单片机直流电机调速系统设计.doc

单片机直流电机调速系统设计

目 录
摘要 1
1单片机简介 2
1.1单片机的工作原理 3
1.2单片机的发展过程 4
1.3 PIC16F877单片机 5
2直流电动机 6
2.1直流电动机的工作原理 7
2.2直流电机调速原理分析 8
3 系统组成及其工作原理 9
3.1 系统硬件结构模块框图 10
3.2 系统工作原理 11
4 系统各部分电路设计 12
4.1 主电路设计 12
4.2 晶闸管触发电路设计 13
4．3 测速电路设计 14
5 软件设计 15
6 结语 16
附录 17
致谢 18
参考文献 19

2

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　　

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。

（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。

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。

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。

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。

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：

　 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　

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。

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

 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      
      ACALL YSH05S
      AJMP DIAN
      RET    
  K6_4: CLR P0.0       ;5
      ACALL YSH03S
      SETB P0.0      
      ACALL YSH03S
      AJMP DIAN
      RET    
  K6_5:             ;6
       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       ;1[H]
      ACALL YSH09S
      SETB P0.0      
      ACALL YSH01S
       AJMP DIAN
       RET   
 K4_2:CLR P0.0       ;2[H]
      ACALL YSH08S
      SETB P0.0      
      ACALL YSH01S
       AJMP DIAN
       RET       
 K4_3:CLR P0.0       ;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
  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
  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
  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》 西安电子科技大学出版社
2、陈新龙 张玲 编著 《电工电子技术》 电工电子出版社

19