基于PIC12F675单片机和双向晶闸管开关实现电动机调速系统的设计

作者：许阳明;徐济仁;王可人;王皓

1 引言

在日常生产与生活中，大量电动机都以规定的速度和功率去拖动各种机械｡而在军事上，很多应用往往要求旋转天线在各种条件下都要保持匀速转动，这就要求在不同的情况下，电动机能相应调整工作速度，以保持恒定的速度｡要实现这一功能，最常用的方法是对电动机的转速进行调节｡改变直流电动机的电枢或交流电动机的定子电压，都可以在一定的范围里改变转速;也可用双向晶闸管交流开关或直接选用模拟控制的通用电动机驱动器来取代笨重的电动机､发电机组以及饱和电抗器｡本文介绍一个直接由110/240V电源供电的通用电动机驱动电路和一个MCU以及一个双向晶闸管开关来实现控速的设计方法｡其中单片机选用Microchip公司的PIC12F675｡与用户接口的方式有三种一个是接触传感器;一个是按钮;一个是电位器｡在该仿真实验中采用的是电位器｡辅助电源从电源电压中变压整流获得｡

2 设计方案和结构

2.1 电路结构

电动机的调速系统是一个闭环系统，其结构图如图1所示｡使用时，可通过设置电位器的电阻大小，并经A/D输入单片机来预设速度;单片机通过同步电路与220V交流电源同步，并通过输出脉冲控制晶闸管的通断，从而控制电动机的速度，同时将电动机的速度通过速度检测装置（霍尔开关）反馈给单片机以形成闭环｡

2.2 单片机电路的功能原理

该设计中单片机电路的功能原理图如图2所示｡它由5V直流副电源和220V交流主电源､单片机､双向晶闸管开关和电机整流电路和霍尔开关组成｡其中，单片机的脚1（Vdd）接+5V脚8（Vss）接地，其它引脚的功能与设计如下：

（1）GP3用于上电复位｡在通电的瞬间，C3通过R2充电GP3以经延迟后低电平触发｡延迟的大小和CPU的频率有关，对于PIC12F675单片机，延迟只要大于72ms就可以了｡GP3外的电阻可以选1kΩ电容应大于0.1μF｡二极管D2的作用是在电源快速反复通断时，保证C3电容能及时放电｡

（2）GP4主要用于速度信息的输入｡该脚外的电位器R1用于为GP4输入一个电平（GP4在这里的功能是10位A/D转换器）｡该输入电平通过A/D转换后，用于给单片机输入一个预设速度｡将该速度和实际速度进行比较，并计算出速度的偏差，然后查表或通过算法便可以得到延迟Td｡电位器R1的阻值应较大（在100kΩ左右），以减少5V副电源的负载压力｡

（3） 通过GP2可输入同步信号｡由于220V的交流电源频率不是很稳，因此，为了保证延迟Td的精确，应通过R5输入交流信号进行同步｡GP2在这里的功能也是A/D转换器，它可将通过R5输入的交流信号转化成数字信号｡R5的阻值要大约在1MΩ左右｡因为R5直接接在220V的交流电源上，而单片机的输入电流不能太大｡

（4）通过GP0可输入霍尔器件产生的电动机转速信号｡

霍尔开关是用于磁场检测的半导体传感器，霍尔开关的实际接线图如图3所示，PIC12F675的1脚接5V直流电源，2脚接地，3脚输出频率脉冲给单片机的GP0脚｡

在正常工作时，霍尔开关被放置在电动机内按周期强度和方向发生变化的磁场中｡其输出电压的大小随着垂直通过霍尔开关半导体薄片的磁场的强度变化，霍尔开关有电流式和开关式两种｡电流式霍尔开关输出的是模拟信号，可完全包含磁通量的变化情况;而开关式霍尔开关则由于集成了比较器，因而可直接输出数字信号｡本设计采用数字式无疑是最方便的｡如果采用电流式，由于选用的是功能全面的自带比较器的PIC12F675单片机，它的GP1脚上输入的一个门限电平（由两个电阻分压得到）通过单片机内部的比较器和GP0脚的转速模拟信号进行比较，也可以实现信号检测｡

由于实际的霍尔开关要接在电动机的线圈附近，手工改造电动机相对比较困难｡因此，该设计为了方便演示，可以使用一个由555定时器设计的多谐振荡器产生的频率脉冲信号来替代霍尔开关的输出信号｡

（5）GP5脚输出的低电平脉冲用于触发双向晶闸管开关，其脚输出低电平脉冲的时间是由延迟Td决定的，要保证和主电源同步才能使相位平稳的前后移动｡GP5脚的低脉冲可以使双向晶闸管开关保持导通，直到220V电源反向｡

此外，在实际应用中，双向晶闸管开关对触发电路的要求如下：

（1） 双向晶闸管开关从截止到完全导通需要一定的时间（一般在10μs下），所以触发脉冲的宽度要在10μs以上，最好为20~50μs｡如果是感性负载，由于电流上升比较慢，实际上还需要更宽的脉冲宽度｡

（2） 触发电路要有足够大的电压和电流｡电压应在4~10V，电流要大于10mA，所以可使用5V的副电源｡在双向晶闸管开关和GP5之间应接一个0.2kΩ的电阻｡

（3） 不触发时的电压应小于0.15~0.2V｡触发脉冲的前沿要尽量陡，应在10μs以下｡

3 软件的实现

图4是该设计中转速和检测信号的波形时序图，图5是本设计方案的软件程序流程图｡该程序的主要步骤是复位､初始化､设置GP2上升沿中断､设置A/D通道GP4､读取电位器设定的速度值n（n经过A/D）和读取Td预先设定值等｡当交流电源变为负半周期时，设置GP2下降沿触发和延迟Td即可输出宽度为Tg的脉冲，同时设置GP0接收中断源请求等｡一般当霍尔开关输入为上升沿时中断，计数器计数，而当霍尔开关再输入一个上升沿中断时，计数器停止，并记下数值a，最后在通过比例积分调节算法计算出延迟Td后清除n和a｡当交流电源变为正半周期时，在设置GP2上升沿触发､设置A/D通道GP4､等待中断､补偿延迟T0､延迟Td以及触发脉冲Tg后，便可通过GP4读取设置速度n｡设计时正负周期的程序循环进行｡通过计数器的数值a计算转速s的算式如下：

s=f/a

其中，f是十六位计数器1的频率，为1MHz｡

实际上，通过n和a由单片机计算延迟td需要一个准确的算法｡数字调节算法一般选择PI算法，这是在工业过程控制中应用最广泛的一种控制形式｡其作用在于能够集比例调节的快速和积分调节的清除静差作用于一体，从而使系统的静､动特性都有所改善｡

4 结论

本文设计的简单易行的电动机调速器虽然解决了电动机的运行效率问题，也比较简单实用｡但也有一些需要改进的地方，尤其在软件方面，还需要加强功能，以提高算法的效率和准确性｡

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