PIC16F877單片機在直流電機閉環調速系統中的應用

0引 言
　　　　
　　現代工業生產中,電動機是主要的驅動設備,目前在電力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,又伴隨著微電子技術的不斷發展,中小功率直流電機采用單片機控制,調速系統具有頻率高,響應快,本文論述了采用PIC16F877單片機作為主控制元件,充分利用了PIC16F877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 直流電機調速原理分析
　　　　
　　直流電動機的轉速n和其它參數的關系可用下式來表示:
　　
　　
　　
　　在中小功率直流電機中，電樞回路Ra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 系統組成及其工作原理
　　2.1 系統硬件結構模塊框圖
　　
　　下圖是系統的模塊框圖：
　　
　　
　　
　　2.2 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，PIC16F877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
　　　　
　　電路中各元件參數如下圖所示。
　　
　　
　　　　
　　按下啟動按鈕SW,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。
　　　　
　　為了限制直流電流脈動,電路中接入平波電抗器,電阻R3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
　　　　
　　主電路中A、B兩點電壓經變壓器變壓為20V,再經過橋式整流后,在2點產生100H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/數轉換模塊轉換PIC16F877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PIC16F877引腳RA1/AN1輸入,經A/D轉換后作為速度反饋值。本系統中單片機的振蕩頻率采用4MHz，由PIC16F877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10ms來說，控制角可達10000步，完全能夠實現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速成固定的比例關系,光碼盤輸出的電脈沖信號經放大整形為標堆TTL電平從PIC16F877單片機引腳RC0/T1CKI輸入,通過TMR1計數器進行計數,從而算出轉速,將這個轉速與預置轉速進行比較,得出差值,PIC16F877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，最終達到控制轉速的目的。
　　
　　4 軟件設計
　　　　
　　為使晶閘管控制角超調小，將速度閉環控制設計成為典型I系統，即PI調節器，用來調節晶閘管控制角時間Td,其控制算法為：
　　
　　
　　　　
　　考慮到在本系統中電動機的機電時間常數為0.12s,在實加給定的作用下,偏差不會在幾個采樣周期內消除掉，故在本系統中測速電路采樣周期選取為2ms。
　　　　
　　本系統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轉換模塊, 測速電路脈沖定時計數模塊, PI調節器模塊,CCP2比較輸出模塊等,程序流程圖如下：
　　
　　
　　　　
　　假設我們得到過零點時間為T,晶閘管控制角時間為Td,那么送入CCP2寄存器CCPR2H:L比較值Tf= T+Td,比較一致后,將在CCP2引腳上輸出高電平,使晶閘管導通,然后根據所需的觸發脈寬值,再次修改CCPR2H:L值,使輸出高電平觸發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脈沖輸出
　　
　　5 結語
　　　　
　　設計出的PIC16F877單片機作為雙向晶閘管觸發電路的調速系統,在中小型直流電機調速系統中具有結構簡單,運行可靠,調節范圍寬,電流連續性好,響應快等特點, 轉速環采用PI控制算法，能有效地抑制轉速超調,采用此單片機的調速系統是一種可行的設計方案,運行曲線如下:
　　
　　
　　
　　參考文獻:
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