基于DSP的電子節氣門(mén)PID控制

　　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。