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基于EPM570的可逆直流調速模塊設計
宋玉春 劉瑤
摘要: 本文針對常見調速應用,采用可控硅做為調速元件,采用EPM570T100C5設計和實現了一個通用直流調速模塊,為實現遠距離控制內置了RS 485通信和簡單通信協議。采用EPM570T100C5作為控制核心,電路簡潔,輸出控制脈沖精確,硬件實現相對單片機程序可靠性高、實時性好。
Abstract:
Key words :

  直流電機由于具有速度控制容易,啟、制動性能良好,且在寬范圍內平滑調速等特點而在冶金、機械制造、輕工等工業部門中得到廣泛應用。在這些場合常需要通用、可靠性高、成本低、負載能力強、應用簡單的直流調速模塊,而且某些時候可進行遠程操作。本文針對常見調速應用,采用可控硅做為調速元件,采用EPM570T100C5設計和實現了一個通用直流調速模塊,為實現遠距離控制內置了RS 485通信和簡單通信協議。采用EPM570T100C5作為控制核心,電路簡潔,輸出控制脈沖精確,硬件實現相對單片機程序可靠性高、實時性好。

  1 系統設計

  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、調壓方便可靠。為實現電機雙向運行,采用兩組反并聯的整流單元。雙向可控硅調壓后經橋式整流模塊變換成直流電,輸出給電動機進行調壓調速。調壓采用移相方式,所以設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;雙向可控硅單元內有簡單的RC緩沖電路,用以抑制du/dt??紤]到某些應用場合需要遠程控制,增加了RS 485通信單元,用MAX3485E芯片進行電平轉換。測速選用直流測速發電機,相對于光電編碼器更經濟,測速發電機輸出的直流電壓經降壓、濾波預處理后進行V/F變換。6位LED顯示當前速度。電源電路為整個系統提供+3.3 V電源。

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  主控芯片EPM570T100C5是Altera的MAXⅡ系列低成本的復雜可編程邏輯器件((2PLD)產品,其密度高且性能優良,內置用戶非易失性 FLASH存儲器塊,內部時鐘頻率高達300 MHz,100腳MBGA封裝,570個邏輯單元(LE)。MAXⅡ器件具有創新的查找表(LUT)邏輯結構,突破了傳統宏單元器件的成本和功耗限制。設計人員可以利用MAXⅡ器件來替代低密度FPGA,ASSP和標準邏輯器件,支持在系統編程(ISP),很容易在現場重新進行配置。使用 EPM570T100C5開發調速裝置,大大降低了系統功耗、體積和成本。另外,Altera提供免費的QuartusⅡ基礎版軟件,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化而設計的。

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  2 可控硅調壓調速原理

  移相觸發就是通過改變晶閘管每周期導通的起始點即觸發延遲角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壓波形,電源電壓基于EPM570的可逆直流調速模塊設計;α為移相角;θ為導通角。輸出電壓與控制角關系見式(1),移相范圍 φ≤α≤π。

 

  基于EPM570的可逆直流調速模塊設計

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  式中:α和θ滿足基于EPM570的可逆直流調速模塊設計;負載阻抗角為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,構成降壓調速系統,調壓調速機械特性硬度不變,調速范圍大,能量損耗小。電壓與速度關系滿足式(2)的機械特性。

  基于EPM570的可逆直流調速模塊設計

  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為電磁轉矩;φ為每極磁通;Ce為電動勢常數;CT為轉矩常數。

  設磁通保持不變,電樞電路中也沒有串聯可調外電阻,減小電動機電樞供電電壓時,由于轉速不立即發生變化,反電動勢也暫不發生變化,此時電樞電流減小,轉矩也減小,若阻轉矩未變,則合成轉矩小于零,轉速下降,反電動勢減小,電樞電流和電磁轉矩也隨之增大,直到達到轉矩平衡時為止,但此時轉速已較原來的降低了。由于調速時磁通不變,故也為稱之恒轉矩調速。

