基于CPLD的抗快变脉动负载直流调速器开发 (2007年)

针对电动跑步机负载快变脉动的特点，设计了一种基于复杂可编程逻辑器件（CPLD）的抗快变脉动负载的直流调速器。以1～2kW直流电机驱动的运动装置为例，采用CPLD和速度、电流调节电路，产生PWM控制信号，实现对电动跑步机的精确控制。工业化试验结果表明，开发的直流调速器动态性能好，性价比高。同时该方法能应用于具有同类负载特征的小功率直流调速系统中。 ### 基于CPLD的抗快变脉动负载直流调速器开发 #### 概述 本文介绍了一种新型的直流调速器的设计方案，该调速器旨在克服电动跑步机上出现的快变脉动负载问题，确保系统的稳定性和准确性。此设计采用复杂可编程逻辑器件（CPLD）作为核心控制组件，并结合速度和电流调节电路来产生脉宽调制（PWM）控制信号，从而实现对电动跑步机的有效控制。 #### 设计背景与目标 在电动跑步机中，由于人体运动速度的变化，会导致跑步机负载呈现快变脉动性特征，即负载转矩会随着跑步机的速度变化而周期性波动。当跑步机运行速度较高时，虽然负载转矩减小，但波动频率增加；反之亦然。因此，为了确保电动跑步机在不同频率脉动负载下的稳定运行，需要一种能够快速响应这些变化的直流调速器。 #### 系统设计方案 ##### 1.1 速度调节和电流调节 - **速度调节**：通过速度比例积分（PI）调节回路实现，目的是保证转速的控制精度。 - **电流调节**：通过电流比例积分（PI）调节回路完成，目的是提高系统的动态响应特性。 针对电动跑步机的特点，为了保证运行的平稳性和舒适性，需要合理选择比例积分参数。硬件电路中采用了LM324运算放大器实现比例和积分环节。 ##### 1.2 A/D转换与CPLD - **A/D转换**：选用12位的A/D转换模块MAX197，将输入电压分成2^12（4096）个等级，确保模数转换的精度。 - **CPLD**：采用ALTERA公司的MAX7000S系列中的EPM7128SQ，具有现场可编程的优势，便于进行系统在线编程和调试。CPLD负责将A/D转换后的信号处理为PWM直流脉冲。 #### CPLD设计 CPLD内部结构包括外部时钟预分频单元、PWM载波单元和PWM单元等。外部时钟选择为40MHz，经过二分频得到系统时钟。PWM载波单元通过12位计数器产生PWM载波，载波频率为4.8828125kHz。 CPLD的PWM单元结构如图所示，系统时钟通过脉冲序列发生器产生脉冲信号，计数器的输出信号与占空比信号的高位进行比较，以生成PWM控制信号。此外，还包括PWM使能控制端，用于在电机故障或异常运行时进行使能控制。 #### 工业化试验结果 实验结果表明，基于CPLD的直流调速器具有良好的动态性能和较高的性价比。它不仅能够有效应对快变脉动负载带来的挑战，还能够应用于其他具有类似负载特征的小功率直流调速系统中。 #### 结论 本研究提出了一种新的基于CPLD的直流调速器设计方案，针对电动跑步机负载快变脉动性的特点，通过优化速度调节和电流调节电路，结合高性能的CPLD器件，实现了对电动跑步机的有效控制。该方案不仅提高了系统的稳定性和控制精度，还展示了在其他类似应用场景中的潜力。未来的研究可以进一步探索如何在更广泛的应用场景中推广这一技术。