0 引言

　　以往的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)通常采用單片機(jī)或DSP進(jìn)行控制,，而單片機(jī)需要使用大量的外圍電路,，且系統(tǒng)的可升級(jí)性差,，如更換控制器,，往往要對(duì)整個(gè)軟硬件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，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(tǒng)時(shí)，一片DSP不能勝任,，這時(shí)就需要再擴(kuò)展一片DSP或者FPGA芯片來輔助控制,，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(fù)擔(dān),，又使系統(tǒng)實(shí)時(shí)性變壞，延長(zhǎng)系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間,?；谝陨洗祟悊栴}，本文提出了采用Altera公司推出的NiosⅡ軟核來控制直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng),，它的好處在于Ni-osⅡ?qū)儆谲浐颂幚砥?，可以直接通過軟件形式擴(kuò)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F(xiàn)PGA芯片上來實(shí)現(xiàn)整個(gè)直流電機(jī)控制系統(tǒng),，這樣無疑大大減小了控制器體積和重量,，設(shè)計(jì)人員也可以在短時(shí)間內(nèi)完成整個(gè)系統(tǒng)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(tǒng)控制器,，采用數(shù)字PID算法對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行PWM閉環(huán)調(diào)速控制。并且利用硬件描述語言（VHDL）自行設(shè)計(jì),、生成PWM模塊和測(cè)速模塊,，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　1．1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　選用Altera公司的DE2開發(fā)板作為開發(fā)平臺(tái),，采用SOPC技術(shù)通過在FPGA中植入嵌入式系統(tǒng)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(gòu)成該嵌入式系統(tǒng)處理器的接口功能模塊，借助于Avalon總線,，實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍PWM模塊,、測(cè)速模塊、SDRAM,、鍵盤等硬件的控制,，F(xiàn)PGA通過Avalon總線對(duì)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(tǒng)的主要工作流程如下：當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)完成各單元初始化后,，通過鍵盤輸入期望設(shè)定值，同時(shí)由光電編碼器采集實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速傳輸?shù)綔y(cè)速模塊,，通過NiosⅡ處理器處理電機(jī)PID控制算法,，并將計(jì)算后的數(shù)據(jù)傳輸給自定制的PWM模塊對(duì)其進(jìn)行閉環(huán)控制。最后在NiosⅡIDE上采集到實(shí)際輸出數(shù)據(jù),，并通過Matlab軟件畫出控制曲線波形圖,，最后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

　　0 引言

　　以往的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)通常采用單片機(jī)或DSP進(jìn)行控制,，而單片機(jī)需要使用大量的外圍電路,，且系統(tǒng)的可升級(jí)性差，如更換控制器,，往往要對(duì)整個(gè)軟硬件進(jìn)行重新設(shè)計(jì),，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(tǒng)時(shí),，一片DSP不能勝任，這時(shí)就需要再擴(kuò)展一片DSP或者FPGA芯片來輔助控制,，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(fù)擔(dān)，又使系統(tǒng)實(shí)時(shí)性變壞,，延長(zhǎng)系統(tǒng)開發(fā)時(shí)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(jī)調(diào)速系統(tǒng),，它的好處在于Ni-osⅡ?qū)儆谲浐颂幚砥鳎梢灾苯油ㄟ^軟件形式擴(kuò)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F(xiàn)PGA芯片上來實(shí)現(xiàn)整個(gè)直流電機(jī)控制系統(tǒng)，這樣無疑大大減小了控制器體積和重量,，設(shè)計(jì)人員也可以在短時(shí)間內(nèi)完成整個(gè)系統(tǒng)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(tǒng)控制器,，采用數(shù)字PID算法對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行PWM閉環(huán)調(diào)速控制,。并且利用硬件描述語言（VHDL）自行設(shè)計(jì)、生成PWM模塊和測(cè)速模塊,，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　1．1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　選用Altera公司的DE2開發(fā)板作為開發(fā)平臺(tái),，采用SOPC技術(shù)通過在FPGA中植入嵌入式系統(tǒng)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(gòu)成該嵌入式系統(tǒng)處理器的接口功能模塊，借助于Avalon總線,，實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍PWM模塊,、測(cè)速模塊、SDRAM,、鍵盤等硬件的控制,，F(xiàn)PGA通過Avalon總線對(duì)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(tǒng)的主要工作流程如下：當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)完成各單元初始化后,，通過鍵盤輸入期望設(shè)定值，同時(shí)由光電編碼器采集實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速傳輸?shù)綔y(cè)速模塊,，通過NiosⅡ處理器處理電機(jī)PID控制算法,，并將計(jì)算后的數(shù)據(jù)傳輸給自定制的PWM模塊對(duì)其進(jìn)行閉環(huán)控制。最后在NiosⅡIDE上采集到實(shí)際輸出數(shù)據(jù),，并通過Matlab軟件畫出控制曲線波形圖,，最后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

