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基于μC/OS-Ⅱ的變頻器變結構控制系統設計
摘要：介紹了抽油電機變頻器變結構控制系統功能原理，如何利用μC/OS-II的多任務(wù)功能實(shí)現控制系統的算法結構變換，操作系統的移植、多任務(wù)的建立和SDK下的軟件設計；最后總結了在應用中需注意的問(wèn)題。在油田生產(chǎn)中為了節省電能并減小故障率，變頻器得到越來(lái)越多的應用。但由于油井負載的非周期大脈動(dòng)性質(zhì)，從能量的流向來(lái)看，變頻器有兩種運行狀態(tài)——電動(dòng)運行和回饋制動(dòng)。不同運行狀態(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構控制。本應用是實(shí)現抽油電機變頻驅動(dòng)中的變結構控制，不同的控制結構通過(guò)任務(wù)間的切換實(shí)現。
系統控制核心采用DSP56F803，它是Motorola公司推出的16位DSP型微控制器，運算速度可達40MIPS，片內資源豐富，有強大的軟件支持，是嵌入式應用的理想選擇。本系統應用了其SPI、SCI、PWM、鍵盤(pán)中斷及通用I/O口等功能模塊。
1 系統設計
1.1 μC/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μC/OS-Ⅱ做好了鋪墊工作，與硬件相關(guān)的文件OS_CPU.H、OS_CPU_A.SM和OS_CPU_C.C已經(jīng)給出，只需購得系統源代碼，然后將其考入指定的文件目錄，系統的移植就完成了。本文采用最新版本μC/OS-ⅡV2.51。
系統移植成功后，需要對操作系統進(jìn)行配置(裁剪)，把用不到的功能去掉，以最大限度地節省存儲空間。這項工作是通過(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、信號量、互斥量等功能。在本應用中，μC/OS-Ⅱ內核經(jīng)過(guò)剪裁后只有3KB左右，相對DSP56F803的32KB內部程序Flash只用了不到十分之一。需注意的另一個(gè)關(guān)鍵設置是時(shí)鐘節拍中斷頻率Os_TICKS_PER_SEC，它是系統多任務(wù)運行所依賴(lài)的時(shí)間基準，也決定了任務(wù)重復調用的最快頻率。這里缺省設為1000，要比文獻[3]中的推薦值高出一個(gè)數量級。但實(shí)際應用表明，DSP56F803以其高運算速度在這個(gè)設置下是完全勝任的。
1.2 系統功能
根據油田生產(chǎn)的要求，系統要實(shí)現以下功能：鍵盤(pán)輸入、參數顯示、三相電流采集、直流側電壓采集、溫度采集、變頻指令輸出以及保護等。系統對電流、電壓、溫度進(jìn)行周期性采樣，采樣值經(jīng)過(guò)數字信號處理，作為控制器的參數，最后由控制算法得出控制量，經(jīng)PWM和D/A轉換器發(fā)送給變頻器，形成反饋閉環(huán)控制。系統運行過(guò)程中實(shí)時(shí)顯示電流、溫度等參數，并可以通過(guò)鍵盤(pán)對控制器進(jìn)行參數在線(xiàn)設定。另外，高溫、過(guò)流等保護功能必不可少。系統原理如圖1�？刂破鞲鶕绷鱾入娙軨上電壓的大小來(lái)確定以哪一種控制結構運行。當直流側電壓不超過(guò)設定值時(shí)，系統以電動(dòng)狀態(tài)運行。超過(guò)設定值時(shí)要以回饋制動(dòng)方式運行，要求兩種工作狀態(tài)要互鎖，切換要準確、及時(shí)。
1.3 任務(wù)的創(chuàng )建及變結構控制的實(shí)現
