基于NiosⅡ軟核處理器的電機調速控制系統

引言

　　以往的直流電機調速系統通常采用單片機或DSP進(jìn)行控制，而單片機需要使用大量的外圍電路，且系統的可升級性差，如更換控制器，往往要對整個(gè)軟硬件進(jìn)行重新設計，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)系統時(shí)，一片DSP不能勝任，這時(shí)就需要再擴展一片DSP或者FPGA芯片來(lái)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擔，又使系統實(shí)時(shí)性變壞，延長(cháng)系統開(kāi)發(fā)時(shí)間?；谝陨洗祟?lèi)問(wèn)題，本文提出了采用Altera公司推出的NiosⅡ軟核來(lái)控制直流電機調速系統，它的好處在于Ni-osⅡ屬于軟核處理器，可以直接通過(guò)軟件形式擴展成雙核乃至多核，無(wú)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FPGA芯片上來(lái)實(shí)現整個(gè)直流電機控制系統，這樣無(wú)疑大大減小了控制器體積和重量，設計人員也可以在短時(shí)間內完成整個(gè)系統的制作，提高了工作效率。

　　本文利用Altera公司的FPGA芯片EP2C35F672C6作為系統控制器，采用數字PID算法對直流電機進(jìn)行PWM閉環(huán)調速控制。并且利用硬件描述語(yǔ)言(VHDL)自行設計、生成PWM模塊和測速模塊，最后通過(guò)實(shí)驗驗證了該系統的可行性。

　　1 系統硬件設計

　　1.1 系統總體設計方案

　　選用Altera公司的DE2開(kāi)發(fā)板作為開(kāi)發(fā)平臺，采用SOPC技術(shù)通過(guò)在FPGA中植入嵌入式系統處理器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(lái)構成該嵌入式系統處理器的接口功能模塊，借助于A(yíng)valon總線(xiàn)，實(shí)現對外圍PWM模塊、測速模塊、SDRAM、鍵盤(pán)等硬件的控制，FPGA通過(guò)Avalon總線(xiàn)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(gè)系統的主要工作流程如下：當系統啟動(dòng)完成各單元初始化后，通過(guò)鍵盤(pán)輸入期望設定值，同時(shí)由光電編碼器采集實(shí)測轉速傳輸到測速模塊，通過(guò)NiosⅡ處理器處理電機PID控制算法，并將計算后的數據傳輸給自定制的PWM模塊對其進(jìn)行閉環(huán)控制。最后在NiosⅡIDE上采集到實(shí)際輸出數據，并通過(guò)Matlab軟件畫(huà)出控制曲線(xiàn)波形圖，最后對實(shí)驗結果進(jìn)行分析。

　　1.2 PWM模塊

　　系統中的自定制PWM模塊是通過(guò)寫(xiě)VHDL代碼，經(jīng)過(guò)仿真、編譯、管腳分配，最后生成PWM功能模塊。它在整個(gè)系統中的作用是：對實(shí)測轉速通過(guò)計算進(jìn)行閉環(huán)控制。生成的PWM模塊如圖2所示。

圖2中：clk為時(shí)鐘信號端;sta用來(lái)控制直流電機正反轉;conword為占空比信號;PWM_A表示直流電機處于正轉狀態(tài)時(shí)的占空比輸出;PWM_B表示直流電機處于反轉時(shí)的占空比輸出。

　　PWM模塊的原理如下：將時(shí)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(gè)該基頻脈沖信號作為PWM輸出的一個(gè)周期，由NiosⅡ處理器給出的conword的值指定一個(gè)PWM周期內高電平持續時(shí)間，改變conword的值即刻改變占空比輸出的值。

　　1.3 測速模塊

　　系統中的測速模塊生成方式如PWM模塊，它在整個(gè)系統中的作用如下：主要是利用基頻的周期來(lái)計算光柵信號的周期，算出直流電機的轉速，其生成的模塊如圖3所示。

圖3中：clk為時(shí)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(shí)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(mén)限，測基頻脈沖的個(gè)數，由基頻的周期來(lái)計算光柵信號的周期，再算出轉速，電機控制算法即根據測速模塊測出的速度進(jìn)行算法調整，達到閉環(huán)控制的效果。