　　1．2 PWM模塊

　　系統(tǒng)中的自定制PWM模塊是通過寫VHDL代碼,，經(jīng)過仿真,、編譯,、管腳分配，最后生成PWM功能模塊,。它在整個(gè)系統(tǒng)中的作用是：對(duì)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速通過計(jì)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(hào)端,；sta用來控制直流電機(jī)正反轉(zhuǎn),；conword為占空比信號(hào)；PWM_A表示直流電機(jī)處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)的占空比輸出,；PWM_B表示直流電機(jī)處于反轉(zhuǎn)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(hào)64分頻，作為PWM模塊的基頻信號(hào),，以256個(gè)該基頻脈沖信號(hào)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(nèi)高電平持續(xù)時(shí)間，改變conword的值即刻改變占空比輸出的值,。

　　1．3 測(cè)速模塊

　　系統(tǒng)中的測(cè)速模塊生成方式如PWM模塊,，它在整個(gè)系統(tǒng)中的作用如下：主要是利用基頻的周期來計(jì)算光柵信號(hào)的周期，算出直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速,，其生成的模塊如圖3所示,。

　　圖3中：clk為時(shí)鐘信號(hào)端；en為使能信號(hào),，即表示光柵有效,；dout表示光櫥有效時(shí)間。

　　測(cè)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(cè)基頻脈沖的個(gè)數(shù)，由基頻的周期來計(jì)算光柵信號(hào)的周期,，再算出轉(zhuǎn)速,，電機(jī)控制算法即根據(jù)測(cè)速模塊測(cè)出的速度進(jìn)行算法調(diào)整，達(dá)到閉環(huán)控制的效果,。

　　2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　本次設(shè)計(jì)的軟件主要分為兩部分：

　?。?）利用QuartusⅡ7．2完成NiosⅡ系統(tǒng)的構(gòu)建：利用SOPC Builder構(gòu)建NiosⅡCPU；使用VHDL編寫各控制模塊,。

　?。?）利用NiosⅡIDE完成系統(tǒng)控制與控制算法編寫，主要使用C語言進(jìn)行控制與算法編寫,；對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行成功控制后,，在NiosⅡIDE上采集輸出轉(zhuǎn)速的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將其導(dǎo)入Matlab畫出控制效果圖,，整體軟件框圖如圖4所示,。

　　本次設(shè)計(jì)使用SOPC Builder組建的NiosⅡ嵌入式系統(tǒng),，如圖5所示。該系統(tǒng)除了配置NiosⅡ最小系統(tǒng)的CPU核NiosII CPU,，Avalon總線,，使用FPGA資源例化的存儲(chǔ)器之外，還有以下外接設(shè)備的控制單元：

