单片机直流电机调速系统设计

1单片机直流电机调速系统设计目 录摘要 11 单片机简介 21.1 单片机的工作原理 31.2 单片机的发展过程 41.3 PIC16F877 单片机 52 直流电动机 62.1 直流电动机的工作原理 72.2 直流电机调速原理分析 83 系统组成及其工作原理 93.1 系统硬件结构模块框图 103.2 系统工作原理 114 系统各部分电路设计 124.1 主电路设计 124.2 晶闸管触发电路设计 1343 测速电路设计 145 软件设计 156 结语 16附录 17致谢 18参考文献 1923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 41、 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（19741976 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（19761978 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（19791982 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 第四代单片机（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5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。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。6（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。73 、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。84 、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。为了限制直流电流脉动,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。94.2 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43 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。105 、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