基于DSP的電子節(jié)氣門PID控制

　　本次設(shè)計使用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資源例化的存儲器之外，還有以下外接設(shè)備的控制單元：

　　(1)SDRAM Controller;

　　(2)Common Flash Interface;

　　(3)JTAG UART;

　　(4)鎖相環(huán)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(tǒng)，可以在QuartusⅡ軟件方便地調(diào)用，在QuartusⅡ中Block Diagram設(shè)計調(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(tǒng)的軟件設(shè)計。

　　3 實驗與數(shù)據(jù)分析

　　3.1 測試系統(tǒng)

　　測試系統(tǒng)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(fā)板組成。電機相關(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。

　　整個測試系統(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 實驗結(jié)果及分析

　　將直流電機增量式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測數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab，畫出時間與轉(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，實驗結(jié)果如圖7所示。

　　在P控制中，比例環(huán)節(jié)的作用是對偏差作出快速響應(yīng)，Kp，越大，控制能力越強，但跟過大的Kp會增大超調(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)使得電機的轉(zhuǎn)速從零提升到設(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，實驗結(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，電機轉(zhuǎn)速趨于設(shè)定值，但同時也增加了另一段超調(diào)量。

　　(3)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，實驗結(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的直流電機控制效果還是不錯的，有一定的穩(wěn)定性，即便在轉(zhuǎn)速出現(xiàn)跳變時，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，實驗表明，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(yīng)用到此系統(tǒng)中，能進(jìn)行良好的閉環(huán)控制。在電機控制中如遇更復(fù)雜的電機，如無刷電機等，用NiosⅡ軟核進(jìn)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(tǒng)，互不干擾，發(fā)揮NiosⅡ處理器的最大優(yōu)勢。