  3 FPGA核心設計

  3.1 主模塊

  采用自頂向下的設計方法,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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  速度檢測子模塊在單位時間內對speedpulse計數,得到速度值speedvalue,并經過譯碼送到6位LED顯示。速度控制模塊根據設定速度和檢測速度用PID算法調節輸出脈沖,改變移相角來控制速度;設定速度為reg變量,可用inc和dec按鍵調節,也可以來自RS 485模塊;根據速度設定值的正負得出direction信號,控制脈沖信號加在兩組雙向可控硅之一,使電機正反兩方向轉動。主控子模塊負責控制整個系統的起動和停止,復位各個子模塊,提供1 Hz,25 600 Hz,10 Hz脈沖信號。RS 485模塊負責通信管理、解析通信協議,從而接收16位速度設定值。

  3.2 速度檢測

  速度檢測模塊主要包括頻率計和譯碼電路,如圖4所示。enable為速度檢測使能信號,clr為輸出清零信號,speed_in為輸入速度脈沖信號,led0~led5為6位數碼管輸出信號。

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  3.3 速度控制

  速度控制的原理是根據設定速度與實際速度的偏差用PID算法產生控制量,根據控制量的大小把過零檢測脈沖移相后加寬作為輸出控制信號,如圖5所示。

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  enable為輸入使能控制信號;f25600hz為決定移相單位時間的輸入信號;delay_flhz為按鍵加減的單位時間輸入信號;key_inc和 key_ dec分別為加速和減速按鍵的輸入信號;zeroin為輸入同步過零脈沖信號,頻率為100Hz;outpulse為輸出的移相脈沖信號;direction為轉向信號。

  3.4 RS 485通信模塊

  RS 485總線是一種多點差分數據傳輸的電氣規范,其通信接口允許在簡單的一對雙絞線上進行多點雙向通信,具有噪聲抑制能力強,高速數據傳輸,且電纜比較長及可靠性高的特點。

  RS 485子模塊主要實現UART功能,并通過notre和de信號控制發送和接收。串行通信固定設為9 600波特、8位數據、無奇偶校驗、1位停止位。數據格式:地址碼、數據、結束字符,其長度分別為8位、16位、8位。當總線上掛接多個調速模塊時,采用廣播方法發送消息,地址碼可根據實際情況約定。由于RS 485總線是異步半雙工的通信總線,一個時刻總線只可能呈現一種狀態。因此在空閑狀態時,將RS 485總線始終設置為接收狀態。

  3.5 仿真

  功能仿真又稱前仿真,其目的是檢查HDL代碼所描述的邏輯功能是否和預期的功能一致。全部模塊已在QuartusⅡ中仿真通過,圖6給出速度控制模塊功能仿真波形。仿真時間為30 s,假設期間實際速度為常數,在3.9 s按下加速按鍵,使key_inc變為高電平,10 s后(13.90 s時刻)加速按鍵釋放變為低電平,據圖6的仿真波形圖中可知,在13.90 s時刻,輸出脈沖下降沿相對于過零脈沖從180°向前移相約70°,表明移相調速功能正常。

 

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  4 實際系統運行數據

  為調試和分析系統運行狀況,測得如表1所示系統運行數據。主電動機型號110ZF53,pN=100 W,UN=220 V,IN=0.50 A,1 600 rpm?!?delaydata[15..8]是速度控制模塊中元件CONTROL FPGA的延時,輸出數據高8位。

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  從表1中數據看出,控制系統可有效、連續地調整電機速度,穩態誤差較小,負載轉矩的變化使移相角與轉速之間呈非線性關系,但移相角與輸出電壓——對應。

  5 結語

  該設計具有通用性、經濟性、可靠性,是常規直流速度控制的較好解決方案。由于采用CPLD芯片作為控制核心,可方便地進行各種改進。若要進一步提高控制性能,可以增加電流閉環;或稍加改動,可以控制兩臺直流電機的單向運行;可以實現組成分布式網絡控制系統等。

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