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(多图) 基于NiosⅡ的直流电机PID调速控制系统

现代电子技术 陶东娅 陈德益?? 2010年11月12日 ?? 收藏0

  0 引言

  以往的直流电机调速系统通常采用单片机或DSP进行控制,而单片机需要使用大量的外围电路,且系统的可升级性差,如更换控制器,往往要对整个软硬件进行重新设计,可重用性不高。而采用DSP作为主要控制器,如果碰到处理多任务系统时,一片DSP不能胜任,这时就需要再扩展一片DSP或者FPGA芯片来辅助控制,从而实行双芯片控制模式。但这样做,既增加了两个处理器之间同步和通信的负担,又使系统实时性变坏,延长系统开发时间。基于以上此类问题,本文提出了采用Altera公司推出的NiosⅡ软核来控制直流电机调速系统,它的好处在于Ni-osⅡ属于软核处理器,可以直接通过软件形式扩展成双核乃至多核,无需外加芯片;再者NiosⅡ软核处理器和所有外围电路可以集成到一片FPGA芯片上来实现整个直流电机控制系统,这样无疑大大减小了控制器体积和重量,设计人员也可以在短时间内完成整个系统的制作,提高了工作效率。

  本文利用Altera公司的FPGA芯片EP2C35F672C6作为系统控制器,采用数字PID算法对直流电机进行PWM闭环调速控制。并且利用硬件描述语言(VHDL)自行设计、生成PWM模块和测速模块,最后通过实验验证了该系统的可行性。

  1 系统硬件设计

  1.1 系统总体设计方案

  选用Altera公司的DE2开发板作为开发平台,采用SOPC技术通过在FPGA中植入嵌入式系统处理器NiosⅡ作为核心控制电路,利用FPGA中的可编程逻辑资源和IP软核来构成该嵌入式系统处理器的接口功能模块,借助于Avalon总线,实现对外围PWM模块、测速模块、SDRAM、键盘等硬件的控制,FPGA通过Avalon总线对输入模块和输出等模块进行配置,整体功能框图如图1所示。

整体功能框图

  整个系统的主要工作流程如下:当系统启动完成各单元初始化后,通过键盘输入期望设定值,同时由光电编码器采集实测转速传输到测速模块,通过NiosⅡ处理器处理电机PID控制算法,并将计算后的数据传输给自定制的PWM模块对其进行闭环控制。最后在NiosⅡIDE上采集到实际输出数据,并通过Matlab软件画出控制曲线波形图,最后对实验结果进行分析。

  1.2 PWM模块

  系统中的自定制PWM模块是通过写VHDL代码,经过仿真、编译、管脚分配,最后生成PWM功能模块。它在整个系统中的作用是:对实测转速通过计算进行闭环控制。生成的PWM模块如图2所示。

生成的PWM模块

  图2中:clk为时钟信号端;sta用来控制直流电机正反转;conword为占空比信号;PWM_A表示直流电机处于正转状态时的占空比输出;PWM_B表示直流电机处于反转时的占空比输出。

  PWM模块的原理如下:将时钟源50 MHz的基频信号64分频,作为PWM模块的基频信号,以256个该基频脉冲信号作为PWM输出的一个周期,由NiosⅡ处理器给出的conword的值指定一个PWM周期内高电平持续时间,改变conword的值即刻改变占空比输出的值。

  1.3 测速模块

  系统中的测速模块生成方式如PWM模块,它在整个系统中的作用如下:主要是利用基频的周期来计算光栅信号的周期,算出直流电机的转速,其生成的模块如图3所示。

生成的模块

  图3中:clk为时钟信号端;en为使能信号,即表示光栅有效;dout表示光橱有效时间。

  测速模块的原理如下:给出已知频率的基频,用光栅作为门限,测基频脉冲的个数,由基频的周期来计算光栅信号的周期,再算出转速,电机控制算法即根据测速模块测出的速度进行算法调整,达到闭环控制的效果。

  2 系统软件设计

  本次设计的软件主要分为两部分:

  (1)利用QuartusⅡ7.2完成NiosⅡ系统的构建:利用SOPC Builder构建NiosⅡCPU;使用VHDL编写各控制模块。

  (2)利用NiosⅡIDE完成系统控制与控制算法编写,主要使用C语言进行控制与算法编写;对直流电机进行成功控制后,在NiosⅡIDE上采集输出转速的实测数据,将其导入Matlab画出控制效果图,整体软件框图如图4所示。

整体软件框图

  本次设计使用SOPC Builder组建的NiosⅡ嵌入式系统,如图5所示。该系统除了配置NiosⅡ最小系统的CPU核NiosII CPU,Avalon总线,使用FPGA资源例化的存储器之外,还有以下外接设备的控制单元:

  (1)SDRAM Controller;

  (2)Common Flash Interface;

  (3)JTAG UART;

  (4)锁相环PLL;

  (5)Interval Timer;

  (6)通用I/O接口,包括PWM模块接口conw,msta和测速模块接口speed,按钮接口button。

使用SOPC Builder组建的NiosⅡ嵌入式系统


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Nios? PID调速? FPGA?

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