運(yùn)用pic單片機(jī)設(shè)計(jì)直流電機(jī)無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)方案

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，電動(dòng)機(jī)是主要的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，目前在直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中已大量采用晶閘管(即可控硅)裝置向電動(dòng)機(jī)供電的KZ—D拖動(dòng)系統(tǒng)，取代了笨重的發(fā)電動(dòng)一電動(dòng)機(jī)的F—D系統(tǒng)，又伴隨著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電機(jī)調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)又進(jìn)入到一個(gè)新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢(shì)。本調(diào)速系統(tǒng)采用PIC16F874單片機(jī)作為中心處理器，充分利用了PIC16F874單片機(jī)捕捉、比較、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的特點(diǎn)作為觸發(fā)電路，其優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能與主電路同步，能平穩(wěn)移相且有足夠的移相范圍，控制角調(diào)整量可達(dá)10000步，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的無級(jí)平滑控制，脈沖前沿陡且有足夠的幅值，脈寬可設(shè)定，穩(wěn)定性與抗干擾性能好等。

1 直流電機(jī)調(diào)速原理
直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和其它參數(shù)的關(guān)系可用下式來表示：
?(1)
(1)式中： Va-電樞電壓，Ia-電樞電流，Ra-電樞回路總電阻，Ca-電勢(shì)常數(shù)，Φ -勵(lì)磁磁通。
???????(2)
(2)式中： p-磁極對(duì)數(shù)，N-導(dǎo)體數(shù)，a-電樞支路數(shù)。

CaΦ=K (3)
(3)式中：當(dāng)電機(jī)型號(hào)確定后，CaΦ常數(shù)，故式式(1)改變?yōu)?br />
在中小功率直流電機(jī)中，電樞回路電阻非常小，式(4)中IaRa項(xiàng)可省略不計(jì)，由此可見，直流電機(jī)的調(diào)速當(dāng)改變電樞電壓時(shí)，轉(zhuǎn)速n隨之改變。

2 系統(tǒng)工作原理
本系統(tǒng)主要由主控開關(guān)，電機(jī)激磁電路，晶閘管調(diào)速電路(包括測(cè)速電路)，整流濾波電路，平波電抗器及放電電路，能耗制動(dòng)電路組成，系統(tǒng)采用閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器控制。當(dāng)主控開關(guān)閉合后，單相交流電經(jīng)晶閘管調(diào)速電路控制后，又經(jīng)過橋式整流、濾波、平波電抗器后，獲得脈沖小，連續(xù)的直流，提供給電機(jī)，同時(shí)，交流電通過激磁電路整流后，使電機(jī)獲得勵(lì)磁，開始工作。調(diào)節(jié)觸發(fā)電路中的速度設(shè)定電位器RP1，使得當(dāng)AN1輸入電壓減小時(shí)，PIC16F874單片機(jī)輸出的控制角也相應(yīng)減小，晶閘管導(dǎo)通角隨之增加，主電路輸出電壓增大，電機(jī)速度增大，同時(shí)測(cè)速電路輸出電壓也增大，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器作用后，電機(jī)在設(shè)定的速度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 系統(tǒng)各部分電路設(shè)計(jì)
3.1 主電路設(shè)計(jì)
主電路中各元件參數(shù)如圖1所示：

按一下啟動(dòng)按鈕SB1，接觸器KM線圈通電，KM常開觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)打開，啟動(dòng)按鈕自鎖，主電路導(dǎo)通。晶閘管調(diào)速電路通過改變雙向晶閘管控制角大小來控制交流電輸出，再經(jīng)橋式整流，濾波后，得到直流，同時(shí)，電機(jī)通過激磁電路整流后，獲得勵(lì)磁，開始工作。
按一下停止按鈕SB2，接觸器KM線圈斷電，KM常開觸點(diǎn)打開，常閉觸點(diǎn)閉合，自鎖解除，主電路斷電，電機(jī)停止工作。
為了限制直流電流脈動(dòng)，電路中接入平波電抗器，電阻 在主電路突然斷電時(shí)，為平波電抗器提供放電回路。
為了加快制動(dòng)與停車，本裝置中采用能耗制動(dòng)，由電阻R4與主電路接觸器常閉觸點(diǎn)組成制動(dòng)環(huán)節(jié)。電動(dòng)機(jī)激磁由單獨(dú)整流電路供電，為了防止電動(dòng)機(jī)失磁而引起飛車事故，在激磁電路中，串接欠電流繼電器KA。動(dòng)作電流可通過電位器RP進(jìn)行調(diào)整。

