PIC16F874單片機在直流電機無級調速系統中的應用

現代工業生產中，電動機是主要的驅動設備，目前在直流電動機拖動系統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，取代了笨重的發電動一電動機的F—D系統，又伴隨著電子技術的高度發展，促使直流電機調速逐步從模擬化向數字化轉變，特別是單片機技術的應用，使直流電機調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展的趨勢。本調速系統采用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/數轉換模塊的特點作為觸發電路，其優點是：結構簡單，能與主電路同步，能平穩移相且有足夠的移相范圍，控制角調整量可達10000步，能夠實現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，穩定性與抗干擾性能好等。

1 直流電機調速原理
直流電動機的轉速n和其它參數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，Φ -勵磁磁通。
(2)
(2)式中： p-磁極對數，N-導體數，a-電樞支路數。
CaΦ=K (3)
(3)式中：當電機型號確定后，CaΦ常數，故式式(1)改變為

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，直流電機的調速當改變電樞電壓時，轉速n隨之改變。

2 系統工作原理
本系統主要由主控開關，電機激磁電路，晶閘管調速電路(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，系統采用閉環PI調節器控制。當主控開關閉合后，單相交流電經晶閘管調速電路控制后，又經過橋式整流、濾波、平波電抗器后，獲得脈沖小，連續的直流，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。調節觸發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PI調節器作用后，電機在設定的速度范圍內穩定運轉。

3 系統各部分電路設計
3.1 主電路設計
主電路中各元件參數如圖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節。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進行調整。

3.2 晶閘管觸發電路設計
晶閘管觸發電路及參數具體如圖2所示，來自主電路中A、B兩點電壓經變壓器變壓為-20 V，再經過橋式整流后，在2點產生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，在三極管集電極產生過零脈沖，利用CCP1模塊先捕捉過零脈沖上升沿，記下其發生時間，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模傲轉換模塊轉換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，經過TMR1計數器計數，算出轉速，作為速度反饋值。本系統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，即1us，對于工頻電的半波時間10 ms來說，控制角可達10000步，完全能夠實現電機的無級平滑控制。