PIC16F877單片機(jī)在直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

0引 言
　　　　
　　現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中,電動(dòng)機(jī)是主要的驅(qū)動(dòng)設(shè)備,目前在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中已大量采用晶閘管(即可控硅)裝置向電動(dòng)機(jī)供電的KZ-D拖動(dòng)系統(tǒng),取代了笨重的發(fā)電動(dòng)一電動(dòng)機(jī)的F-D系統(tǒng),又伴隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展,中小功率直流電機(jī)采用單片機(jī)控制,調(diào)速系統(tǒng)具有頻率高,響應(yīng)快,本文論述了采用PIC16F877單片機(jī)作為主控制元件,充分利用了PIC16F877單片機(jī)捕捉、比較、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的特點(diǎn)作為觸發(fā)電路,其優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能與主電路同步,能平穩(wěn)移相且有足夠的移相范圍,控制角可達(dá)10000步,能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)平滑控制,脈沖前沿陡且有足夠的幅值,脈寬可設(shè)定,穩(wěn)定性與抗干擾性能好等。
　　
　　1 直流電機(jī)調(diào)速原理分析
　　　　
　　直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和其它參數(shù)的關(guān)系可用下式來(lái)表示:
　　
　　
　　
　　在中小功率直流電機(jī)中，電樞回路Ra電阻非常小，式(4)中IaRa項(xiàng)可省略不計(jì)，由此可見(jiàn)，直流電機(jī)的調(diào)速當(dāng)改變電樞電壓時(shí)，轉(zhuǎn)速n隨之改變。
　　
　　2 系統(tǒng)組成及其工作原理
　　2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)模塊框圖
　　
　　下圖是系統(tǒng)的模塊框圖：
　　
　　
　　
　　2.2 系統(tǒng)工作原理
　　　　本系統(tǒng)主要由主控開(kāi)關(guān),電機(jī)激磁電路,晶閘管調(diào)速電路(包括測(cè)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(tǒng)采用閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器控制。當(dāng)主控開(kāi)關(guān)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(guò)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(jī),同時(shí),交流電通過(guò)激磁電路整流后,使電機(jī)獲得勵(lì)磁,開(kāi)始工作。調(diào)節(jié)觸發(fā)電路中的速度設(shè)定電位器RP1,使得當(dāng)AN1輸入電壓減小時(shí)，PIC16F877單片機(jī)輸出的控制角也相應(yīng)減小,晶閘管導(dǎo)通角隨之增加,主電路輸出電壓增大，電機(jī)速度增大,同時(shí)測(cè)速電路輸出電壓也增大,經(jīng)PI調(diào)節(jié)器作用后,電機(jī)在設(shè)定的速度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。
　　
　　3 系統(tǒng)各部分電路設(shè)計(jì)
　　3.1 主電路設(shè)計(jì)
　　　　
　　電路中各元件參數(shù)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(dǎo)通, 晶閘管調(diào)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(jī)通過(guò)激磁電路整流后,獲得勵(lì)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(jié)。
　　　　
　　電動(dòng)機(jī)激磁由單獨(dú)整流電路供電,為了防止電動(dòng)機(jī)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(diào)整。
　　
　　3.2 晶閘管觸發(fā)電路設(shè)計(jì)
　　　　
　　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(hào),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(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換PIC16F877引腳RA1/AN1模擬電壓的值作為晶閘管控制角的設(shè)定值(電機(jī)速度設(shè)定值),改變電位器RP1設(shè)定值,相應(yīng)改變晶閘管控制角大小,同時(shí)測(cè)速電路輸出值由PIC16F877引腳RA1/AN1輸入,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后作為速度反饋值。本系統(tǒng)中單片機(jī)的振蕩頻率采用4MHz，由PIC16F877單片機(jī)指令周期的特點(diǎn)可知，晶閘管控制角的分辨率是單片機(jī)振蕩頻率的四分之一的倒數(shù)，即1us，對(duì)于工頻電的半波時(shí)間10ms來(lái)說(shuō)，控制角可達(dá)10000步，完全能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)平滑控制。
　　
　　
　　
　　3．3 測(cè)速電路設(shè)計(jì)
　　　　
　　測(cè)速電路由附著在電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)的轉(zhuǎn)速成固定的比例關(guān)系,光碼盤(pán)輸出的電脈沖信號(hào)經(jīng)放大整形為標(biāo)堆TTL電平從PIC16F877單片機(jī)引腳RC0/T1CKI輸入,通過(guò)TMR1計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù),從而算出轉(zhuǎn)速,將這個(gè)轉(zhuǎn)速與預(yù)置轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較,得出差值,PIC16F877通過(guò)對(duì)這個(gè)差值進(jìn)行PI運(yùn)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(jī)兩端的有效電壓，最終達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。
　　
　　4 軟件設(shè)計(jì)
　　　　
　　為使晶閘管控制角超調(diào)小，將速度閉環(huán)控制設(shè)計(jì)成為典型I系統(tǒng)，即PI調(diào)節(jié)器，用來(lái)調(diào)節(jié)晶閘管控制角時(shí)間Td,其控制算法為：
　　
　　
　　　　
　　考慮到在本系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)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(nèi)消除掉，故在本系統(tǒng)中測(cè)速電路采樣周期選取為2ms。
　　　　
　　本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)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(shè)定值A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換模塊, 測(cè)速電路脈沖定時(shí)計(jì)數(shù)模塊, PI調(diào)節(jié)器模塊,CCP2比較輸出模塊等,程序流程圖如下：
　　
　　
　　　　
　　假設(shè)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(dǎo)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(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(jié)語(yǔ)
　　　　
　　設(shè)計(jì)出的PIC16F877單片機(jī)作為雙向晶閘管觸發(fā)電路的調(diào)速系統(tǒng),在中小型直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)行可靠,調(diào)節(jié)范圍寬,電流連續(xù)性好,響應(yīng)快等特點(diǎn), 轉(zhuǎn)速環(huán)采用PI控制算法，能有效地抑制轉(zhuǎn)速超調(diào),采用此單片機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)是一種可行的設(shè)計(jì)方案,運(yùn)行曲線(xiàn)如下:
　　
　　
　　
　　參考文獻(xiàn):
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