現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，電動機是主要的驅(qū)動設備，目前在直流電動機拖動系統(tǒng)中已大量采用晶閘管(即可控硅)裝置向電動機供電的KZ—D拖動系統(tǒng)，取代了笨重的發(fā)電動一電動機的F—D系統(tǒng)，又伴隨著電子技術的高度發(fā)展，促使直流電機調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機技術的應用，使直流電機調(diào)速技術又進入到一個新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢。本調(diào)速系統(tǒng)采用PIC16F874單片機作為中心處理器，充分利用了PIC16F874單片機捕捉、比較、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的特點作為觸發(fā)電路，其優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，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10000步，能夠?qū)崿F(xiàn)電機的無級平滑控制，脈沖前沿陡且有足夠的幅值，脈寬可設定，穩(wěn)定性與抗干擾性能好等。

　　1 直流電機調(diào)速原理

　　直流電動機的轉(zhuǎn)速n和其它參數(shù)的關系可用下式來表示：

(1)

　　(1)式中： Va-電樞電壓，Ia-電樞電流，Ra-電樞回路總電阻，Ca-電勢常數(shù)，Φ -勵磁磁通。

(2)

　　(2)式中： p-磁極對數(shù)，N-導體數(shù)，a-電樞支路數(shù)。

　　CaΦ=K (3)

　　(3)式中：當電機型號確定后，CaΦ常數(shù)，故式式(1)改變?yōu)?/p>

　　在中小功率直流電機中，電樞回路電阻非常小，式(4)中IaRa項可省略不計，由此可見，直流電機的調(diào)速當改變電樞電壓時，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，電機激磁電路，晶閘管調(diào)速電路(包括測速電路)，整流濾波電路，平波電抗器及放電電路，能耗制動電路組成，系統(tǒng)采用閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器控制。當主控開關閉合后，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，同時，交流電通過激磁電路整流后，使電機獲得勵磁，開始工作。調(diào)節(jié)觸發(fā)電路中的速度設定電位器RP1，使得當AN1輸入電壓減小時，PIC16F874單片機輸出的控制角也相應減小，晶閘管導通角隨之增加，主電路輸出電壓增大，電機速度增大，同時測速電路輸出電壓也增大，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器作用后，電機在設定的速度范圍內(nèi)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

　　3 系統(tǒng)各部分電路設計

　　3.1 主電路設計

　　主電路中各元件參數(shù)如圖1所示：

　　按一下啟動按鈕SB1，接觸器KM線圈通電，KM常開觸點閉合，常閉觸點打開，啟動按鈕自鎖，主電路導通。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，電機通過激磁電路整流后，獲得勵磁，開始工作。

　　按一下停止按鈕SB2，接觸器KM線圈斷電，KM常開觸點打開，常閉觸點閉合，自鎖解除，主電路斷電，電機停止工作。

　　為了限制直流電流脈動，電路中接入平波電抗器，電阻 在主電路突然斷電時，為平波電抗器提供放電回路。

　　為了加快制動與停車，本裝置中采用能耗制動，由電阻R4與主電路接觸器常閉觸點組成制動環(huán)節(jié)。電動機激磁由單獨整流電路供電，為了防止電動機失磁而引起飛車事故，在激磁電路中，串接欠電流繼電器KA。動作電流可通過電位器RP進行調(diào)整。

　　3.2 晶閘管觸發(fā)電路設計

　　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兩點電壓經(jīng)變壓器變壓為-20 V，再經(jīng)過橋式整流后，在2點產(chǎn)生100 Hz左右的半波信號，通過R6，R7分壓后接入NPN三極管進行放大，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)生時間，緊接著捕捉過零脈沖下降沿，兩者的時間差即為過零脈沖寬度，其值的一半即為脈沖中點，采用這樣的捕捉方式可以精確地得到交流電的實際過零點，同時利用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定值(電機速度設定值)，改變電位器RP1設定值，相應改變晶閘管控制角大小，同時測速電路輸出值由PIC16F874引腳RC0/T1CKI輸入，經(jīng)過TMR1計數(shù)器計數(shù)，算出轉(zhuǎn)速，作為速度反饋值。本系統(tǒng)中單片機的振蕩頻率采用4 MHz，由PIC16F874單片機指令周期的特點可知，晶閘管控制角的分辨率是單片機振蕩頻率的四分之一的倒數(shù)，即1us，對于工頻電的半波時間10 ms來說，控制角可達10000步，完全能夠?qū)崿F(xiàn)電機的無級平滑控制。

3.3 測速電路設計

　　測速電路由附著在電機轉(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的轉(zhuǎn)速成固定的比例關系，光碼盤輸出的電脈沖信號經(jīng)放大整形為標堆TTL電平從PIC16F874單片機引腳RC0/T1CKI輸入，通過TMR1計數(shù)器進行計數(shù)，從而算出轉(zhuǎn)速，將這個轉(zhuǎn)速與預置轉(zhuǎn)速進行比較，得出差值，PIC16F874通過對這個差值進行PI運算，得出控制增量，在CCP2送出晶閘管控制角的大小，從而改變加在電機兩端的有效電壓，最終達到控制轉(zhuǎn)速的目的。

　　4 系統(tǒng)軟件設計

　　將速度閉環(huán)控制設計成為典型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-積分時間常數(shù)，Ti-采樣周期。

　　本系統(tǒng)的軟件設計模塊主要包括CCP1上升沿捕捉模塊，CCP1下升沿捕捉模塊，控制角設定值A/D轉(zhuǎn)換模塊，測速電路脈沖定時計數(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系如圖3所示。

圖3 CCP1，CCP2模塊中斷程序流程圖

　　假設我們得到過零點時間為Tσ，晶閘管控制角時間為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)脈沖維持一定的時間后再回到低電平，這樣就完成一個雙向晶閘管觸發(fā)脈沖輸出。

　　5 結(jié)束語

　　本系統(tǒng)軟件、硬件設計充分利用了PIC16F874單片機捕捉、比較、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的特點，以及單片機振蕩頻率高，響應快等優(yōu)點，設計出相應的觸發(fā)電路，使得PIC16F874單片機的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊能迅速、準確的轉(zhuǎn)換速度設定值；CCP1模塊能精確捕捉交流電的過零點；測速電路的定時計數(shù)模塊能準確地計數(shù)，算出反饋轉(zhuǎn)速；CCP2模塊能及時地比較Tf值輸出觸發(fā)脈沖，在中小型直流電機調(diào)速系統(tǒng)應用中，具有結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，調(diào)節(jié)范圍寬，電流連續(xù)性好，響應快等特點。
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