作者：許陽(yáng)明;徐濟(jì)仁;王可人;王皓

1 引言

在日常生產(chǎn)與生活中，大量電動(dòng)機(jī)都以規(guī)定的速度和功率去拖動(dòng)各種機(jī)械?而在軍事上，很多應(yīng)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(dòng)，這就要求在不同的情況下，電動(dòng)機(jī)能相應(yīng)調(diào)整工作速度，以保持恒定的速度?要實(shí)現(xiàn)這一功能，最常用的方法是對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)?改變直流電動(dòng)機(jī)的電樞或交流電動(dòng)機(jī)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(kāi)關(guān)或直接選用模擬控制的通用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)取代笨重的電動(dòng)機(jī)?發(fā)電機(jī)組以及飽和電抗器?本文介紹一個(gè)直接由110/240V電源供電的通用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和一個(gè)MCU以及一個(gè)雙向晶閘管開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)控速的設(shè)計(jì)方法?其中單片機(jī)選用Microchip公司的PIC12F675?與用戶接口的方式有三種一個(gè)是接觸傳感器;一個(gè)是按鈕;一個(gè)是電位器?在該仿真實(shí)驗(yàn)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(jì)方案和結(jié)構(gòu)

2.1 電路結(jié)構(gòu)

電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示?使用時(shí)，可通過(guò)設(shè)置電位器的電阻大小，并經(jīng)A/D輸入單片機(jī)來(lái)預(yù)設(shè)速度;單片機(jī)通過(guò)同步電路與220V交流電源同步，并通過(guò)輸出脈沖控制晶閘管的通斷，從而控制電動(dòng)機(jī)的速度，同時(shí)將電動(dòng)機(jī)的速度通過(guò)速度檢測(cè)裝置（霍爾開(kāi)關(guān)）反饋給單片機(jī)以形成閉環(huán)?

2.2 單片機(jī)電路的功能原理

該設(shè)計(jì)中單片機(jī)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(jī)?雙向晶閘管開(kāi)關(guān)和電機(jī)整流電路和霍爾開(kāi)關(guān)組成?其中，單片機(jī)的腳1（Vdd）接+5V腳8（Vss）接地，其它引腳的功能與設(shè)計(jì)如下：

（1）GP3用于上電復(fù)位?在通電的瞬間，C3通過(guò)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(duì)于PIC12F675單片機(jī)，延遲只要大于72ms就可以了?GP3外的電阻可以選1kΩ電容應(yīng)大于0.1μF?二極管D2的作用是在電源快速反復(fù)通斷時(shí)，保證C3電容能及時(shí)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(gè)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(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，用于給單片機(jī)輸入一個(gè)預(yù)設(shè)速度?將該速度和實(shí)際速度進(jìn)行比較，并計(jì)算出速度的偏差，然后查表或通過(guò)算法便可以得到延遲Td?電位器R1的阻值應(yīng)較大（在100kΩ左右），以減少5V副電源的負(fù)載壓力?

（3） 通過(guò)GP2可輸入同步信號(hào)?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(yīng)通過(guò)R5輸入交流信號(hào)進(jìn)行同步?GP2在這里的功能也是A/D轉(zhuǎn)換器，它可將通過(guò)R5輸入的交流信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)?R5的阻值要大約在1MΩ左右?因?yàn)镽5直接接在220V的交流電源上，而單片機(jī)的輸入電流不能太大?

（4）通過(guò)GP0可輸入霍爾器件產(chǎn)生的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)?

霍爾開(kāi)關(guān)是用于磁場(chǎng)檢測(cè)的半導(dǎo)體傳感器，霍爾開(kāi)關(guān)的實(shí)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(jī)的GP0腳?

