摘要：變頻調速系統(tǒng)以其節(jié)能顯著、過載能力強等自身的優(yōu)點在交流傳動領域應用非常廣泛。本文采用以智能功率模塊構成變頻調速控制系統(tǒng)主電路中的逆變電路和以處理器為控制核心組成變頻調速控制系統(tǒng)。首先,對μC操作系統(tǒng)和處理器進行簡單的介紹;其次闡述了PWM脈寬調制的變頻調速控制系統(tǒng)的硬件設計和工作原理;最后給出變頻調速控制系統(tǒng)的軟件設計過程:介紹引導程序Bootloader的啟動過程、建立μC操作系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境和實現PWM脈寬調制模塊驅動程序。

　　1 引言

　　20 世紀后半葉，變頻調速技術[1]的出現和日益完善，成為電力拖動領域的一個重大事件。由于變頻調速技術的發(fā)展，使結構簡單牢固、價格低廉、應用普及的交流異步有了性能良好的調速手段。

　　近 10 年來，隨著電力電子技術、計算機技術、技術的迅速發(fā)展，電氣傳動技術面臨著一場歷史革命，即交流調速取代直流調速和計算機數字控制技術取代模擬控制技術已成為發(fā)展趨勢。交流異步電機變頻調速技術是當今節(jié)電、改善工藝流程以提高產品質量和改善環(huán)境、推動技術進步的一種主要手段。變頻調速以其優(yōu)異的調速和起制動性能，高效率、高功率因數和節(jié)間效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點而被國內外公認為最有發(fā)展前途的調速方式。

　　ARM 技術是嵌入式系統(tǒng)方面的主流技術。目前市場上ARM 芯片速度可達幾百兆，以它為主控芯片可在硬件上實現高速、高精度且具有一定處理能力的變頻調速控制系統(tǒng)。本系1統(tǒng)采用 公司的 處理器，結合嵌入式μClinux 操作系統(tǒng)來實現其功能。嵌入式μClinux 操作系統(tǒng)提供了豐富的驅動資源。 處理器具有豐富的接口資源，能夠滿足變頻調速控制系統(tǒng)的設計要求。

　　2 系統(tǒng)硬件的工作原理

　　圖 1 為變頻調速控制系統(tǒng)的硬件設計和工作原理圖。系統(tǒng)的硬件設計主要有ARM 處理器模塊、以太網模塊、鍵盤輸入模塊、 模塊、數據采集模塊、A/D 模數轉換模塊和PWM 脈寬調制模塊7 部分。ARM 處理器模塊主要包括2292 處理器、、、、實時時鐘模塊和其它輔助電路構成。ARM 處理器模塊是變頻調速控制系統(tǒng)的核心處理單元，以LPC2292 為控制核心；以太網口接口模塊[2]主要負責變頻調速控制系統(tǒng)進行遠程控制和監(jiān)視；鍵盤模塊負責工作參數的設置輸入，以及工作狀態(tài)的切換； 模塊負責當前設置和工作狀態(tài)的顯示，同時顯示時鐘日歷等，實時時鐘通過I2C總線與LPC2292 連接；數據采集模塊主要負責從外部采集信息；A/D 模數轉換模塊主要是負責將數據采集模塊采集來的模擬信號轉換成數字信號；PWM 脈寬調制模塊主要負責通過IPM 職能功率模塊對交流異步電機進行變頻調速。

圖 1 變頻調速控制系統(tǒng)的硬件設計和工作原理圖

　　LPC2292 處理器是變頻調速控制系統(tǒng)的核心處理單元。數據采集模塊采集的模擬信號經A/D 模塊量化后數據參數傳入ROM 中的嵌入式μClinux 操作系統(tǒng)的應用程序中，應用程序根據數據在通過PWM 脈寬調制模塊控制輸出頻率，從而再通過IPM 智能功率模塊對交流異步電機進行變頻調速。

　　3 系統(tǒng)軟件平臺設計

　　系統(tǒng)軟件平臺設計主要使用C語言和ARM匯編語言。系統(tǒng)軟件平臺設計主要包括3個方面：啟動引導程序Bootloader；建立μC操作系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境；PWM脈沖寬度調制模塊驅動程序的實現。

　　3.1 啟動引導程序Bootloader

　　引導程序Bootloader 是在操作系統(tǒng)運行之前執(zhí)行的一段程序[3]。它主要實現的功能包括：初始化CPU 運行的時鐘頻率；初始化 和內存的數據寬度，讀寫訪問周期和刷新周期；初始化中斷系統(tǒng)；初始化系統(tǒng)中各種片內、片外設備和I/O 端口；初始化系統(tǒng)各種運行模式下的寄存器和堆棧；加載和引導μCLinux 操作系統(tǒng)。

