基于PIC12F675單片機和雙向晶閘管開關(guān)實現(xiàn)電動機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

作者：許陽明;徐濟仁;王可人;王皓

1 引言

在日常生產(chǎn)與生活中，大量電動機都以規(guī)定的速度和功率去拖動各種機械?而在軍事上，很多應用往往要求旋轉(zhuǎn)天線在各種條件下都要保持勻速轉(zhuǎn)動，這就要求在不同的情況下，電動機能相應調(diào)整工作速度，以保持恒定的速度?要實現(xiàn)這一功能，最常用的方法是對電動機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)?改變直流電動機的電樞或交流電動機的定子電壓，都可以在一定的范圍里改變轉(zhuǎn)速;也可用雙向晶閘管交流開關(guān)或直接選用模擬控制的通用電動機驅(qū)動器來取代笨重的電動機?發(fā)電機組以及飽和電抗器?本文介紹一個直接由110/240V電源供電的通用電動機驅(qū)動電路和一個MCU以及一個雙向晶閘管開關(guān)來實現(xiàn)控速的設(shè)計方法?其中單片機選用Microchip公司的PIC12F675?與用戶接口的方式有三種一個是接觸傳感器;一個是按鈕;一個是電位器?在該仿真實驗中采用的是電位器?輔助電源從電源電壓中變壓整流獲得?

2 設(shè)計方案和結(jié)構(gòu)

2.1 電路結(jié)構(gòu)

電動機的調(diào)速系統(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示?使用時，可通過設(shè)置電位器的電阻大小，并經(jīng)A/D輸入單片機來預設(shè)速度;單片機通過同步電路與220V交流電源同步，并通過輸出脈沖控制晶閘管的通斷，從而控制電動機的速度，同時將電動機的速度通過速度檢測裝置（霍爾開關(guān)）反饋給單片機以形成閉環(huán)?

2.2 單片機電路的功能原理

該設(shè)計中單片機電路的功能原理圖如圖2所示?它由5V直流副電源和220V交流主電源?單片機?雙向晶閘管開關(guān)和電機整流電路和霍爾開關(guān)組成?其中，單片機的腳1（Vdd）接+5V腳8（Vss）接地，其它引腳的功能與設(shè)計如下：

（1）GP3用于上電復位?在通電的瞬間，C3通過R2充電GP3以經(jīng)延遲后低電平觸發(fā)?延遲的大小和CPU的頻率有關(guān)，對于PIC12F675單片機，延遲只要大于72ms就可以了?GP3外的電阻可以選1kΩ電容應大于0.1μF?二極管D2的作用是在電源快速反復通斷時，保證C3電容能及時放電?

（2）GP4主要用于速度信息的輸入?該腳外的電位器R1用于為GP4輸入一個電平（GP4在這里的功能是10位A/D轉(zhuǎn)換器）?該輸入電平通過A/D轉(zhuǎn)換后，用于給單片機輸入一個預設(shè)速度?將該速度和實際速度進行比較，并計算出速度的偏差，然后查表或通過算法便可以得到延遲Td?電位器R1的阻值應較大（在100kΩ左右），以減少5V副電源的負載壓力?

（3） 通過GP2可輸入同步信號?由于220V的交流電源頻率不是很穩(wěn)，因此，為了保證延遲Td的精確，應通過R5輸入交流信號進行同步?GP2在這里的功能也是A/D轉(zhuǎn)換器，它可將通過R5輸入的交流信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號?R5的阻值要大約在1MΩ左右?因為R5直接接在220V的交流電源上，而單片機的輸入電流不能太大?

（4）通過GP0可輸入霍爾器件產(chǎn)生的電動機轉(zhuǎn)速信號?

霍爾開關(guān)是用于磁場檢測的半導體傳感器，霍爾開關(guān)的實際接線圖如圖3所示，PIC12F675的1腳接5V直流電源，2腳接地，3腳輸出頻率脈沖給單片機的GP0腳?

