PIC16F877單片機在直流電機閉環(huán)調速系統中的應用

0引 言
　　　　
　　現代工業(yè)生產(chǎn)中,電動(dòng)機是主要的驅動(dòng)設備,目前在電力拖動(dòng)系統中已大量采用晶閘管(即可控硅)裝置向電動(dòng)機供電的KZ-D拖動(dòng)系統,取代了笨重的發(fā)電動(dòng)一電動(dòng)機的F-D系統,又伴隨著(zhù)微電子技術(shù)的不斷發(fā)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(diǎn)作為觸發(fā)電路,其優(yōu)點(diǎn)是:結構簡(jiǎn)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(shí)現電機的無(wú)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(dòng)機的轉速n和其它參數的關(guān)系可用下式來(lái)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(jiàn)，直流電機的調速當改變電樞電壓時(shí)，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(kāi)關(guān),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(dòng)電路組成,系統采用閉環(huán)PI調節器控制。當主控開(kāi)關(guān)閉合后,單相交流電經(jīng)晶閘管調速電路控制后,又經(jīng)過(guò)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(shí),交流電通過(guò)激磁電路整流后,使電機獲得勵磁,開(kāi)始工作。調節觸發(fā)電路中的速度設定電位器RP1,使得當AN1輸入電壓減小時(shí)，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(shí)測速電路輸出電壓也增大,經(jīng)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(dòng)按鈕SW,接觸器KM線(xiàn)圈通電, KM常開(kāi)觸點(diǎn)閉合,常閉觸點(diǎn)打開(kāi),啟動(dòng)按鈕自鎖,主電路導通, 晶閘管調速電路通過(guò)改變雙向晶閘管控制角大小來(lái)控制交流電輸出,再經(jīng)橋式整流,濾波后,得到直流, 同時(shí),電機通過(guò)激磁電路整流后,獲得勵磁,開(kāi)始工作。
　　　　
　　為了限制直流電流脈動(dòng),電路中接入平波電抗器,電阻R3在主電路突然斷電時(shí),為平波電抗器提供放電回路。
　　　　
　　為了加快制動(dòng)與停車(chē),本裝置中采用能耗制動(dòng),由電阻R4與主電路接觸器常閉觸點(diǎn)組成制動(dòng)環(huán)節。
　　　　
　　電動(dòng)機激磁由單獨整流電路供電,為了防止電動(dòng)機失磁而引起飛車(chē)事故,在激磁電路中,串接欠電流繼電器KA,動(dòng)作電流可通過(guò)電位器RP進(jìn)行調整。
　　
　　3.2 晶閘管觸發(fā)電路設計
　　　　
　　主電路中A、B兩點(diǎn)電壓經(jīng)變壓器變壓為20V,再經(jīng)過(guò)橋式整流后,在2點(diǎn)產(chǎn)生100H左右的半波信號,通過(guò)R6,R7分壓后接入NPN三極管進(jìn)行放大,在三極管集電極產(chǎn)生過(guò)零脈沖,利用CCP1模塊先捕捉過(guò)零脈沖上升沿,記下其發(fā)生時(shí)間,緊接著(zhù)捕捉過(guò)零脈沖下降沿,兩者的時(shí)間差即為過(guò)零脈沖寬度,其值的一半即為脈沖中點(diǎn),采用這樣的捕捉方式可以精確地得到交流電的實(shí)際過(guò)零點(diǎn),同時(shí)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(shí)測速電路輸出值由PIC16F877引腳RA1/AN1輸入,經(jīng)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(diǎn)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(shí)間10ms來(lái)說(shuō)，控制角可達10000步，完全能夠實(shí)現電機的無(wú)級平滑控制。
　　
　　
　　
　　3．3 測速電路設計
　　　　
　　測速電路由附著(zhù)在電機轉子上的光碼盤(pán)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(guān)系,光碼盤(pán)輸出的電脈沖信號經(jīng)放大整形為標堆TTL電平從PIC16F877單片機引腳RC0/T1CKI輸入,通過(guò)TMR1計數器進(jìn)行計數,從而算出轉速,將這個(gè)轉速與預置轉速進(jìn)行比較,得出差值,PIC16F877通過(guò)對這個(gè)差值進(jìn)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(huán)控制設計成為典型I系統，即PI調節器，用來(lái)調節晶閘管控制角時(shí)間Td,其控制算法為：
　　
　　
　　　　
　　考慮到在本系統中電動(dòng)機的機電時(shí)間常數為0.12s,在實(shí)加給定的作用下,偏差不會(huì )在幾個(gè)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(shí)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(guò)零點(diǎn)時(shí)間為T(mén),晶閘管控制角時(shí)間為T(mén)d,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(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(shí)間后再回到低電平,這樣就完成一個(gè)雙向晶閘管觸發(fā)脈沖輸出
　　
　　5 結語(yǔ)
　　　　
　　設計出的PIC16F877單片機作為雙向晶閘管觸發(fā)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(jiǎn)單,運行可靠,調節范圍寬,電流連續性好,響應快等特點(diǎn), 轉速環(huán)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(xiàn)如下:
　　
　　
　　
　　參考文獻:
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