单片机直流电机调速系统设计

单片机直流电机调速系统设计

目 录

摘要 ····································1单片机简介 ································· 1.1单片机的工作原理 ··························· 1.2单片机的发展过程 ··························· 1.3 PIC16F877单片机 ···························2直流电动机 ································· 2.1直流电动机的工作原理 ························· 2.2直流电机调速原理分析 ·························3 系统组成及其工作原理···························· 3.1 系统硬件结构模块框图 ························· 3.2 系统工作原理 ·····························4 系统各部分电路设计····························· 4.1 主电路设计 ······························ 4.2 晶闸管触发电路设计 ·························· 4．3 测速电路设计·····························5 软件设计 ·································6 结语 ···································附录 ····································致谢 ····································参考文献 ··································

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摘 要

现代工业生产中,电动机是主要的驱动设备,目前在电力拖动系统中已大量采用晶闸管(即可控硅)装置向电动机供电的KZ-D拖动系统,取代了笨重的发电动一电机的F- D系统,又伴随着微电子技术的不断发展,中小功率直流电机采用单片机控制调速系统具有频率高,响应快,本文论述了采用PIC16F877单片机作为主控制元件,充分利用了PIC16F877单片机捕捉、比较、模/数转换模块的特点作为触发电路,其优点是:结构简单，能与主电路同步,能平稳移相且有足够的移相范围,控制角可达10000步,能够实现电机的无级平滑控制,脉冲前沿陡且有足够的幅值,脉宽可设定,稳定性与抗干扰性能好等。

关键字：单片机 直流电动机 闭环调速系统

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1、 单片机简介

1.1单片机的工作原理

单片机是将微处理器、存储器、I/O（Input/Output）接口和中断系统集成在同一块芯片上，具有完整功能的微型计算机，这块芯片就是其硬件，软件程序存放在片内或片外扩展的只读存储器内。

1.2单片机的发展过程:

1.2.1第一代单片机（1974——1976年）

这是单片机发展的起步阶段。 其特点是制造工艺落后，集成度较低，而且采用双片形式，典型的代表产品有Fairchild公司的F8系列机。

1.2.2第二代单片机（1976——1978年）

这一阶段生产的单片机已是单块芯片，但其性能低、品种少、寻址范围有限、应用范围也不广。最典型的产品是Intel公司的 MCS-48系列机。

1.2.3第三代单片机（1979——1982年）

这是8位单片机的成熟阶段。这一代单片机不仅存储容量大、寻址范围广，而且中断源、并行I/O口、定时器/计数器的个数都有不同程度的增加，同时它还新集成了全双工串行通信接口电路。在指令系统方面普遍增设了乘除法和比较指令。代表产品有Intel公司的MCS-51系列机。

1.2.4单片机（1983年以后）

这一阶段8位单片机向更高性能发展，同时出现了工艺先进、集成度高、内部功能更强和运算速度更快的16位单片机，它允许用户采用面向工业控制的专业语言，如C语言等。代表产品有Intel公司的MCS-96系列机

1.3 PIC16F877单片机

PIC 16F87X系列单晶片是Microchip 公司所推出的产品，它为一颗RISC的八位单元微电脑控制单晶片，搭配了高速8K的采用Flash型式的程式记忆体及5组的I/O ports，和支持14个中断。

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1.3.1 PIC16F877的特性说明如下： ●采用高性能的RISC CPU核心 ●8位单元微电脑控制晶片 ●8Kx14程式记忆体(Flash)

●368Bytes资料记忆体及256Bytes的EEPROM资料记忆体 ●5组I/O ports(A,B,C,D,E)

●2组8位单元计时/计数器Timer0,Timer2，及1组16位单元计时/计数器Timer1 ●支持14个中断处理

2、直流电动机

2.1直流电动机的工作原理

图1为一台最简单的两极直流电动机的工作原理图。N和S是一对固定的磁极，转子上只有一个线圈。线圈的两端a和d分别接到称为换向片的圆弧形铜片1和2上。两个换向片构成换向器。换向器固定在转轴上，随转子同步转动。A和B是两个静止的电刷，A只能和上边的换向片接触，B只能和下边的换向片接触。两个电刷引出两根线，用于和直流电源连接.

