基于NIOS软核处理器的直流无刷电机控制系统设计（下）

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。