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：

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