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【摘要】
本文提出一种高性能直流调速系统，整个系统采用PIC16F877单片机闭环控制，结构简单，成本低。实验结果表明，系统获得了优良的静、动态特性.
【关键词】
闭环直流调速系统；晶闸管；PIC16F877单片机
【Abstract】
The paper reports a high-performance speed control system of DC motor, The system which is closed-loop controlled by PIC16F877 Microcontroller has the advantages of simple hardware ,low cost。The experimental results show that the static and dynamic characteristics of the system are excellent。
【Key Word】
Closed-loop Speed Control System of DC Motor; thyristor； PIC16F877 Microcontroller
0引 言
现代工业生产中,电动机是主要的驱动设备,目前在电力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,又伴随着微电子技术的不断发展,中小功率直流电机采用单片机控制,调速系统具有频率高,响应快,本文论述了采用PIC16F877单片机作为主控制元件,充分利用了PIC16F877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 直流电机调速原理分析
直流电动机的转速n和其它参数的关系可用下式来表示:
在中小功率直流电机中，电枢回路Ra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 系统组成及其工作原理
2.1 系统硬件结构模块框图
下图是系统的模块框图：
2.2 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，PIC16F877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
电路中各元件参数如下图所示。
按下启动按钮SW,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。
为了限制直流电流脉动,电路中接入平波电抗器,电阻R3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
主电路中A、B两点电压经变压器变压为20V,再经过桥式整流后,在2点产生100H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/数转换模块转换PIC16F877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PIC16F877引脚RA1/AN1输入,经A/D转换后作为速度反馈值。本系统中单片机的振荡频率采用4MHz，由PIC16F877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10ms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PIC16F877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,PIC16F877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 软件设计
为使晶闸管控制角超调小，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：
考虑到在本系统中电动机的机电时间常数为0.12s,在实加给定的作用下,偏差不会在几个采样周期内消除掉，故在本系统中测速电路采样周期选取为2ms。
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,程序流程图如下：
假设我们得到过零点时间为Tס,晶闸管控制角时间为Td,那么送入CCP2寄存器CCPR2H:L比较值Tf= Tס+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 结语
设计出的PIC16F877单片机作为双向晶闸管触发电路的调速系统,在中小型直流电机调速系统中具有结构简单,运行可靠,调节范围宽,电流连续性好,响应快等特点, 转速环采用PI控制算法，能有效地抑制转速超调,采用此单片机的调速系统是一种可行的设计方案,运行曲线如下:
参考文献:
[1] 周航慈.单片机应用程序设计技术[M].北京:北京航空航天大学出版社，1991
[2] 陈伯时主编.电力拖动自动控制系统.北京:机械工业出版社,1992
[3] 童诗白编.模拟电子技术基础.高等教育出版社，1998.1
[4] PIC16F87X DATA SHEET, Microchip Technology Inc. 2002
[5] 窦振中编.PIC系列单片机原理和程序设计.北京航空航天大学出版,2000
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本文提出一种高性能直流调速系统，整个系统采用PIC16F877单片机闭环控制，结构简单，成本低。实验结果表明，系统获得了优良的静、动态特性.
【关键词】
闭环直流调速系统；晶闸管；PIC16F877单片机
【Abstract】
The paper reports a high-performance speed control system of DC motor, The system which is closed-loop controlled by PIC16F877 Microcontroller has the advantages of simple hardware ,low cost。The experimental results show that the static and dynamic characteristics of the system are excellent。
【Key Word】
Closed-loop Speed Control System of DC Motor; thyristor； PIC16F877 Microcontroller
0引 言
现代工业生产中,电动机是主要的驱动设备,目前在电力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,又伴随着微电子技术的不断发展,中小功率直流电机采用单片机控制,调速系统具有频率高,响应快,本文论述了采用PIC16F877单片机作为主控制元件,充分利用了PIC16F877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 直流电机调速原理分析
直流电动机的转速n和其它参数的关系可用下式来表示:
在中小功率直流电机中，电枢回路Ra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 系统组成及其工作原理
2.1 系统硬件结构模块框图
下图是系统的模块框图：
2.2 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，PIC16F877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
电路中各元件参数如下图所示。
按下启动按钮SW,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。
为了限制直流电流脉动,电路中接入平波电抗器,电阻R3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
主电路中A、B两点电压经变压器变压为20V,再经过桥式整流后,在2点产生100H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/数转换模块转换PIC16F877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PIC16F877引脚RA1/AN1输入,经A/D转换后作为速度反馈值。本系统中单片机的振荡频率采用4MHz，由PIC16F877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10ms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PIC16F877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,PIC16F877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 软件设计
为使晶闸管控制角超调小，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：
考虑到在本系统中电动机的机电时间常数为0.12s,在实加给定的作用下,偏差不会在几个采样周期内消除掉，故在本系统中测速电路采样周期选取为2ms。
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,程序流程图如下：
假设我们得到过零点时间为Tס,晶闸管控制角时间为Td,那么送入CCP2寄存器CCPR2H:L比较值Tf= Tס+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 结语
设计出的PIC16F877单片机作为双向晶闸管触发电路的调速系统,在中小型直流电机调速系统中具有结构简单,运行可靠,调节范围宽,电流连续性好,响应快等特点, 转速环采用PI控制算法，能有效地抑制转速超调,采用此单片机的调速系统是一种可行的设计方案,运行曲线如下:
参考文献:
[1] 周航慈.单片机应用程序设计技术[M].北京:北京航空航天大学出版社，1991
[2] 陈伯时主编.电力拖动自动控制系统.北京:机械工业出版社,1992
[3] 童诗白编.模拟电子技术基础.高等教育出版社，1998.1
[4] PIC16F87X DATA SHEET, Microchip Technology Inc. 2002
[5] 窦振中编.PIC系列单片机原理和程序设计.北京航空航天大学出版,2000