基于 CPLD EPM570T100C5的通用直流调速模块设

本文针对常见调速应用，采用可控硅做为调速元件，采用EPM570T100C5设计和实现了一个通用直流调速模块，为实现远距离控制内置了RS 485通信和简单通信协议。采用EPM570T100C5作为控制核心，电路简洁，输出控制脉冲精确，硬件实现相对单片机程序可靠性高、实时性好。

1 系统设计
模块组成框图如图1所示。主回路可控元件选用双向可控硅，成本低、控制电路简单、调压方便可靠。为实现电机双向运行，采用两组反并联的整流单元。双向可控硅调压后经桥式整流模块变换成直流电，输出给电动机进行调压调速。调压采用移相方式，所以设计了电源过零脉冲形成电路。为增加模块可靠性，强电与弱电全部用光电耦合器隔离；双向可控硅单元内有简单的RC缓冲电路，用以抑制du／dt。考虑到某些应用场合需要远程控制，增加了RS 485通信单元，用MAX3485E芯片进行电平转换。测速选用直流测速发电机，相对于光电编码器更经济，测速发电机输出的直流电压经降压、滤波预处理后进行V／F变换。6位LED显示当前速度。电源电路为整个系统提供+3．3 V电源。

主控芯片EPM570T100C5是Altera的MAXⅡ系列低成本的复杂可编程逻辑器件((2PLD)产品，其密度高且性能优良，内置用户非易失性FLASH存储器块，内部时钟频率高达300 MHz，100脚MBGA封装，570个逻辑单元(LE)。MAXⅡ器件具有创新的查找表(LUT)逻辑结构，突破了传统宏单元器件的成本和功耗限制。设计人员可以利用MAXⅡ器件来替代低密度FPGA，ASSP和标准逻辑器件，支持在系统编程(ISP)，很容易在现场重新进行配置。使用EPM570T100C5开发调速装置，大大降低了系统功耗、体积和成本。另外，Altera提供免费的QuartusⅡ基础版软件，支持所有MAXⅡ器件，它是基于MAXⅡ器件引脚锁定式装配和性能优化而设计的。

2 可控硅调压调速原理
移相触发就是通过改变晶闸管每周期导通的起始点即触发延迟角α的大小，达到改变输出电压、功率的目的。图2给出了双向可控硅调压波形，电源电压；α为移相角；θ为导通角。输出电压与控制角关系见式(1)，移相范围φ≤α≤π。

式中：α和θ满足；负载阻抗角为φ=arctan(ωL／R)；L为主回路总电感；R为主回路总电阻。
双向可控硅输出电压整流后加到主电机电枢回路，构成降压调速系统，调压调速机械特性硬度不变，调速范围大，能量损耗小。电压与速度关系满足式(2)的机械特性。

式中：U为电机电枢电压，来自双向可控硅输出电压U0；Ra为电枢回路电阻；T为电磁转矩；φ为每极磁通；Ce为电动势常数；CT为转矩常数。
设磁通保持不变，电枢电路中也没有串联可调外电阻，减小电动机电枢供电电压时，由于转速不立即发生变化，反电动势也暂不发生变化，此时电枢电流减小，转矩也减小，若阻转矩未变，则合成转矩小于零，转速下降，反电动势减小，电枢电流和电磁转矩也随之增大，直到达到转矩平衡时为止，但此时转速已较原来的降低了。由于调速时磁通不变，故也为称之恒转矩调速。

3 FPGA核心设计
3．1 主模块
采用自顶向下的设计方法，主模块原理图如图3所示。包括speed_detection为速度检测、speed_control为速度控制、RS 485为串口通信、gate_control为主控子模块4部分。speedpulse为V／F转换后的速度脉冲信号；start和stop分别为起动和停止按键的输入信号；inc和dec分别为加减速按键的输入信号；zeroin为同步过零脉冲的输入信号；rxd，txd，notre和de连接到RS 485接口芯片MAX3485E；alarm为超速报警信号；led0～led5为速度显示6位数码管的输出信号；maincj为主接触器的控制信号；redled和greenled分别为红绿灯输出信号；pulse I和pLalseⅡ为正反组双向可控硅控制信号。

速度检测子模块在单位时间内对speedpulse计数，得到速度值speedvalue，并经过译码送到6位LED显示。速度控制模块根据设定速度和检测速度用PID算法调节输出脉冲，改变移相角来控制速度；设定速度为reg变量，可用inc和dec按键调节，也可以来自RS 485模块；根据速度设定值的正负得出direction信号，控制脉冲信号加在两组双向可控硅之一，使电机正反两方向转动。主控子模块负责控制整个系统的起动和停止，复位各个子模块，提供1 Hz，25 600 Hz，10 Hz脉冲信号。RS 485模块负责通信管理、解析通信协议，从而接收16位速度设定值。
3．2 速度检测
速度检测模块主要包括频率计和译码电路，如图4所示。enable为速度检测使能信号，clr为输出清零信号，speed_in为输入速度脉冲信号，led0～led5为6位数码管输出信号。

3．3 速度控制
速度控制的原理是根据设定速度与实际速度的偏差用PID算法产生控制量，根据控制量的大小把过零检测脉冲移相后加宽作为输出控制信号，如图5所示。

enable为输入使能控制信号；f25600hz为决定移相单位时间的输入信号；delay_flhz为按键加减的单位时间输入信号；key_inc和key_ dec分别为加速和减速按键的输入信号；zeroin为输入同步过零脉冲信号，频率为100Hz；outpulse为输出的移相脉冲信号；direction为转向信号。
3．4 RS 485通信模块
RS 485总线是一种多点差分数据传输的电气规范，其通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点双向通信，具有噪声抑制能力强，高速数据传输，且电缆比较长及可靠性高的特点。
RS 485子模块主要实现UART功能，并通过notre和de信号控制发送和接收。串行通信固定设为9 600波特、8位数据、无奇偶校验、1位停止位。数据格式：地址码、数据、结束字符，其长度分别为8位、16位、8位。当总线上挂接多个调速模块时，采用广播方法发送消息，地址码可根据实际情况约定。由于RS 485总线是异步半双工的通信总线，一个时刻总线只可能呈现一种状态。因此在空闲状态时，将RS 485总线始终设置为接收状态。3．5 仿真
功能仿真又称前仿真，其目的是检查HDL代码所描述的逻辑功能是否和预期的功能一致。全部模块已在QuartusⅡ中仿真通过，图6给出速度控制模块功能仿真波形。仿真时间为30 s，假设期间实际速度为常数，在3．9 s按下加速按键，使key_inc变为高电平，10 s后(13．90 s时刻)加速按键释放变为低电平，据图6的仿真波形图中可知，在13．90 s时刻，输出脉冲下降沿相对于过零脉冲从180°向前移相约70°，表明移相调速功能正常。

4 实际系统运行数据
为调试和分析系统运行状况，测得如表1所示系统运行数据。主电动机型号110ZF53，pN=100 W，UN=220 V，IN=0．50 A，1 600 rpm。 delaydata[15．．8]是速度控制模块中元件CONTROL FPGA的延时，输出数据高8位。

从表1中数据看出，控制系统可有效、连续地调整电机速度，稳态误差较小，负载转矩的变化使移相角与转速之间呈非线性关系，但移相角与输出电压——对应。

5 结语
该设计具有通用性、经济性、可靠性，是常规直流速度控制的较好解决方案。由于采用CPLD芯片作为控制核心，可方便地进行各种改进。若要进一步提高控制性能，可以增加电流闭环；或稍加改动，可以控制两台直流电机的单向运行；可以实现组成分布式网络控制系统等。