3.2 晶閘管觸發(fā)電路設(shè)計(jì)
晶閘管觸發(fā)電路及參數(shù)具體如圖2所示，來自主電路中A、B兩點(diǎn)電壓經(jīng)變壓器變壓為-20 V，再經(jīng)過橋式整流后，在2點(diǎn)產(chǎn)生100 Hz左右的半波信號(hào)，通過R6，R7分壓后接入NPN三極管進(jìn)行放大，在三極管集電極產(chǎn)生過零脈沖，利用CCP1模塊先捕捉過零脈沖上升沿，記下其發(fā)生時(shí)間，緊接著捕捉過零脈沖下降沿，兩者的時(shí)間差即為過零脈沖寬度，其值的一半即為脈沖中點(diǎn)，采用這樣的捕捉方式可以精確地得到交流電的實(shí)際過零點(diǎn)，同時(shí)利用ADC模傲轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換PIC16F874引腳RA1/AN1模擬電壓的值作為晶閘管控制角的設(shè)定值(電機(jī)速度設(shè)定值)，改變電位器RP1設(shè)定值，相應(yīng)改變晶閘管控制角大小，同時(shí)測(cè)速電路輸出值由PIC16F874引腳RC0/T1CKI輸入，經(jīng)過TMR1計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，算出轉(zhuǎn)速，作為速度反饋值。本系統(tǒng)中單片機(jī)的振蕩頻率采用4 MHz，由PIC16F874單片機(jī)指令周期的特點(diǎn)可知，晶閘管控制角的分辨率是單片機(jī)振蕩頻率的四分之一的倒數(shù)，即1us，對(duì)于工頻電的半波時(shí)間10 ms來說，控制角可達(dá)10000步，完全能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的無級(jí)平滑控制。

3.3 測(cè)速電路設(shè)計(jì)
測(cè)速電路由附著在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的光碼盤及電脈沖放大整形電路組成。電脈沖的頻率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成固定的比例關(guān)系，光碼盤輸出的電脈沖信號(hào)經(jīng)放大整形為標(biāo)堆TTL電平從PIC16F874單片機(jī)引腳RC0/T1CKI輸入，通過TMR1計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而算出轉(zhuǎn)速，將這個(gè)轉(zhuǎn)速與預(yù)置轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，得出差值，PIC16F874通過對(duì)這個(gè)差值進(jìn)行PI運(yùn)算，得出控制增量，在CCP2送出晶閘管控制角的大小，從而改變加在電機(jī)兩端的有效電壓，最終達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
將速度閉環(huán)控制設(shè)計(jì)成為典型I系統(tǒng)，即PI調(diào)節(jié)器，用來調(diào)節(jié)晶閘管控制角時(shí)間Td，其控制算法為：

其中a1=Kp，Kp-控制器的比例系數(shù)，T1-積分時(shí)間常數(shù)，Ti-采樣周期。
本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)模塊主要包括CCP1上升沿捕捉模塊，CCP1下升沿捕捉模塊，控制角設(shè)定值A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換模塊，測(cè)速電路脈沖定時(shí)計(jì)數(shù)模塊，PI調(diào)節(jié)器模塊，CCP2比較輸出模塊等，各模塊程序流程圖的關(guān)系如圖3所示。

圖3 CCP1，CCP2模塊中斷程序流程圖
假設(shè)我們得到過零點(diǎn)時(shí)間為Tσ，晶閘管控制角時(shí)間為Td，那么送入CCP2寄存器CCPR2H:L比較值Tf=Tσ+Td，比較一致后，將在CCP2引腳上輸出高電平，使晶閘管導(dǎo)通，然后根據(jù)所需的觸發(fā)脈寬值，再次修改CCPR2H：L值，使輸出高電平觸發(fā)脈沖維持一定的時(shí)間后再回到低電平，這樣就完成一個(gè)雙向晶閘管觸發(fā)脈沖輸出。

總結(jié)：本系統(tǒng)軟件、硬件設(shè)計(jì)充分利用了PIC16F874單片機(jī)捕捉、比較、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的特點(diǎn)，以及單片機(jī)振蕩頻率高，響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的觸發(fā)電路，使得PIC16F874單片機(jī)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊能迅速、準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換速度設(shè)定值；CCP1模塊能精確捕捉交流電的過零點(diǎn)；測(cè)速電路的定時(shí)計(jì)數(shù)模塊能準(zhǔn)確地計(jì)數(shù)，算出反饋轉(zhuǎn)速；CCP2模塊能及時(shí)地比較Tf值輸出觸發(fā)脈沖，在中小型直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用中，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，調(diào)節(jié)范圍寬，電流連續(xù)性好，響應(yīng)快等特點(diǎn)。