电动机起动时，电刷A接正极,电刷B接负极。电流从电源正极流出，经电刷A流入绕组，经电刷B流回电源负极。电流的方向为d到c，从b流到a，具体如图1（a）所示。ab和cd两条边处于磁场中，将受到电磁力的作用。依左手定则，ab边受力方向向里，使转子顺时针转动。伴随着转子的转动,ab和cd边的位置将发生变化。若保持电流的原方向不变，将导致电动机反转。当ab边由N极下转动到S极下时，电流的方向必须同时改变，以使电动机的电磁转矩方向不变。

由图1（b）知，当ab边由N极下转动到S极下时，两个换向片的位置恰好互换，从而使流过线圈的电流方向改变，保证了电动机的连续运行，这便是直流电动机的工作原理。

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（a）ab边处于N极下 （b）ab边处于S极

图1直流电动机原理图

2.2、直流电机调速原理分析

直流电动机的转速n和其它参数的关系可用下式来表示 在中小功率直流电机中，电枢回路Ra电阻非常小，式(4)中IaRa项可省略不计，由此可见，直流电机的调速当改变电枢电压时，转速n随之改变。理论上也可以通过提高电压来提高电动机的转速，但电动机不可以在额定电压以上的电源环境下工作。因此，采用改变电源电压调节电动机速度时，一般只可以从额定电压开始降压调速。

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3 、系统组成及其工作原理

3.1 系统硬件结构模块框图

下图是系统的模块框图：

图2 系统的模块框图

3.2 系统工作原理

本系统主要由主控开关,电机激磁电路,晶闸管调速电路(包括测速电路),整流滤波电路,平波电抗器及放电电路,能耗制动电路组成,系统采用闭环PI 调节器控制。当主控开关闭合后,单相交流电经晶闸管调速电路控制后,又经过桥式整流、滤波、平波电抗器后,获得脉冲小,连续的直流,提供给电机,同时,交流电通过激磁电路整流后,使电机获得励磁,开始工作。调节触发电路中的速度设定电位器RP1,使得当AN1输入电压减小时，PIC16F877单片机输出的控制角也相应减小,晶闸管导通角随之增加,主电路输出电压增大，电机速度增大,同时测速电路输出电压也增大,经PI调节器作用后,电机在设定的速度范围内稳定运转。

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4 、系统各部分电路设计

4.1 主电路设计

电路中各元件参数如下图所示。

图3 主电路图

按下启动按钮SW,接触器KM线圈通电, KM常开触点闭合,常闭触点打开,启动按钮自锁,主电路导通, 晶闸管调速电路通过改变双向晶闸管控制角大小来控制交流电输出,再经桥式整流,滤波后,得到直流, 同时,电机通过激磁电路整流后,获得励磁,开始工作。

为了直流电流脉动,电路中接入平波电抗器,电阻R3在主电路突然断电时,为平波电抗器提供放电回路。

为了加快制动与停车,本装置中采用能耗制动,由电阻R4与主电路接触器常闭触点组成制动环节。 电动机激磁由单独整流电路供电,为了防止电动机失磁而引起飞车事故,在激磁电路中,串接欠电流继电器KA,动作电流可通过电位器RP进行调整。

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4.2 晶闸管触发电路设计

主电路中A、B两点电压经变压器变压为20V,再经过桥式整流后,在2点产生100H左右的半波信号,通过R6,R7分压后接入NPN三极管进行放大, 在三极管集电极产生过零脉冲,利用CCP1模块先捕捉过零脉冲上升沿,记下其发生时间,紧接着捕捉过零脉冲下降沿,两者的时间差即为过零脉冲宽度,其值的一半即为脉冲中点,采用这样的捕捉方式可以精确地得到交流电的实际过零点,同时利用ADC模/数转换模块转换PIC16F877引脚RA1/AN1模拟电压的值作为晶闸管控制角的设定值(电机速度设定值),改变电位器RP1设定值,相应改变晶闸管控制角大小,同时测速电路输出值由PIC16F877引脚 RA1/AN1输入,经A/D转换后作为速度反馈值。本系统中单片机的振荡频率采用4MHz，由PIC16F877单片机指令周期的特点可知，晶闸管控制角的分辨率是单片机振荡频率的四分之一的倒数，即1us，对于工频电的半波时间10ms来说，控制角可达10000步，完全能够实现电机的无级平滑控制。

