电机电动运行电流波形(电动电流，=8A)【参考文献】1 王宏华开关磁阻电动机调速控制技术 M 北京：机械工业出版社，1 9 9 9 2 L a b r o s s eJJ 斗c 0 s-源码公开的实时嵌入式操作系统 M 邵贝贝译北京：中国电力出版社，2 0 0 3 3 B o s eBK 电力电子与变频调速 M 徐州：中国矿业大学出版社，2 0 0 1 4 T e x a L sI n s t m m e m s s w i t c h e dR e l u c t a n c eM o t o rc o n t m l-B a s i c0 p e r a t i o na n dE x a m p l eU s i n gt h eT M S 3 2 0 F 2 4 0 R ，2 0 0 0 5 彭卫东，姬劳斗C 0 s 一在T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 上的移植及应用 J 单片机与嵌入式系统应用，2 0 0 3，(4)：7 9 8 3 收稿日期：2 0 0 4 1 2-2 6I I 川I 川l l l I l I l l l l 川I 川I h【1 I l I l l l l l l l l I l l l l I 川l I 热烈祝贺低压电器荣获我国期刊界的最高政府奖第三届国家期刊奖一2 8 万方数据嵌入式实时操作系统在开关磁阻电机控制系统中的应用嵌入式实时操作系统在开关磁阻电机控制系统中的应用作者：蒯松岩，谭国俊，张玉祝，KUAI Song-yan，TAN Guo-jun，Zhang Yu-zhu作者单位：蒯松岩,谭国俊,KUAI Song-yan,TAN Guo-jun(中国矿业大学,江苏,徐州,221008)，张玉祝,Zhang Yu-zhu(无锡稀捷科技有限公司,江苏,无锡,214000)刊名：低压电器英文刊名：LOW VOLTAGE APPARATUS年，卷(期)：2005(5)参考文献(5条)参考文献(5条)1.彭卫东;姬劳 C/OS-在TMS320LF2407上的植及应用期刊论文-单片机与嵌入式系统应用 2003(04)2.Texas Instruments Switched Reluctance Motor Control-Basic Operation and Example Using theTMS320F240 20003.BoseBK 电力电子与变频调速 20014.Labrosse J J;邵贝贝 C/OS-源码公开的实时嵌入式操作系统 20035.王宏华 开关磁阻电动机调速控制技术 1999 本文链接：http:/