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(jí)性差，如更換控制器，往往要對(duì)整個(gè)軟硬件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，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(shí)，一片DSP不能勝任，這時(shí)就需要再擴(kuò)展一片DSP或者FPGA芯片來輔助控制，從而實(shí)行雙芯片控制模式。但這樣做，既增加了兩個(gè)處理器之間同步和通信的負(fù)擔(dān)，又使系統(tǒng)實(shí)時(shí)性變壞，延長系統(tǒng)開發(fā)時(shí)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(shí)現(xiàn)整個(gè)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(jì)人員也可以在短時(shí)間內(nèi)完成整個(gè)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(duì)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(jì)、生成PWM模塊和測(cè)速模塊，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
選用Altera公司的DE2開發(fā)板作為開發(fā)平臺(tái)，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(shí)現(xiàn)對(duì)外圍PWM模塊、測(cè)速模塊、SDRAM、鍵盤等硬件的控制，F(xiàn)PGA通過Avalon總線對(duì)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(gè)系統(tǒng)的主要工作流程如下：當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)完成各單元初始化后，通過鍵盤輸入期望設(shè)定值，同時(shí)由光電編碼器采集實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速傳輸?shù)綔y(cè)速模塊，通過NiosⅡ處理器處理電機(jī)PID控制算法，并將計(jì)算后的數(shù)據(jù)傳輸給自定制的PWM模塊對(duì)其進(jìn)行閉環(huán)控制。最后在NiosⅡIDE上采集到實(shí)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(duì)實(shí)驗(yàn)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(gè)系統(tǒng)中的作用是：對(duì)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速通過計(jì)算進(jìn)行閉環(huán)控制。生成的PWM模塊如圖2所示。