　　3.2 建立μCLinux 操作系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境

　　μCLinux 操作系統(tǒng)沿襲了傳統(tǒng)Linux 操作系統(tǒng)的主要特性，包括穩(wěn)定、強大的網絡和文件系統(tǒng)支持；建立μCLinux 操作系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境主要包括3 個步驟：建立CLinux 操作系統(tǒng)的交叉編譯環(huán)境、μCLinux 操作系統(tǒng)的編譯和μCLinux 操作系統(tǒng)的加載。

　　3.3 PWM脈寬調制驅動程序的開發(fā)

　　設備驅動程序是操作系統(tǒng)內核和硬件之間的接口，它作為應用設備之間的軟件層, 為應用程序屏蔽了硬件的細節(jié)。在μCLinux操作系統(tǒng)下開發(fā)字符設備驅動程序，主要有如下幾個步驟：（1）設置驅動程序的設備號。（2）實現保存設備信息的結構體中的部分函數。（3）實現驅動程序的初始化函數和清除函數。

　　PWM脈寬調制驅動程序屬于字符設備驅動程序，因此PWM脈寬調制驅動程序遵循上述的開發(fā)步驟。

　　3.3.1設置PWM驅動程序的設備號

　　PWM脈寬調制驅動程序要先建立文件設備的主設備號和從設備號。PWM驅動程序默認的主設備號為125，沒有使用從設備號。因此，需要建立1個設備文件，起主設備號為125，從設備號可任意選擇，文件名可定為PWM。建立設備文件的程序清單如下：

　　程序清單3.2 建立設備文件程序

　　mknod /dev/PWM c 125 0

　　3.3.2實現保存設備信息的結構體中的部分函數

　　PWM驅動程序屬于字符設備的驅動程序。PWM驅動程序要建立保存設備信息的結構體。PWM驅動程序的結構體如下：因為PWM驅動程序僅需要實現( )、( )和( )函數，所以PWM驅動不能使用標準C的庫函數來訪問，只能使用內核提供給應用程序的接口函數來訪問。

　　從此函數接口看, 我們實現PWM設備的打開、釋放和控制。函數( *pathname , int flags)主要實現對PWM設備的打開；函數(int fd )主要實現對PWM設備的關閉；函數(int fd , unsigned int cmd , … )主要實現對PWM脈寬調制設備輸出頻率和占空比的控制。

　　PWM脈寬調制驅動程序最重要的功能是控制PWM輸出的頻率和占空比。PWM脈寬調制驅動程序輸出的頻率可以通過命令PWM_SET_CYC設置PWM脈寬調制頻率。實際上是以VPB總線周期為單位設置PWM脈寬調制的周期。頻率是周期的倒數，所以也就設置了頻率。PWM脈寬調制驅動程序知道PWM脈寬調制的輸出頻率和高電平時間，就可以計算占空比。因此，設置再設置高電平時間就可以計算占空比。PWM脈寬調制驅動程序可以用PWM_1_SET_DUYY、PWM_1_SET_DUYY等命令設置高電平時間。

　　3.3.3實現驅動程序的初始化函數和清除函數

　　μCLinux操作系統(tǒng)在加載內核模塊時會調用驅動程序的初始化函數，在卸載內核模塊時調用驅動程序的清除函數。PWM驅動程序的初始化函數和清除函數程序代碼如下：

　　程序清單3.3 PWM驅動程序初始化函數代碼

　　int pwm_(void){

　　3.3.4為PWM脈寬調制驅動程序添加中斷服務程序

　　μCLinux操作系統(tǒng)內核具有中斷管理功能，因此中斷服務程序必須按照其規(guī)范使用。μCLinux操作系統(tǒng)在使用中斷服務程序之前，需要向內核注冊中斷服務程序；不再使用中斷服務程序時，需要注銷中斷服務程序。注冊中斷服務程序通過調用函數request_irq( )實現。通常申請中斷返回值為0表示成功，或者返回一個負的錯誤碼。函數返回-EBUSY，表示另一個設備程序已使用了要申請信號線。注銷中斷服務程序通過調用_irq( )實現。

　　3.3.5編譯和測試驅動程序

　　PWM驅動程序源代碼編寫成功后，需要把它編譯進內核。當用戶需要打開設備時，還需要一個在/dev目錄的設備文件名稱，這樣驅動程序才能工作。最后經過編譯得到zImage 內核壓縮文件。用引導程序Bootloader通過串口或者以太網接口將zImage文件引導到LPC2292處理器上片外上進行調試。

　　4 結束語

　　嵌入式系統(tǒng)具有低功耗、可靠性高等突出優(yōu)點。采用嵌入式系統(tǒng)來設計和實現變頻調速控制系統(tǒng)，使得變頻調速控制系統(tǒng)可靠性高、性能強、實時性好，將以太網接口集成與變頻調速系統(tǒng)中，使得對變頻調速系統(tǒng)的遠程控制和監(jiān)視變得簡單易行。因此，研制一個帶以太網接口的嵌入式變頻調速控制系統(tǒng)具有重要的科學意義和價值。