PIC单片机在直流电机无级调速系统的设计

现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备，目前在直流电动机拖动系统中已大量采用晶闸管(即可控硅)装置向电动机供电的KZ—D拖动系统，取代了笨重的发电动一电动机的F—D系统，又伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。本调速系统采用PIC16F874单片机作为中心处理器，充分利用了PIC16F874单片机捕捉、比较、模/数转换模块的特点作为触发电路，其优点是：结构简单，能与主电路同步，能平稳移相且有足够的移相范围，控制角调整量可达10000步，能够实现电机的无级平滑控制，脉冲前沿陡且有足够的幅值，脉宽可设定，稳定性与抗干扰性能好等。

1 直流电机调速原理
直流电动机的转速n和其它参数的关系可用下式来表示：
(1)
(1)式中： Va-电枢电压，Ia-电枢电流，Ra-电枢回路总电阻，Ca-电势常数，Φ -励磁磁通。
(2)
(2)式中： p-磁极对数，N-导体数，a-电枢支路数。

CaΦ=K (3)
(3)式中：当电机型号确定后，CaΦ常数，故式式(1)改变为

在中小功率直流电机中，电枢回路电阻非常小，式(4)中IaRa项可省略不计，由此可见，直流电机的调速当改变电枢电压时，转速n随之改变。

2 系统工作原理
本系统主要由主控开关，电机激磁电路，晶闸管调速电路(包括测速电路)，整流滤波电路，平波电抗器及放电电路，能耗制动电路组成，系统采用闭环PI调节器控制。当主控开关闭合后，单相交流电经晶闸管调速电路控制后，又经过桥式整流、滤波、平波电抗器后，获得脉冲小，连续的直流，提供给电机，同时，交流电通过激磁电路整流后，使电机获得励磁，开始工作。调节触发电路中的速度设定电位器RP1，使得当AN1输入电压减小时，PIC16F874单片机输出的控制角也相应减小，晶闸管导通角随之增加，主电路输出电压增大，电机速度增大，同时测速电路输出电压也增大，经PI调节器作用后，电机在设定的速度范围内稳定运转。

3 系统各部分电路设计
3.1 主电路设计
主电路中各元件参数如图1所示：

按一下启动按钮SB1，接触器KM线圈通电，KM常开触点闭合，常闭触点打开，启动按钮自锁，主电路导通。晶闸管调速电路通过改变双向晶闸管控制角大小来控制交流电输出，再经桥式整流，滤波后，得到直流，同时，电机通过激磁电路整流后，获得励磁，开始工作。
按一下停止按钮SB2，接触器KM线圈断电，KM常开触点打开，常闭触点闭合，自锁解除，主电路断电，电机停止工作。
为了限制直流电流脉动，电路中接入平波电抗器，电阻 在主电路突然断电时，为平波电抗器提供放电回路。
为了加快制动与停车，本装置中采用能耗制动，由电阻R4与主电路接触器常闭触点组成制动环节。电动机激磁由单独整流电路供电，为了防止电动机失磁而引起飞车事故，在激磁电路中，串接欠电流继电器KA。动作电流可通过电位器RP进行调整。

3.2 晶闸管触发电路设计
晶闸管触发电路及参数具体如图2所示，来自主电路中A、B两点电压经变压器变压为-20 V，再经过桥式整流后，在2点产生100 Hz左右的半波信号，通过R6，R7分压后接入NPN三极管进行放大，在三极管集电极产生过零脉冲，利用CCP1模块先捕捉过零脉冲上升沿，记下其发生时间，紧接着捕捉过零脉冲下降沿，两者的时间差即为过零脉冲宽度，其值的一半即为脉冲中点，采用这样的捕捉方式可以精确地得到交流电的实际过零点，同时利用ADC模傲转换模块转换PIC16F874引脚RA1/AN1模拟电压的值作为晶闸管控制角的设定值(电机速度设定值)，改变电位器RP1设定值，相应改变晶闸管控制角大小，同时测速电路输出值由PIC16F874引脚RC0/T1CKI输入，经过TMR1计数器计数，算出转速，作为速度反馈值。本系统中单片机的振荡频率采用4 MHz，由PIC16F874单片机指令周期的特点可知，晶闸管控制角的分辨率是单片机振荡频率的四分之一的倒数，即1us，对于工频电的半波时间10 ms来说，控制角可达10000步，完全能够实现电机的无级平滑控制。


3.3 测速电路设计
测速电路由附着在电机转子上的光码盘及电脉冲放大整形电路组成。电脉冲的频率与电机的转速成固定的比例关系，光码盘输出的电脉冲信号经放大整形为标堆TTL电平从PIC16F874单片机引脚RC0/T1CKI输入，通过TMR1计数器进行计数，从而算出转速，将这个转速与预置转速进行比较，得出差值，PIC16F874通过对这个差值进行PI运算，得出控制增量，在CCP2送出晶闸管控制角的大小，从而改变加在电机两端的有效电压，最终达到控制转速的目的。

4 系统软件设计
将速度闭环控制设计成为典型I系统，即PI调节器，用来调节晶闸管控制角时间Td，其控制算法为：

其中a1=Kp，Kp-控制器的比例系数，T1-积分时间常数，Ti-采样周期。
本系统的软件设计模块主要包括CCP1上升沿捕捉模块，CCP1下升沿捕捉模块，控制角设定值A/D转换模块，测速电路脉冲定时计数模块，PI调节器模块，CCP2比较输出模块等，各模块程序流程图的关系如图3所示。

图3 CCP1，CCP2模块中断程序流程图
假设我们得到过零点时间为Tσ，晶闸管控制角时间为Td，那么送入CCP2寄存器CCPR2H:L比较值Tf=Tσ+Td，比较一致后，将在CCP2引脚上输出高电平，使晶闸管导通，然后根据所需的触发脉宽值，再次修改CCPR2H：L值，使输出高电平触发脉冲维持一定的时间后再回到低电平，这样就完成一个双向晶闸管触发脉冲输出。

5 结束语
本系统软件、硬件设计充分利用了PIC16F874单片机捕捉、比较、模/数转换模块的特点，以及单片机振荡频率高，响应快等优点，设计出相应的触发电路，使得PIC16F874单片机的模/数转换模块能迅速、准确的转换速度设定值；CCP1模块能精确捕捉交流电的过零点；测速电路的定时计数模块能准确地计数，算出反馈转速；CCP2模块能及时地比较Tf值输出触发脉冲，在中小型直流电机调速系统应用中，具有结构简单，运行可靠，调节范围宽，电流连续性好，响应快等特点。