图4 晶闸管触发电路图

4．3 测速电路设计

测速电路由附着在电机转子上的光码盘及电脉冲放大整形电路组成。电脉冲的频率与电机的转速成固定的比例关系,光码盘输出的电脉冲信号经放大整形为标堆 TTL电平从PIC16F877单片机引脚RC0/T1CKI输入,通过TMR1计数器进行计数,从而算出转速,将这个转速与预置转速进行比较,得出差值, PIC16F877通过对这个差值进行PI运算，得出控制增量，在CCP2送出晶闸管控制角的大小,从而改变加在电机两端的有效电压，最终达到控制转速的目的。

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5 、软件设计

为使晶闸管控制角超调小，将速度闭环控制设计成为典型I系统，即PI调节器，用来调节晶闸管控制角时间Td,其控制算法为：

考虑到在本系统中电动机的机电时间常数为0.12s,在实加给定的作用下,偏差不会在几个采样周期内消除掉，故在本系统中测速电路采样周期选取为2ms。

本系统的软件设计模块主要包括CCP1上升沿捕捉模块, CCP1下升沿捕捉模块,控制角设定值A/D转换模块, 测速电路脉冲定时计数模块, PI调节器模块,CCP2比较输出模块等,程序流程图如下：

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假设我们得到过零点时间为T,晶闸管控制角时间为Td,那么送入CCP2寄存器CCPR2H:L比较值

Tf= T+Td,比较一致后,将在CCP2引脚上输出高电平,使晶闸管导通,然后根据所需的触发脉宽值,再次修改CCPR2H:L值,使输出高电平触发脉冲维持一定的时间后再回到低电平,这样就完成一个双向晶闸管触发脉冲输出

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6 、结语

设计出的PIC16F877单片机作为双向晶闸管触发电路的调速系统,在中小型直流电机调速系统中具有结构简单,运行可靠,调节范围宽,电流连续性好,响应快等特点, 转速环采用PI控制算法，能有效地抑制转速超调,采用此单片机的调速系统是一种可行的设计方案,运行曲线如下:

图5 系统调速曲线

顺利如期的完成本次毕业设计给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心，而不足和遗憾不会给我打击只会更好的鞭策我前行，今后我更会关注新技术新设备新工艺的出现，并争取尽快的掌握这些先进的知识，更好的为祖国的四化服务。

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附 录

单片机调速程序

直流电机驱动电路模块J0为正转输入接入P0.0脚，J1为反转输入接入P0.1脚，按键模块顺序接入P2口 ORG 0000H

AJMP MAIN ORG 0100H

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MAIN:

DIAN:JNB P2.7,K6_0 ;1 第一键按下 JNB P2.6,K6_1 ;2 JNB P2.5,K6_2 ;3 JNB P2.4,K6_3 ;4 JNB P2.3,K6_4 ;5 JNB P2.2,K6_5 ;6 JNB P1.0,K5 ;7 JNB P1.1,K4 ;1 JNB P1.2,K4_2 ;2 AJMP DIAN

用占空比来输出不同的频率 K6_0: CLR P0.0 ;1 ACALL YSH0GS

SETB P0.0 ACALL YSH0AS AJMP DIAN

RET K6_1: CLR P0.0 ACALL YSH0CS

SETB P0.0 ACALL YSH09S AJMP DIAN

RET K6_2: CLR P0.0 ACALL YSH09S

SETB P0.0 ACALL YSH09S AJMP DIAN

RET K6_3: CLR P0.0 ;4 ACALL YSH05S

SETB P0.0

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ACALL YSH05S AJMP DIAN

RET K6_4: CLR P0.0 ;5 ACALL YSH03S

SETB P0.0 ACALL YSH03S AJMP DIAN RET

K6_5: CLR P0.0 ACALL YSH01S

SETB P0.0 ACALL YSH01S AJMP DIAN RET K5: CLR P0.0 ;7 ACALL YSH09S

SETB P0.0 ACALL YSH03S AJMP DIAN RET

K4: CLR P0.0 ACALL YSH09S

SETB P0.0 ACALL YSH01S AJMP DIAN RET

K4_2:CLR P0.0 ACALL YSH08S

SETB P0.0 ACALL YSH01S AJMP DIAN

RET K4_3:CLR P0.0

;6 ;1[H] 15

;2[H] ;3[H]

