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：

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