　?。?）SDRAM Controller,；

　　（2）Common Flash Interface,；

　?。?）JTAG UART；

　?。?）鎖相環(huán)PLL,；

　　（5）Interval Timer,；

　?。?）通用I／O接口，包括PWM模塊接口conw,，msta和測(cè)速模塊接口speed,，按鈕接口button。

　　對(duì)于SOPC Builder組建的NiosⅡ系統(tǒng),，可以在QuartusⅡ軟件方便地調(diào)用,，在QuartusⅡ中Block Diagram設(shè)計(jì)調(diào)用NiosⅡ系統(tǒng)的框圖如圖6所示。給該系統(tǒng)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(jì)算機(jī)USB接口與FPGA的JTAG口相連，把配置文件從計(jì)算機(jī)下載到FPGA中,，這樣就完成了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì),。

　　3 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

　　3．1 測(cè)試系統(tǒng)

　　測(cè)試系統(tǒng)由一個(gè)額定電壓為2．5 V的直流有刷電機(jī)和Altera公司的DE2開發(fā)板組成。電機(jī)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)為：額定電壓為2．5 V,，額定功率為O．065 W,，額定轉(zhuǎn)速為2 150 r／min，空載轉(zhuǎn)速為2 650 r／min,。

　　整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1中所示,，其工作流程在前文中有詳細(xì)介紹,。

　　3．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　將直流電機(jī)增量式PID算法以C語言的形式寫入NiosⅡIDE中，調(diào)試后將其采集到的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab,，畫出時(shí)間與轉(zhuǎn)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(yàn)結(jié)果如圖7所示。

　　在P控制中,，比例環(huán)節(jié)的作用是對(duì)偏差作出快速響應(yīng),，Kp，越大,，控制能力越強(qiáng),，但跟過大的Kp會(huì)增大超調(diào)量，另外比例環(huán)節(jié)可以減少穩(wěn)態(tài)誤差,，但不能完全消除,。從圖7中可以看出比例環(huán)節(jié)使得電機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)牧闾嵘皆O(shè)定值的過程比較快，但出現(xiàn)了比較明顯的超調(diào),，且存在一定的穩(wěn)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(yàn)結(jié)果如圖8所示,。

　　在PI控制中,，積分環(huán)節(jié)的作用的是消除累計(jì)下來的偏差（即穩(wěn)態(tài)誤差），在控制過程中,，只要有偏差存在,，積分環(huán)節(jié)的輸出就不斷增大，直到偏差為零,，輸出才可能穩(wěn)定在某一值上,。但積分環(huán)節(jié)會(huì)降低響應(yīng)速度，增加超調(diào)量,，T1越大,，積分作用越弱。從圖8中可以看出,，在比例環(huán)節(jié)上加上積分環(huán)節(jié),，先前的穩(wěn)態(tài)誤差得到消除，電機(jī)轉(zhuǎn)速趨于設(shè)定值,，但同時(shí)也增加了另一段超調(diào)量,。

　?。?）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(yàn)結(jié)果如圖9所示,。

　　在PID控制中,，微分作用是根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)進(jìn)行控制的，偏差變化得越快,，微分環(huán)節(jié)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(jié)有利于減小超調(diào)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(jié)后，超調(diào)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(jī)控制效果還是不錯(cuò)的，有一定的穩(wěn)定性,，即便在轉(zhuǎn)速出現(xiàn)跳變時(shí),，也能進(jìn)行良好的跟蹤。PID控制算法已經(jīng)相當(dāng)成熟,，參數(shù)可以通過整定很容易得到,，實(shí)驗(yàn)表明，此方案具有一定的可行性,。

　　4 結(jié)語

　　提出一種直流電機(jī)的新型控制方式,，即利用NiosⅡ軟核和FPGA芯片對(duì)其控制。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,，將PID增量式算法應(yīng)用到此系統(tǒng)中，能進(jìn)行良好的閉環(huán)控制,。在電機(jī)控制中如遇更復(fù)雜的電機(jī),，如無刷電機(jī)等，用NiosⅡ軟核進(jìn)行控制,，可以將其擴(kuò)展為雙核乃至多核,，一個(gè)CPU用來控制算法，另一個(gè)CPU用來控制外圍系統(tǒng),，互不干擾,，發(fā)揮NiosⅡ處理器的最大優(yōu)勢(shì),。