基于DSP的电子节气门PID控制

　　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。

　　对于SOPC Builder组建的NiosⅡ系统，可以在QuartusⅡ软件方便地调用，在QuartusⅡ中Block Diagram设计调用NiosⅡ系统的框图如图6所示。给该系统配备工作时钟，并分配FPGA的I/O管脚，程序经综合，布局，仿真之后，就可将配置文件通过各种配置方法下载到FPGA上。本文使用JTAG+AS方式配置，通过USB Blaster下载电缆线将计算机USB接口与FPGA的JTAG口相连，把配置文件从计算机下载到FPGA中，这样就完成了系统的软件设计。

　　3 实验与数据分析

　　3.1 测试系统

　　测试系统由一个额定电压为2.5 V的直流有刷电机和Altera公司的DE2开发板组成。电机相关技术指标为：额定电压为2.5 V，额定功率为O.065 W，额定转速为2 150 r/min，空载转速为2 650 r/min。

　　整个测试系统的硬件结构图如图1中所示，其工作流程在前文中有详细介绍。

　　3.2 实验结果及分析

　　将直流电机增量式PID算法以C语言的形式写入NiosⅡIDE中，调试后将其采集到的实测数据导入Matlab，画出时间与转速之间的关系图形如图7～图9所示。

　　(1)比例(P)控制

　　取采样周期T=0.1 s，KP=0.5，实验结果如图7所示。

　　在P控制中，比例环节的作用是对偏差作出快速响应，Kp，越大，控制能力越强，但跟过大的Kp会增大超调量，另外比例环节可以减少稳态误差，但不能完全消除。从图7中可以看出比例环节使得电机的转速从零提升到设定值的过程比较快，但出现了比较明显的超调，且存在一定的稳态误差。

　　(2)比例积分(PI)控制取采样周期T=O.1 s，Kp=0.5，T1=2，实验结果如图8所示。

　　在PI控制中，积分环节的作用的是消除累计下来的偏差(即稳态误差)，在控制过程中，只要有偏差存在，积分环节的输出就不断增大，直到偏差为零，输出才可能稳定在某一值上。但积分环节会降低响应速度，增加超调量，T1越大，积分作用越弱。从图8中可以看出，在比例环节上加上积分环节，先前的稳态误差得到消除，电机转速趋于设定值，但同时也增加了另一段超调量。

　　(3)比例积分微分(PID)控制取采样周期T=0.1 s，Kp=0.5，T1=2，TD=0.1，实验结果如图9所示。

　　在PID控制中，微分作用是根据偏差的变化趋势进行控制的，偏差变化得越快，微分环节输出就越大，并且能在偏差值变大前进行修正。微分环节有利于减小超调量，克服振荡，TD越大，微分作用越大。从图9中可以看出，加入微分环节后，超调量明显得到有效抑制。

　　从图7～图9中可以看出，用PID控制算法控制基于NiosⅡ的直流电机控制效果还是不错的，有一定的稳定性，即便在转速出现跳变时，也能进行良好的跟踪。PID控制算法已经相当成熟，参数可以通过整定很容易得到，实验表明，此方案具有一定的可行性。

　　4 结语

　　提出一种直流电机的新型控制方式，即利用NiosⅡ软核和FPGA芯片对其控制。通过实验验证，将PID增量式算法应用到此系统中，能进行良好的闭环控制。在电机控制中如遇更复杂的电机，如无刷电机等，用NiosⅡ软核进行控制，可以将其扩展为双核乃至多核，一个CPU用来控制算法，另一个CPU用来控制外围系统，互不干扰，发挥NiosⅡ处理器的最大优势。