基于FPGA的跑步机变频调速系统的设计研究

摘要

跑步机是现代生活中重要的健身器材之一，影响其质量与性能的重要因素之一是其采用的变频调速系统的性能。现有跑步机中，多采用直流电机作为动力装置，尽管使用过程中容易出现故障，维修量大，但是由于针对该类电机的变频调速系统的设计相当成熟，性能良好，使其应用量依然较大。相反，交流电机虽然其运行稳定，不易损坏，但是针对此类电机的变频调速较为困难，其理论、技术都不尽成熟，因此，这就限制了交流电机在跑步机中的使用。但是，随着控制理论的研究发展、电子技术的进步，交流电机的调速系统不断更新、进步，其性能也在不断提高。本论文的研究旨在设计一个针对于跑步机设计需要的、针对异步电机的变频调速系统。
　　目前市场上已存在相关产品，本文在对现有产品的控制方案、设计特点、性能指标等方面进行分析研究后，提出了将较为先进的FPGA器件引入系统，作为其核心控制芯片，同时，采用直接转矩控制方式和SVPWM控制算法作为系统的控制方案，来设计完整的、高性能的变频调速系统。尤其是如何利用FPGA器件将控制方案以硬件芯片的形式实现出来，并且充分发挥其硬件可编程的优势，完成整个系统的控制工作，减少外围硬件设备，是本论文研究的重点。
　　本论文中设计的变频调速系统针对跑步机的应用，面向用户设计，提供了良好的人机交互界面，操作简单，而且该系统中的控制芯片具有很好的移植性，即相当于按照一定设计要求定制的硬件芯片，只要稍加修改，就可供其他相关系统使用。

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CONTENTS

1 绪论

1.1 课题的提出及意义

1.2 跑步机变频器研究现状及发展状况

1.3 FPGA研究现状及发展状况

1.4 本课题的主要内容

1.5 本章小结

2 变频调速系统的方案设计

2.1 变频调速系统的原理及发展状况

2.2 控制方式的分析与论证

2.3 控制技术的分析与论证

2.4 系统控制方式及控制技术的确定

2.5 本章小结

3 变频调速系统的方案实现

3.1 FPGA概述及发展状况

3.2 变频调速方案的FPGA实现

3.3 系统其他模块的FPGA实现

3.4 变频调速系统的整体实现结构

3.5 本章小结

4 系统硬件设计

4.1 变频器的硬件总体设计

4.2 FPGA芯片的选择

4.3 主回路的分析与实现

4.4 其他各部分电路的设计与实现

4.5 本章小结

5 系统整体实验与测试

5.1 控制板测试

5.2 电源板测试

5.3 系统整体测试

5.4 电机空载测试

5.5 本章小结

6 系统改进

6.1 控制方案的改进

6.2 硬件电路的改进

6.3 本章小结

7 总结

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的论文

附录1 系统电路原理图（一）

附录2 系统电路原理图（二）