基于 CPLD EPM570T100C5的通用直流調(diào)速模塊設(shè)計
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1 系統(tǒng)設(shè)計
模塊組成框圖如圖1所示。主回路可控元件選用雙向可控硅，成本低、控制電路簡單、調(diào)壓方便可靠。為實現(xiàn)電機雙向運行，采用兩組反并聯(lián)的整流單元。雙向可控硅調(diào)壓后經(jīng)橋式整流模塊變換成直流電，輸出給電動機進行調(diào)壓調(diào)速。調(diào)壓采用移相方式，所以設(shè)計了電源過零脈沖形成電路。為增加模塊可靠性，強電與弱電全部用光電耦合器隔離；雙向可控硅單元內(nèi)有簡單的RC緩沖電路，用以抑制du／dt?？紤]到某些應(yīng)用場合需要遠程控制，增加了RS 485通信單元，用MAX3485E芯片進行電平轉(zhuǎn)換。測速選用直流測速發(fā)電機，相對于光電編碼器更經(jīng)濟，測速發(fā)電機輸出的直流電壓經(jīng)降壓、濾波預(yù)處理后進行V／F變換。6位LED顯示當(dāng)前速度。電源電路為整個系統(tǒng)提供+3．3 V電源。
主控芯片EPM570T100C5是Altera的MAXⅡ系列低成本的復(fù)雜可編程邏輯器件((2PLD)產(chǎn)品，其密度高且性能優(yōu)良，內(nèi)置用戶非易失性FLASH存儲器塊，內(nèi)部時鐘頻率高達300 MHz，100腳MBGA封裝，570個邏輯單元(LE)。MAXⅡ器件具有創(chuàng)新的查找表(LUT)邏輯結(jié)構(gòu)，突破了傳統(tǒng)宏單元器件的成本和功耗限制。設(shè)計人員可以利用MAXⅡ器件來替代低密度FPGA，ASSP和標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件，支持在系統(tǒng)編程(ISP)，很容易在現(xiàn)場重新進行配置。使用EPM570T100C5開發(fā)調(diào)速裝置，大大降低了系統(tǒng)功耗、體積和成本。另外，Altera提供免費的QuartusⅡ基礎(chǔ)版軟件，支持所有MAXⅡ器件，它是基于MAXⅡ器件引腳鎖定式裝配和性能優(yōu)化而設(shè)計的。
2 可控硅調(diào)壓調(diào)速原理
移相觸發(fā)就是通過改變晶閘管每周期導(dǎo)通的起始點即觸發(fā)延遲角α的大小，達到改變輸出電壓、功率的目的。圖2給出了雙向可控硅調(diào)壓波形，電源電壓
；α為移相角；θ為導(dǎo)通角。輸出電壓與控制角關(guān)系見式(1)，移相范圍φ≤α≤π。
式中：α和θ滿足
；負(fù)載阻抗角為φ=arctan(ωL／R)；L為主回路總電感；R為主回路總電阻。
雙向可控硅輸出電壓整流后加到主電機電樞回路，構(gòu)成降壓調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)壓調(diào)速機械特性硬度不變，調(diào)速范圍大，能量損耗小。電壓與速度關(guān)系滿足式(2)的機械特性。
式中：U為電機電樞電壓，來自雙向可控硅輸出電壓U0；Ra為電樞回路電阻；T為電磁轉(zhuǎn)矩；φ為每極磁通；Ce為電動勢常數(shù)；CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。
設(shè)磁通保持不變，電樞電路中也沒有串聯(lián)可調(diào)外電阻，減小電動機電樞供電電壓時，由于轉(zhuǎn)速不立即發(fā)生變化，反電動勢也暫不發(fā)生變化，此時電樞電流減小，轉(zhuǎn)矩也減小，若阻轉(zhuǎn)矩未變，則合成轉(zhuǎn)矩小于零，轉(zhuǎn)速下降，反電動勢減小，電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩也隨之增大，直到達到轉(zhuǎn)矩平衡時為止，但此時轉(zhuǎn)速已較原來的降低了。由于調(diào)速時磁通不變，故也為稱之恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。
3 FPGA核心設(shè)計
3．1 主模塊
采用自頂向下的設(shè)計方法，主模塊原理圖如圖3所示。包括speed_detection為速度檢測、speed_control為速度控制、RS 485為串口通信、gate_control為主控子模塊4部分。speedpulse為V／F轉(zhuǎn)換后的速度脈沖信號；start和stop分別為起動和停止按鍵的輸入信號；inc和dec分別為加減速按鍵的輸入信號；zeroin為同步過零脈沖的輸入信號；rxd，txd，notre和de連接到RS 485接口芯片MAX3485E；alarm為超速報警信號；led0～led5為速度顯示6位數(shù)碼管的輸出信號；maincj為主接觸器的控制信號；redled和greenled分別為紅綠燈輸出信號；pulse I和pLalseⅡ為正反組雙向可控硅控制信號。
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