基于Nios Ⅱ的直流電機PID調速控制系統

摘 要:介紹一種基于Nios Ⅱ軟核的直流電機PID控制系統。采用PWM直流電機調速方案，利用Altera公司推出的DE2板作為綜合開發平臺，采用SOPC技術，通過在FPGA中植入嵌入式軟核Nios Ⅱ作為中央處理器，借助PID控制算法實現整個直流電機外圍電路的PWM閉環調速控制，這是對直流電機經典控制(即基于單片機或DSP的電機控制)的全新改進。

關鍵詞:Nios Ⅱ軟核; 直流電機; PWM; FPGA; PID控制算法

中圖分類號:TN919-34; TP273+.5文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)17-0180-04

PID Speed Control System of DC Motor Based on NiosⅡ

TAO Dong-ya， CHEN De-yi

(College of Mechanical and Electrical Engineering， Taizhou Vocational Technical College， Taizhou 318000， China)

Abstract: A PID control system of DC motor based on soft-core NiosⅡ is introduced. The PWM DC regulating speed program is used， Altera DE2 board is adopted as the integrated development platform， SOPC technologyis used to embed soft-core NiosⅡ in the FPGA as central control device， PID control algorithm is adapted to control the PWM closed loop speed control of the entire peripheral circuits. This method is a different way from traditional motor control(DC motor based on SCM or DSP).

Keywords: NiosⅡ soft-core; DC-motor; PWM; FPGA; PID control algorithm

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[1]。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Nios Ⅱ軟核來控制直流電機調速系統，它的好處在于Nios Ⅱ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Nios Ⅱ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[2-4]。

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Nios Ⅱ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[5-6]，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Nios Ⅱ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NiosⅡ IDE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1 系統整體結構圖

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Nios Ⅱ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2 PWM功能模塊

圖3 測速功能模塊

圖3中:clk為時鐘信號端;en為使能信號，即表示光柵有效;dout表示光柵有效時間。

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[7]:

(1) 利用Quartus Ⅱ 7.2完成NiosⅡ系統的構建:利用SOPC Builder構建NiosⅡ CPU;使用VHDL編寫各控制模塊。

(2) 利用Nios Ⅱ IDE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NiosⅡ IDE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。

圖4 軟件整體框圖

本次設計使用SOPC Builder組建的Nios Ⅱ嵌入式系統[8-11]，如圖5所示。該系統除了配置Nios Ⅱ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。

圖5 SOPC Builder組建Nios Ⅱ系統

對于SOPC Builder組建的Nios Ⅱ系統，可以在Quartus Ⅱ軟件方便地調用，在Quartus Ⅱ中Block Diagram設計調用Nios Ⅱ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。

圖6 系統整體管腳分配圖

3 實驗與數據分析

3.1 測試系統

測試系統由一個額定電壓為2.5 V的直流有刷電機和Altera公司的DE2開發板組成[12]。電機相關技術指標為:

額定電壓為2.5 V，額定功率為0.065 W，額定轉速為2 150 r/min，空載轉速為2 650 r/min。

整個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 實驗結果及分析

將直流電機增量式PID算法[13-14] 以C語言的形式寫入Nios Ⅱ IDE中，調試后將其采集到的實測數據導入Matlab，畫出時間與轉速之間的關系圖形如圖7~圖9所示。

(1) 比例(P)控制

取采樣周期T=0.1 s，KP=0.5，實驗結果如圖7所示。

在P控制中，比例環節的作用是對偏差作出快速響應，KP越大，控制能力越強，但跟過大的KP會增大超調量，另外比例環節可以減少穩態誤差，但不能完全消除。從圖7中可以看出比例環節使得電機的轉速從零提升到設定值的過程比較快，但出現了比較明顯的超調，且存在一定的穩態誤差。

(2) 比例積分(PI)控制

取采樣周期T=0.1 s，KP=0.5，TI=2，實驗結果如圖8所示。

在PI控制中，積分環節的作用的是消除累計下來的偏差(即穩態誤差)，在控制過程中，只要有偏差存在，積分環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。但積分環節會降低響應速度，增加超調量，TI越大，積分作用越弱。從圖8中可以看出，在比例環節上加上積分環節，先前的穩態誤差得到消除，電機轉速趨于設定值，但同時也增加了另一段超調量。

圖7 直流電機P控制實測曲線

圖8 直流電機PI控制實測曲線

(3) 比例積分微分(PID)控制

取采樣周期T=0.1 s，KP=0.5，TI=2，TD=0.1，實驗結果如圖9所示。

在PID控制中，微分作用是根據偏差的變化趨勢進行控制的，偏差變化得越快，微分環節輸出就越大，并且能在偏差值變大前進行修正。微分環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Nios Ⅱ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，也能進行良好的跟蹤。PID控制算法已經相當成熟，參數可以通過整定很容易得到，實驗表明，此方案具有一定的可行性。

圖9 直流電機轉速實測曲線

4 結 語

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。通過實驗驗證，將PID增量式算法應用到此系統中，能進行良好的閉環控制。在電機控制中如遇更復雜的電機，如無刷電機等，用Nios Ⅱ軟核進行控制，可以將其擴展為雙核乃至多核，一個CPU用來控制算法，另一個CPU用來控制外圍系統，互不干擾，發揮Nios Ⅱ處理器的最大優勢。

參考文獻

[1]閻駿，李琳.基于FPGA MicroBlaze軟核實現的直流電機控制系統[J].電機技術，2007(6):26-28.

[2]江國強.SOPC技術與應用[M].北京:機械工業出版社，2006.

[3]張志剛.FPGA與SOPC設計教程:DE2實踐[M].西安:西安電子科技大學出版社，2007.

[4]杜玉.基于FPGA的直流電機伺服系統的設計[D].呼和浩特:內蒙古大學，2005.

[5]陳麒.基于Nios Ⅱ處理器的SOPC設計[J].計算機與信息技術，2008(3):72-73.

[6]李蘭英.Nios Ⅱ嵌入式軟核SOPC設計原理及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社，2006.

[7]侯凡.基于SOPC技術的電能質量監測系統的研究[D].上海:上海交通大學，2007.

[8]Altera. NiosⅡ software developer′s handbook[M/OL]. [2009-11-24]. http://www.docin.com.

[9]Altera. Configuration handbook(Volume 1)[M/OL]. [2008-10-11]. http://www.altera.ru.

[10]Altera. Serial Configuration Devices(EPCS1， EPCS4， EPCS16EPCS64) Features[M/OL]. [2010-03-15]. http://www.download.chinaprj.cn.

[11]Altera Corporation. CycloneⅡ device handbook[M/OL]. [2009-04-19]. http://www.altera.com.

[12]周立功.直流電機的原理與驅動[M].廣州:廣州致遠電子有限公司，2008.

[13]李明學.計算機控制技術[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，2001.

[14]劉金琨.先進PID控制Matlab仿真[M].北京:電子工業出版社，2005.