根據功能要求，本著(zhù)盡量減少任務(wù)數以減輕CPU運行負擔的原則，本文設計了AD采集、電動(dòng)運行、回饋制動(dòng)和顯示四個(gè)任務(wù)。另外還設計了兩個(gè)中斷服務(wù)子程序：用PortA口的中斷功能實(shí)現8個(gè)鍵盤(pán)輸入，用外部中斷IrqA實(shí)現短路、過(guò)流、缺相保護功能。
每個(gè)任務(wù)都有自己的名稱(chēng)、內存空間和優(yōu)先級。不同的任務(wù)必須有不同的優(yōu)先級，它們可以是0～62之間的任意值，數值越小優(yōu)先級越高。優(yōu)先級的設置有不同的依據，以本文為例，回饋運行任務(wù)對時(shí)間要求最苛刻，如果不能及時(shí)啟動(dòng)或過(guò)早結束都會(huì )對變頻器造成危害，所以其優(yōu)先級設為最高；AD采集任務(wù)運行最頻繁，必須為其它任務(wù)提供可靠的參數，優(yōu)先級設為次高；電動(dòng)運行任務(wù)是常規運行狀態(tài)，優(yōu)先級低于A(yíng)D采集任務(wù)；顯示任務(wù)只實(shí)現人機交互，顯示狀態(tài)和參數對控制器性能沒(méi)有直接影響，優(yōu)先級設為最低。μC/OS-Ⅱ要求為每個(gè)任務(wù)分配OS_STK類(lèi)型的堆�？臻g，并且它們占用的RAM存儲空間必須是連續的。
任務(wù)延時(shí)是指任務(wù)執行完畢處于掛起等待狀態(tài)到下一次重新運行之間的時(shí)間間隔，它的單位是時(shí)鐘中斷節拍。由于OS_TICKS_PER_SEC為1000，每一拍為lms。每個(gè)任務(wù)的調用間隔不能小于一個(gè)節拍，它將影響模擬量的采樣頻率。
各個(gè)任務(wù)的屬性定義如表1所示。
表1 各個(gè)任務(wù)的屬性定義
1.4 任務(wù)間的通信
各個(gè)任務(wù)是通過(guò)搶占CPU的使用權來(lái)運行的，它們之間存在一定的邏輯關(guān)系，彼此互相聯(lián)系又互相制約。信號量、郵箱、消息隊列等功能為實(shí)現任務(wù)間通信提供了有力工具，它們的使用方法靈活多變，如用信號量設置事件標志，喚醒任務(wù)、用郵箱在任務(wù)間傳遞參數、用消息隊列的循環(huán)尋址功能進(jìn)行模擬通道的數據采集等。本文設計了兩個(gè)信號量，在系統運行開(kāi)始后，任務(wù)TASK_AD檢測直流側電壓的大小。當電壓未超過(guò)設定值時(shí)，發(fā)出信號DC_NORM喚醒任務(wù)Task_NORMAL；當電壓高出設定值時(shí)，發(fā)出信號DC_OVER喚醒任務(wù)Task_FEBACK。雖然這兩個(gè)任務(wù)基于不同的控制結構，采用不同的算法，但都要使用PWM輸出和SPI通信口，所以在喚醒一個(gè)任務(wù)的同時(shí)必須讓另外一個(gè)任務(wù)掛起。這里引入了互斥型信號量T_MUTEX實(shí)現這個(gè)功能。得到T_MUTEX信號的任務(wù)將獨自占有共享資源的使用權，兩個(gè)任務(wù)不會(huì )因資源沖突而同時(shí)掛起，解決了任務(wù)間優(yōu)先級反轉問(wèn)題，避免了系統功能失效。任務(wù)間邏輯關(guān)系如圖2所示。
操作系統為任務(wù)間通信提供了多種途徑，但最簡(jiǎn)單有效的方法是共享全局變量。本文使用共享全局變量的方法實(shí)現了顯示任務(wù)與鍵盤(pán)中斷服務(wù)之間的通信，代碼如下：
鍵盤(pán)中斷：
static void KeyboardISR(void)
{
UWoMl6 cpu_sr；
OS_ENTE
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