　　2 系統軟件設計

　　本次設計的軟件主要分為兩部分：

　　(1)利用QuartusⅡ7.2完成NiosⅡ系統的構建：利用SOPC Builder構建NiosⅡCPU;使用VHDL編寫(xiě)各控制模塊。

　　(2)利用NiosⅡIDE完成系統控制與控制算法編寫(xiě)，主要使用C語(yǔ)言進(jìn)行控制與算法編寫(xiě);對直流電機進(jìn)行成功控制后，在NiosⅡIDE上采集輸出轉速的實(shí)測數據，將其導入Matlab畫(huà)出控制效果圖，整體軟件框圖如圖4所示。

本次設計使用SOPC Builder組建的NiosⅡ嵌入式系統，如圖5所示。該系統除了配置NiosⅡ最小系統的CPU核NiosII CPU，Avalon總線(xiàn)，使用FPGA資源例化的存儲器之外，還有以下外接設備的控制單元：

　　(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，可以在QuartusⅡ軟件方便地調用，在QuartusⅡ中Block Diagram設計調用NiosⅡ系統的框圖如圖6所示。給該系統配備工作時(shí)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(guò)各種配置方法下載到FPGA上。本文使用JTAG+AS方式配置，通過(guò)USB Blaster下載電纜線(xiàn)將計算機USB接口與FPGA的JTAG口相連，把配置文件從計算機下載到FPGA中，這樣就完成了系統的軟件設計。


　3 實(shí)驗與數據分析

　　3.1 測試系統

　　測試系統由一個(gè)額定電壓為2.5 V的直流有刷電機和Altera公司的DE2開(kāi)發(fā)板組成。電機相關(guān)技術(shù)指標為：額定電壓為2.5 V，額定功率為O.065 W，額定轉速為2 150 r/min，空載轉速為2 650 r/min。

　　整個(gè)測試系統的硬件結構圖如圖1中所示，其工作流程在前文中有詳細介紹。

　　3.2 實(shí)驗結果及分析

　　將直流電機增量式PID算法以C語(yǔ)言的形式寫(xiě)入NiosⅡIDE中，調試后將其采集到的實(shí)測數據導入Matlab，畫(huà)出時(shí)間與轉速之間的關(guān)系圖形如圖7～圖9所示。

　　(1)比例(P)控制

　　取采樣周期T=0.1 s，KP=0.5，實(shí)驗結果如圖7所示。

在P控制中，比例環(huán)節的作用是對偏差作出快速響應，Kp，越大，控制能力越強，但跟過(guò)大的Kp會(huì )增大超調量，另外比例環(huán)節可以減少穩態(tài)誤差，但不能完全消除。從圖7中可以看出比例環(huán)節使得電機的轉速從零提升到設定值的過(guò)程比較快，但出現了比較明顯的超調，且存在一定的穩態(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(shí)驗結果如圖8所示。

在PI控制中，積分環(huán)節的作用的是消除累計下來(lái)的偏差(即穩態(tài)誤差)，在控制過(guò)程中，只要有偏差存在，積分環(huán)節的輸出就不斷增大，直到偏差為零，輸出才可能穩定在某一值上。但積分環(huán)節會(huì )降低響應速度，增加超調量，T1越大，積分作用越弱。從圖8中可以看出，在比例環(huán)節上加上積分環(huán)節，先前的穩態(tài)誤差得到消除，電機轉速趨于設定值，但同時(shí)也增加了另一段超調量。

　　(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(shí)驗結果如圖9所示。

在PID控制中，微分作用是根據偏差的變化趨勢進(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)節有利于減小超調量，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)節后，超調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的直流電機控制效果還是不錯的，有一定的穩定性，即便在轉速出現跳變時(shí)，也能進(jìn)行良好的跟蹤。PID控制算法已經(jīng)相當成熟，參數可以通過(guò)整定很容易得到，實(shí)驗表明，此方案具有一定的可行性。

　　4 結語(yǔ)

　　提出一種直流電機的新型控制方式，即利用NiosⅡ軟核和FPGA芯片對其控制。通過(guò)實(shí)驗驗證，將PID增量式算法應用到此系統中，能進(jìn)行良好的閉環(huán)控制。在電機控制中如遇更復雜的電機，如無(wú)刷電機等，用NiosⅡ軟核進(jìn)行控制，可以將其擴展為雙核乃至多核，一個(gè)CPU用來(lái)控制算法，另一個(gè)CPU用來(lái)控制外圍系統，互不干擾，發(fā)揮NiosⅡ處理器的最大優(yōu)勢。