基于NiosⅡ的直流電機PID調速控制系統設計與應用方案

　　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=0.1 s，Kp=0.5，T1=2，TD=0.1，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。