基于NiosⅡ的直流電機(jī)PID調(diào)速控制系統(tǒng)

0 引言
    以往的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)通常采用單片機(jī)或DSP進(jìn)行控制，而單片機(jī)需要使用大量的外圍電路，且系統(tǒng)的可升級性差，如更換控制器，往往要對整個軟硬件進(jìn)行重新設(shè)計，可重用性不高。而采用DSP作為主要控制器，如果碰到處理多任務(wù)系統(tǒng)時，一片DSP不能勝任，這時就需要再擴(kuò)展一片DSP或者FPGA芯片來輔助控制，從而實行雙芯片控制模式。但這樣做，既增加了兩個處理器之間同步和通信的負(fù)擔(dān)，又使系統(tǒng)實時性變壞，延長系統(tǒng)開發(fā)時間。基于以上此類問題，本文提出了采用Altera公司推出的NiosⅡ軟核來控制直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，它的好處在于Ni-osⅡ?qū)儆谲浐颂幚砥鳎梢灾苯油ㄟ^軟件形式擴(kuò)展成雙核乃至多核，無需外加芯片；再者NiosⅡ軟核處理器和所有外圍電路可以集成到一片F(xiàn)PGA芯片上來實現(xiàn)整個直流電機(jī)控制系統(tǒng)，這樣無疑大大減小了控制器體積和重量，設(shè)計人員也可以在短時間內(nèi)完成整個系統(tǒng)的制作，提高了工作效率。
    本文利用Altera公司的FPGA芯片EP2C35F672C6作為系統(tǒng)控制器，采用數(shù)字PID算法對直流電機(jī)進(jìn)行PWM閉環(huán)調(diào)速控制。并且利用硬件描述語言(VHDL)自行設(shè)計、生成PWM模塊和測速模塊，最后通過實驗驗證了該系統(tǒng)的可行性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
1．1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案
    選用Altera公司的DE2開發(fā)板作為開發(fā)平臺，采用SOPC技術(shù)通過在FPGA中植入嵌入式系統(tǒng)處理器NiosⅡ作為核心控制電路，利用FPGA中的可編程邏輯資源和IP軟核來構(gòu)成該嵌入式系統(tǒng)處理器的接口功能模塊，借助于Avalon總線，實現(xiàn)對外圍PWM模塊、測速模塊、SDRAM、鍵盤等硬件的控制，F(xiàn)PGA通過Avalon總線對輸入模塊和輸出等模塊進(jìn)行配置，整體功能框圖如圖1所示。

    整個系統(tǒng)的主要工作流程如下：當(dāng)系統(tǒng)啟動完成各單元初始化后，通過鍵盤輸入期望設(shè)定值，同時由光電編碼器采集實測轉(zhuǎn)速傳輸?shù)綔y速模塊，通過NiosⅡ處理器處理電機(jī)PID控制算法，并將計算后的數(shù)據(jù)傳輸給自定制的PWM模塊對其進(jìn)行閉環(huán)控制。最后在NiosⅡIDE上采集到實際輸出數(shù)據(jù)，并通過Matlab軟件畫出控制曲線波形圖，最后對實驗結(jié)果進(jìn)行分析。
1．2 PWM模塊
    系統(tǒng)中的自定制PWM模塊是通過寫VHDL代碼，經(jīng)過仿真、編譯、管腳分配，最后生成PWM功能模塊。它在整個系統(tǒng)中的作用是：對實測轉(zhuǎn)速通過計算進(jìn)行閉環(huán)控制。生成的PWM模塊如圖2所示。

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    圖2中：clk為時鐘信號端；sta用來控制直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)；conword為占空比信號；PWM_A表示直流電機(jī)處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)時的占空比輸出；PWM_B表示直流電機(jī)處于反轉(zhuǎn)時的占空比輸出。
    PWM模塊的原理如下：將時鐘源50 MHz的基頻信號64分頻，作為PWM模塊的基頻信號，以256個該基頻脈沖信號作為PWM輸出的一個周期，由NiosⅡ處理器給出的conword的值指定一個PWM周期內(nèi)高電平持續(xù)時間，改變conword的值即刻改變占空比輸出的值。
1．3 測速模塊
    系統(tǒng)中的測速模塊生成方式如PWM模塊，它在整個系統(tǒng)中的作用如下：主要是利用基頻的周期來計算光柵信號的周期，算出直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，其生成的模塊如圖3所示。
    圖3中：clk為時鐘信號端；en為使能信號，即表示光柵有效；dout表示光櫥有效時間。
    測速模塊的原理如下：給出已知頻率的基頻，用光柵作為門限，測基頻脈沖的個數(shù)，由基頻的周期來計算光柵信號的周期，再算出轉(zhuǎn)速，電機(jī)控制算法即根據(jù)測速模塊測出的速度進(jìn)行算法調(diào)整，達(dá)到閉環(huán)控制的效果。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    本次設(shè)計的軟件主要分為兩部分：
    (1)利用QuartusⅡ7．2完成NiosⅡ系統(tǒng)的構(gòu)建：利用SOPC Builder構(gòu)建NiosⅡCPU；使用VHDL編寫各控制模塊。
    (2)利用NiosⅡIDE完成系統(tǒng)控制與控制算法編寫，主要使用C語言進(jìn)行控制與算法編寫；對直流電機(jī)進(jìn)行成功控制后，在NiosⅡIDE上采集輸出轉(zhuǎn)速的實測數(shù)據(jù)，將其導(dǎo)入Matlab畫出控制效果圖，整體軟件框圖如圖4所示。

