基于NiosⅡ的直流電機PID調速控制系統設計與應用方案

　　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。

　　圖2中：clk為時鐘信號端;sta用來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時的占空比輸出;PWM_B表示直流電機處于反轉時的占空比輸出。

　　PWM模塊的原理如下：將時鐘源50 MHz的基頻信號64分頻，作為PWM模塊的基頻信號，以256個該基頻脈沖信號作為PWM輸出的一個周期，由NiosⅡ處理器給出的conword的值指定一個PWM周期內高電平持續時間，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，它在整個系統中的作用如下：主要是利用基頻的周期來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，用光柵作為門限，測基頻脈沖的個數，由基頻的周期來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行算法調整，達到閉環控制的效果。

　　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編寫各控制模塊。

　　(2)利用NiosⅡIDE完成系統控制與控制算法編寫，主要使用C語言進行控制與算法編寫;對直流電機進行成功控制后，在NiosⅡIDE上采集輸出轉速的實測數據，將其導入Matlab畫出控制效果圖，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，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鐘，并分配FPGA的I/O管腳，程序經綜合，布局，仿真之后，就可將配置文件通過各種配置方法下載到FPGA上。本文使用JTAG+AS方式配置，通過USB Blaster下載電纜線將計算機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。