在正常工作時(shí)，霍爾開(kāi)關(guān)被放置在電動(dòng)機(jī)內(nèi)按周期強(qiáng)度和方向發(fā)生變化的磁場(chǎng)中?其輸出電壓的大小隨著垂直通過(guò)霍爾開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體薄片的磁場(chǎng)的強(qiáng)度變化，霍爾開(kāi)關(guān)有電流式和開(kāi)關(guān)式兩種?電流式霍爾開(kāi)關(guān)輸出的是模擬信號(hào)，可完全包含磁通量的變化情況;而開(kāi)關(guān)式霍爾開(kāi)關(guān)則由于集成了比較器，因而可直接輸出數(shù)字信號(hào)?本設(shè)計(jì)采用數(shù)字式無(wú)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(jī)，它的GP1腳上輸入的一個(gè)門限電平（由兩個(gè)電阻分壓得到）通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的比較器和GP0腳的轉(zhuǎn)速模擬信號(hào)進(jìn)行比較，也可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)?

由于實(shí)際的霍爾開(kāi)關(guān)要接在電動(dòng)機(jī)的線圈附近，手工改造電動(dòng)機(jī)相對(duì)比較困難?因此，該設(shè)計(jì)為了方便演示，可以使用一個(gè)由555定時(shí)器設(shè)計(jì)的多諧振蕩器產(chǎn)生的頻率脈沖信號(hào)來(lái)替代霍爾開(kāi)關(guān)的輸出信號(hào)?

（5）GP5腳輸出的低電平脈沖用于觸發(fā)雙向晶閘管開(kāi)關(guān)，其腳輸出低電平脈沖的時(shí)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(dòng)?GP5腳的低脈沖可以使雙向晶閘管開(kāi)關(guān)保持導(dǎo)通，直到220V電源反向?

此外，在實(shí)際應(yīng)用中，雙向晶閘管開(kāi)關(guān)對(duì)觸發(fā)電路的要求如下：

（1） 雙向晶閘管開(kāi)關(guān)從截止到完全導(dǎo)通需要一定的時(shí)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(fù)載，由于電流上升比較慢，實(shí)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(yīng)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(kāi)關(guān)和GP5之間應(yīng)接一個(gè)0.2kΩ的電阻?

（3） 不觸發(fā)時(shí)的電壓應(yīng)小于0.15~0.2V?觸發(fā)脈沖的前沿要盡量陡，應(yīng)在10μs以下?

3 軟件的實(shí)現(xiàn)

圖4是該設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)速和檢測(cè)信號(hào)的波形時(shí)序圖，圖5是本設(shè)計(jì)方案的軟件程序流程圖?該程序的主要步驟是復(fù)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(guò)A/D）和讀取Td預(yù)先設(shè)定值等?當(dāng)交流電源變?yōu)樨?fù)半周期時(shí)，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(shí)設(shè)置GP0接收中斷源請(qǐng)求等?一般當(dāng)霍爾開(kāi)關(guān)輸入為上升沿時(shí)中斷，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，而當(dāng)霍爾開(kāi)關(guān)再輸入一個(gè)上升沿中斷時(shí)，計(jì)數(shù)器停止，并記下數(shù)值a，最后在通過(guò)比例積分調(diào)節(jié)算法計(jì)算出延遲Td后清除n和a?當(dāng)交流電源變?yōu)檎胫芷跁r(shí)，在設(shè)置GP2上升沿觸發(fā)?設(shè)置A/D通道GP4?等待中斷?補(bǔ)償延遲T0?延遲Td以及觸發(fā)脈沖Tg后，便可通過(guò)GP4讀取設(shè)置速度n?設(shè)計(jì)時(shí)正負(fù)周期的程序循環(huán)進(jìn)行?通過(guò)計(jì)數(shù)器的數(shù)值a計(jì)算轉(zhuǎn)速s的算式如下：

s=f/a

其中，f是十六位計(jì)數(shù)器1的頻率，為1MHz?

實(shí)際上，通過(guò)n和a由單片機(jī)計(jì)算延遲td需要一個(gè)準(zhǔn)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(guò)程控制中應(yīng)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(dòng)特性都有所改善?

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單易行的電動(dòng)機(jī)調(diào)速器雖然解決了電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率問(wèn)題，也比較簡(jiǎn)單實(shí)用?但也有一些需要改進(jìn)的地方，尤其在軟件方面，還需要加強(qiáng)功能，以提高算法的效率和準(zhǔn)確性?

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