在正常工作時，霍爾開關(guān)被放置在電動機內(nèi)按周期強度和方向發(fā)生變化的磁場中?其輸出電壓的大小隨著垂直通過霍爾開關(guān)半導體薄片的磁場的強度變化，霍爾開關(guān)有電流式和開關(guān)式兩種?電流式霍爾開關(guān)輸出的是模擬信號，可完全包含磁通量的變化情況;而開關(guān)式霍爾開關(guān)則由于集成了比較器，因而可直接輸出數(shù)字信號?本設(shè)計采用數(shù)字式無疑是最方便的?如果采用電流式，由于選用的是功能全面的自帶比較器的PIC12F675單片機，它的GP1腳上輸入的一個門限電平（由兩個電阻分壓得到）通過單片機內(nèi)部的比較器和GP0腳的轉(zhuǎn)速模擬信號進行比較，也可以實現(xiàn)信號檢測?

由于實際的霍爾開關(guān)要接在電動機的線圈附近，手工改造電動機相對比較困難?因此，該設(shè)計為了方便演示，可以使用一個由555定時器設(shè)計的多諧振蕩器產(chǎn)生的頻率脈沖信號來替代霍爾開關(guān)的輸出信號?

（5）GP5腳輸出的低電平脈沖用于觸發(fā)雙向晶閘管開關(guān)，其腳輸出低電平脈沖的時間是由延遲Td決定的，要保證和主電源同步才能使相位平穩(wěn)的前后移動?GP5腳的低脈沖可以使雙向晶閘管開關(guān)保持導通，直到220V電源反向?

此外，在實際應用中，雙向晶閘管開關(guān)對觸發(fā)電路的要求如下：

（1） 雙向晶閘管開關(guān)從截止到完全導通需要一定的時間（一般在10μs下），所以觸發(fā)脈沖的寬度要在10μs以上，最好為20~50μs?如果是感性負載，由于電流上升比較慢，實際上還需要更寬的脈沖寬度?

（2） 觸發(fā)電路要有足夠大的電壓和電流?電壓應在4~10V，電流要大于10mA，所以可使用5V的副電源?在雙向晶閘管開關(guān)和GP5之間應接一個0.2kΩ的電阻?

（3） 不觸發(fā)時的電壓應小于0.15~0.2V?觸發(fā)脈沖的前沿要盡量陡，應在10μs以下?

3 軟件的實現(xiàn)

圖4是該設(shè)計中轉(zhuǎn)速和檢測信號的波形時序圖，圖5是本設(shè)計方案的軟件程序流程圖?該程序的主要步驟是復位?初始化?設(shè)置GP2上升沿中斷?設(shè)置A/D通道GP4?讀取電位器設(shè)定的速度值n（n經(jīng)過A/D）和讀取Td預先設(shè)定值等?當交流電源變?yōu)樨摪胫芷跁r，設(shè)置GP2下降沿觸發(fā)和延遲Td即可輸出寬度為Tg的脈沖，同時設(shè)置GP0接收中斷源請求等?一般當霍爾開關(guān)輸入為上升沿時中斷，計數(shù)器計數(shù)，而當霍爾開關(guān)再輸入一個上升沿中斷時，計數(shù)器停止，并記下數(shù)值a，最后在通過比例積分調(diào)節(jié)算法計算出延遲Td后清除n和a?當交流電源變?yōu)檎胫芷跁r，在設(shè)置GP2上升沿觸發(fā)?設(shè)置A/D通道GP4?等待中斷?補償延遲T0?延遲Td以及觸發(fā)脈沖Tg后，便可通過GP4讀取設(shè)置速度n?設(shè)計時正負周期的程序循環(huán)進行?通過計數(shù)器的數(shù)值a計算轉(zhuǎn)速s的算式如下：

s=f/a

其中，f是十六位計數(shù)器1的頻率，為1MHz?

實際上，通過n和a由單片機計算延遲td需要一個準確的算法?數(shù)字調(diào)節(jié)算法一般選擇PI算法，這是在工業(yè)過程控制中應用最廣泛的一種控制形式?其作用在于能夠集比例調(diào)節(jié)的快速和積分調(diào)節(jié)的清除靜差作用于一體，從而使系統(tǒng)的靜?動特性都有所改善?

4 結(jié)論

本文設(shè)計的簡單易行的電動機調(diào)速器雖然解決了電動機的運行效率問題，也比較簡單實用?但也有一些需要改進的地方，尤其在軟件方面，還需要加強功能，以提高算法的效率和準確性?

責任編輯：gt