ACALL YSH07S

SETB P0.0 ACALL YSH01S AJMP DIAN

RET ;延时子程序 YSH01S: MOV R3,#01H LOOP01: MOV R4,#01H LOOP011: MOV R5,#03AH XHD01: DJNZ R5,XHD01 DJNZ R4,LOOP011 DJNZ R3,LOOP01

RET YSH02S: MOV R3,#01H LOOP02: MOV R4,#01H LOOP021: MOV R5,#04AH XHD02: DJNZ R5,XHD02

DJNZ R4,LOOP021 DJNZ R3,LOOP02 RET YSH03S: MOV R3,#01H LOOP03: MOV R4,#01H LOOP031: MOV R5,#05AH XHD03: DJNZ R5,XHD03 DJNZ R4,LOOP031 DJNZ R3,LOOP03 RET YSH04S: MOV R3,#01H LOOP04: MOV R4,#01H LOOP041: MOV R5,#06AH XHD04: DJNZ R5,XHD04 DJNZ R4,LOOP041 DJNZ R3,LOOP04 RET YSH05S: MOV R3,#01H

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LOOP05: MOV R4,#01H LOOP051: MOV R5,#07AH XHD05: DJNZ R5,XHD05 DJNZ R4,LOOP051 DJNZ R3,LOOP05 RET YSH06S: MOV R3,#01H LOOP06: MOV R4,#01H LOOP061: MOV R5,#08AH XHD06: DJNZ R5,XHD06 DJNZ R4,LOOP061 DJNZ R3,LOOP06 RET YSH07S: MOV R3,#01H LOOP07: MOV R4,#03H LOOP071: MOV R5,#03AH XHD07: DJNZ R5,XHD07 DJNZ R4,LOOP071 DJNZ R3,LOOP07 RET YSH08S: MOV R3,#01H LOOP08: MOV R4,#05H LOOP081: MOV R5,#03AH XHD08: DJNZ R5,XHD08 DJNZ R4,LOOP081 DJNZ R3,LOOP08 RET YSH09S: MOV R3,#01H LOOP09: MOV R4,#07H LOOP091: MOV R5,#04AH XHD09: DJNZ R5,XHD09 DJNZ R4,LOOP091 DJNZ R3,LOOP09 RET YSH0AS: MOV R3,#01H

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LOOP0A: MOV R4,#07H LOOP0A1: MOV R5,#05AH XHD0A: DJNZ R5,XHD0A DJNZ R4,LOOP0A1 DJNZ R3,LOOP0A

RET

YSH0BS: MOV R3,#01H LOOP0B: MOV R4,#08H LOOP0B1: MOV R5,#05AH XHD0B: DJNZ R5,XHD0B DJNZ R4,LOOP0B1 DJNZ R3,LOOP0B

RET YSH0CS: MOV R3,#01H LOOP0C: MOV R4,#09H LOOP0C1: MOV R5,#05AH XHD0C: DJNZ R5,XHD0C DJNZ R4,LOOP0C1 DJNZ R3,LOOP0C RET YSH0DS: MOV R3,#01H LOOP0D: MOV R4,#0AH LOOP0D1: MOV R5,#05AH XHD0D: DJNZ R5,XHD0D DJNZ R4,LOOP0D1 DJNZ R3,LOOP0D

RET YSH0ES: MOV R3,#01FH LOOP0E: MOV R4,#0FFH LOOP0E1: MOV R5,#05AH XHD0E: DJNZ R5,XHD0E DJNZ R4,LOOP0E1 DJNZ R3,LOOP0E RET YSH0FS: MOV R3,#00AH

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LOOP0F: MOV R4,#0ACH LOOP0F1: MOV R5,#05AH XHD0F: DJNZ R5,XHD0F DJNZ R4,LOOP0F1 DJNZ R3,LOOP0F RET YSH0GS: MOV R3,#00FH LOOP0G: MOV R4,#0AFH LOOP0G1: MOV R5,#0AAH XHD0G: DJNZ R5,XHD0G DJNZ R4,LOOP0G1 DJNZ R3,LOOP0G RET END

参考文献

1、晓红 主编 《单片机原理及接口技术》2、陈新龙 张玲 编著 《电工电子技术》

西安电子科技大学出版社 电工电子出版社 19