基于NiosⅡ的直流電機PID調速控制系統

0 引言
以往的直流電機調速系統通常采用單片機或DSP進行控制，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，往往要對整個軟硬件進行重新設計，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系統時，一片DSP不能勝任，這時就需要再擴展一片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擔，又使系統實時性變壞，延長系統開發時間。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，可以直接通過軟件形式擴展成雙核乃至多核，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FPGA芯片上來實現整個直流電機控制系統，這樣無疑大大減小了控制器體積和重量，設計人員也可以在短時間內完成整個系統的制作，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算法對直流電機進行PWM閉環調速控制。并且利用硬件描述語言(VHDL)自行設計、生成PWM模塊和測速模塊，最后通過實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開發板作為開發平臺，采用SOPC技術通過在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軟核來構成該嵌入式系統處理器的接口功能模塊，借助于Avalon總線，實現對外圍PWM模塊、測速模塊、SDRAM、鍵盤等硬件的控制，FPGA通過Avalon總線對輸入模塊和輸出等模塊進行配置，整體功能框圖如圖1所示。

整個系統的主要工作流程如下：當系統啟動完成各單元初始化后，通過鍵盤輸入期望設定值，同時由光電編碼器采集實測轉速傳輸到測速模塊，通過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模塊對其進行閉環控制。最后在NiosⅡIDE上采集到實際輸出數據，并通過Matlab軟件畫出控制曲線波形圖，最后對實驗結果進行分析。
1．2 PWM模塊
系統中的自定制PWM模塊是通過寫VHDL代碼，經過仿真、編譯、管腳分配，最后生成PWM功能模塊。它在整個系統中的作用是：對實測轉速通過計算進行閉環控制。生成的PWM模塊如圖2所示。