    本次設(shè)計使用SOPC Builder組建的NiosⅡ嵌入式系統(tǒng)，如圖5所示。該系統(tǒng)除了配置NiosⅡ最小系統(tǒng)的CPU核NiosII CPU，Avalon總線，使用FPGA資源例化的存儲器之外，還有以下外接設(shè)備的控制單元：
    (1)SDRAM Controller；
    (2)Common Flash Interface；
    (3)JTAG UART；
    (4)鎖相環(huán)PLL；
    (5)Interval Timer；
    (6)通用I／O接口，包括PWM模塊接口conw，msta和測速模塊接口speed，按鈕接口button。
    對于SOPC Builder組建的NiosⅡ系統(tǒng)，可以在QuartusⅡ軟件方便地調(diào)用，在QuartusⅡ中Block Diagram設(shè)計調(diào)用NiosⅡ系統(tǒng)的框圖如圖6所示。給該系統(tǒng)配備工作時鐘，并分配FPGA的I／O管腳，程序經(jīng)綜合，布局，仿真之后，就可將配置文件通過各種配置方法下載到FPGA上。本文使用JTAG+AS方式配置，通過USB Blaster下載電纜線將計算機(jī)USB接口與FPGA的JTAG口相連，把配置文件從計算機(jī)下載到FPGA中，這樣就完成了系統(tǒng)的軟件設(shè)計。

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3 實驗與數(shù)據(jù)分析
3．1 測試系統(tǒng)
    測試系統(tǒng)由一個額定電壓為2．5 V的直流有刷電機(jī)和Altera公司的DE2開發(fā)板組成。電機(jī)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)為：額定電壓為2．5 V，額定功率為O．065 W，額定轉(zhuǎn)速為2 150 r／min，空載轉(zhuǎn)速為2 650 r／min。
    整個測試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1中所示，其工作流程在前文中有詳細(xì)介紹。
3．2 實驗結(jié)果及分析
    將直流電機(jī)增量式PID算法以C語言的形式寫入NiosⅡIDE中，調(diào)試后將其采集到的實測數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab，畫出時間與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系圖形如圖7～圖9所示。

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    (1)比例(P)控制
    取采樣周期T=0．1 s，KP=0．5，實驗結(jié)果如圖7所示。
    在P控制中，比例環(huán)節(jié)的作用是對偏差作出快速響應(yīng)，Kp，越大，控制能力越強(qiáng)，但跟過大的Kp會增大超調(diào)量，另外比例環(huán)節(jié)可以減少穩(wěn)態(tài)誤差，但不能完全消除。從圖7中可以看出比例環(huán)節(jié)使得電機(jī)的轉(zhuǎn)速從零提升到設(shè)定值的過程比較快，但出現(xiàn)了比較明顯的超調(diào)，且存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差。
    (2)比例積分(PI)控制取采樣周期T=O．1 s，Kp=0．5，T1=2，實驗結(jié)果如圖8所示。
    在PI控制中，積分環(huán)節(jié)的作用的是消除累計下來的偏差(即穩(wěn)態(tài)誤差)，在控制過程中，只要有偏差存在，積分環(huán)節(jié)的輸出就不斷增大，直到偏差為零，輸出才可能穩(wěn)定在某一值上。但積分環(huán)節(jié)會降低響應(yīng)速度，增加超調(diào)量，T1越大，積分作用越弱。從圖8中可以看出，在比例環(huán)節(jié)上加上積分環(huán)節(jié)，先前的穩(wěn)態(tài)誤差得到消除，電機(jī)轉(zhuǎn)速趨于設(shè)定值，但同時也增加了另一段超調(diào)量。
    (3)比例積分微分(PID)控制取采樣周期T=O．1 s，Kp=O．5，T1=2，TD=O．1，實驗結(jié)果如圖9所示。

    在PID控制中，微分作用是根據(jù)偏差的變化趨勢進(jìn)行控制的，偏差變化得越快，微分環(huán)節(jié)輸出就越大，并且能在偏差值變大前進(jìn)行修正。微分環(huán)節(jié)有利于減小超調(diào)量，克服振蕩，TD越大，微分作用越大。從圖9中可以看出，加入微分環(huán)節(jié)后，超調(diào)量明顯得到有效抑制。
    從圖7～圖9中可以看出，用PID控制算法控制基于NiosⅡ的直流電機(jī)控制效果還是不錯的，有一定的穩(wěn)定性，即便在轉(zhuǎn)速出現(xiàn)跳變時，也能進(jìn)行良好的跟蹤。PID控制算法已經(jīng)相當(dāng)成熟，參數(shù)可以通過整定很容易得到，實驗表明，此方案具有一定的可行性。

4 結(jié)語
    提出一種直流電機(jī)的新型控制方式，即利用NiosⅡ軟核和FPGA芯片對其控制。通過實驗驗證，將PID增量式算法應(yīng)用到此系統(tǒng)中，能進(jìn)行良好的閉環(huán)控制。在電機(jī)控制中如遇更復(fù)雜的電機(jī)，如無刷電機(jī)等，用NiosⅡ軟核進(jìn)行控制，可以將其擴(kuò)展為雙核乃至多核，一個CPU用來控制算法，另一個CPU用來控制外圍系統(tǒng)，互不干擾，發(fā)揮NiosⅡ處理器的最大優(yōu)勢。