专利名称：一种基于NiosII的直流电动机预测控制调速系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种直流电机预测控制调速系统，特别是一种可驱动直流有刷电机、以NiosII软核作为核心处理器、并采用预测函数控制算法(PFC)进行闭环控制的直流电机控制系统。
背景技术：
目前广泛使用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。
发明内容本实用新型避免了上述系统存在的不足，提供了一种以NiosII软核处理器和预测函数控制算法(PFC)为核心的直流电机控制器。本实用新型解决技术问题采用的技术方案的特点是一种基于NiosII的直流电动机预测控制调速系统，其特征是包括FPGA芯片，连接在FPGA芯片上的外围电路，所述的FPGA芯片包括采用预测函数控制算法的NiosII软核、自定义PWM模块、自定义测速模块、ΡΙ0，所述的外围电路包括连接在FPGA芯片上的键盘、用于采集实际转速数据的光电编码器、电机控制器，所述的光电编码器的输出端与所述的MosII软核的输入端信号连接，所述的MosII软核的输出端与所述的自定义PWM模块信号连接；还包括用于电机的电枢电流进行恒定周期采样的ADC模数转换芯片，所述的电机控制器与所述的FPGA芯片连接，所述的FPGA芯片与所述的ADC模数转换芯片连接。一种基于NiosII的直流电机预测控制调速系统，包括FPGA芯片，连接在FPGA芯片上的外围电路，以及预测函数控制算法(PFC)，所述的FPGA芯片包括NiosII软核、自定义 PWM模块、自定义测速模块、ΡΙ0，所述的外围电路包括连接在FPGA芯片上的键盘、光电编码器、电机控制器。所述的NiosII软核捕获由光电编码器采集的实际转速数据，利用NiosII软核对其进行预测函数控制算法处理，并将计算后的数据传输给PWM模块对其进行闭环控制；电机控制器利用FPGA芯片控制ADC模数转换芯片对电机的电枢电流进行恒定周期采样。利用预测函数控制算法(PFC)进行闭环控制，预测函数控制算法(PFC)程序每隔一段时间采样一次、更新一次输出的电压，电压的大小由PWM调节，从而使电机的转速恒定在给定的转速上。NiosII软核采用Avalon总线对P丽模块、测速模块、SDRAM硬件进行控制。[0011]PWM模块是自定制的，通过写VHDL代码，其以时钟源50MHZ的基频信号的64分频， 作为基频信号，以256个该基频脉冲信号作为PWM输出的一个周期，由所述的MosII软核给出的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。测速模块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。本实用新型的特点在于所述的NiosII软核处理器通过SOPC技术植入FPGA芯片中作为核心控制电路。控制模块对速度给定和速度反馈的运算是采用预测函数控制算法(PFC)，预测函数控制算法在所述的MosII软核处理器里进行处理，并将计算后的数据传输给PWM模块进行闭环控制。本实用新型的有益效果将预测函数控制算法应用于基于MosII的直流电机PWM 调速系统中，其跟踪性能好，误差较小，过程输出几乎无超调，响应有一定的快速性。
图1是本实用新型系统整体结构图。图2是本实用新型PWM功能模块图。图3是本实用新型测速功能模块图。图4是本实用新型系统软件整体框图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于NiosII的直流电动机预测控制调速系统，其特征是包括 FPGA芯片，连接在FPGA芯片上的外围电路，所述的FPGA芯片包括采用预测函数控制算法的 NiosII软核、自定义PWM模块、自定义测速模块、ΡΙ0，所述的外围电路包括连接在FPGA芯片上的键盘、用于采集实际转速数据的光电编码器、电机控制器，所述的光电编码器的输出端与所述的MosII软核的输入端信号连接，所述的MosII软核的输出端与所述的自定义 PWM模块信号连接。还包括用于电机的电枢电流进行恒定周期采样的ADC模数转换芯片，所述的电机控制器与所述的FPGA芯片连接，所述的FPGA芯片与所述的ADC模数转换芯片连接。参见图1，本实用新型中控制对象选用了 2. 5V的直流有刷电机。电机相关技术指标为额定电压为2. 5V，额定功率为0. 065W，额定转速为2150rpm，空载转速为^50rpm。控制器采用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。参见图2，本实用新型中的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。其中，Clk为时钟信号端；Sta用来控制直流电机正反转； Comrord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；PWM_B表示直流电机处于反转时的占空比输出。PWM模块将时钟源50MHZ的基频信号64分频，作为模块的基频信号，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。参加图3，测速模块也是通过VHDL代码生成测速功能模块，其中，Clk为时钟信号端；en为使能信号，即表示光栅有效；dout表示光栅有效时间。测速模块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。本实用新型系统软件主要分为两部分一是NiosII系统，利用Quartus II 7. 2构建NiosII系统，软件整体框图如图4所示；二是预测函数控制算法程序，系统的控制算法采用一阶环节的PFC控制算法，其控制算法为
权利要求1. 一种基于NiosII的直流电动机预测控制调速系统，其特征是包括FPGA芯片，连接在FPGA芯片上的外围电路，所述的FPGA芯片包括采用预测函数控制算法的NiosII软核、 自定义PWM模块、自定义测速模块、ΡΙΟ,所述的外围电路包括连接在FPGA芯片上的键盘、 用于采集实际转速数据的光电编码器、电机控制器，所述的光电编码器的输出端与所述的 MosII软核的输入端信号连接，所述的MosII软核的输出端与所述的自定义PWM模块信号连接；还包括用于电机的电枢电流进行恒定周期采样的ADC模数转换芯片，所述的电机控制器与所述的FPGA芯片连接，所述的FPGA芯片与所述的ADC模数转换芯片连接。
专利摘要一种基于NiosII的直流电动机预测控制调速系统，用Altera公司推出的DE2板作为综合开发平面，采用SOPC技术通过在FPGA中植入嵌入式软核NiosII作为中央处理器，借助预测函数控制算法(PFC)实现对整个直流电机外围电路的PWM闭环调速控制的直流电机预测控制调速系统。具有可靠性高、误差小、应用范围广泛。
文档编号H02P7/29GK202085121SQ20112007728
公开日2011年12月21日 申请日期2011年3月21日 优先权日2011年3月21日
发明者仝勇, 崔建国, 李秋渊, 林康, 陶东娅 申请人:台州职业技术学院, 陶东娅