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基于NIOS软核处理器的直流无刷电机控制系统设计(下)

2006/5/31 9:06:00

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3.2 软件系统设计
NIOS处理器的软件设计方法是在NIOS内存中放一段自己编写的监控程序,控制CPU的运行,它可以读写芯片的存储单元,与外围设备进行通信。在本系统中,NIOS程序的任务是在规定的控制周期内:通过SPI模块控制AD芯片的同步采样,将电机霍尔传感器、关节位置传感器、力矩传感器的数字量送至中央处理器32位CPU,CPU将各传感器信号进行预处理后,得到实时的电机速度、关节位置、关节力矩等状态参数;通过UART模块得到上位机发出的控制任务及控制参数,如期望关节位置、期望关节力矩等;由CPU实现直流无刷电机的闭环控制算法并将控制信号(PWM、方向、刹车)送入电机控制模块,实现实时控制,控制周期由NIOS处理器中的硬件定时器决定,目前为200ms。程序采用C语言编写,流程图如图3所示。



由于Altera公司的SOPC Builder没有提供电机控制模块IP,所以自行使用VHDL语言编写。FPGA需要提供PWM信号、方向(DIR)信号、刹车(BRK)信号,仿真波形如图4所示。其中,CLK为晶振频率,Reset为系统模块用来初始化电机模块的复位信号,In Data[11∶0]为系统控制模块控制电机的信号,其中,In Data[9∶0]为PWM信号占空比,In Data[10]为刹车(BRK)信号,In Data[11]为方向(DIR)信号,UpLimit、DownLimit为设定的机械位置极限。该设计可得到25kHz的固定脉冲周期、占空比可调的PWM信号。刹车信号由CPU与预设的机械位置极限共同给出,保证当关节运动到机械位置极限时可以及时刹车,起保护作用。方向信号由CPU直接给出。


图5所示为DLR-HIT型仿人灵巧手的实物照片。该灵巧手共有4个手指,每个手指装有3个直流无刷电机,手指关节1个,基关节2个。电机驱动板、FPGA控制板分别安装于手指两侧,系统本身结构极为紧凑,整个系统运行稳定。


4 结论
本文以直流无刷电机为设计对象,提出了基于NIOS软核处理器的系统设计方案。基于NIOS进行嵌入式系统设计的突出优点是:硬件设计快速灵活,可扩展性强,缩短了硬件开发周期,提高了设计的可靠性。软件开发快捷,CPU以软核方式实现,其功能可根据需要定制,且SOPC Builder提供了较多的IP模块。目前电机伺服系统输出波形稳定、规整,电机驱动平稳,已应用于机器人多指仿人灵巧手中,取得了良好效果。

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