摘要：分析了由MCU和雙向晶閘管開關來控制通用電動機轉速的原理，提出了一種提高電動機效率的設計方案，給出了該實現(xiàn)方案的硬件電路和軟件程序框圖，同時給出了實驗仿真的結果。

１　引言

在日常生產與生活中，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天線在各種條件下都要保持勻速轉動,這就要求在不同的情況下，電動機能相應調整工作速度，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速進行調節(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速；也可用雙向晶閘管交流開關或直接選用模擬控制的通用電動機驅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動電路和一個ＭＣＵ以及一個雙向晶閘管開關來實現(xiàn)控速的設計方法。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。筆者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　設計方案和結構

２．１ 電路結構

電動機的調速系統(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng)，其結構圖如圖１所示。使用時，可通過設置電位器的電阻大小，并經Ａ／Ｄ輸入單片機來預設速度；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）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、雙向晶閘管開關和電機整流電路和霍爾開關組成。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以經延遲后低電平觸發(fā)。延遲的大小和ＣＰＵ的頻率有關，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。

圖2

    （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轉換器）。該輸入電平通過Ａ／Ｄ轉換后，用于給單片機輸入一個預設速度。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。    在正常工作時，霍爾開關被放置在電動機內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半導體薄片的磁場的強度變化，霍爾開關有電流式和開關式兩種。電流式霍爾開關輸出的是模擬信號，可完全包含磁通量的變化情況；而開關式霍爾開關則由于集成了比較器，因而可直接輸出數(shù)字信號。本設計采用數(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）通過單片機內部的比較器和ＧＰ０腳的轉速模擬信號進行比較，也可以實現(xiàn)信號檢測。    此外，在實際應用中，雙向晶閘管開關對觸發(fā)電路的要求如下：

（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轉換器，它可將通過Ｒ５輸入的交流信號轉化成數(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可輸入霍爾器件產生的電動機轉速信號。

霍爾開關是用于磁場檢測的半導體傳感器，霍爾開關的實際接線圖如圖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。

 

由于實際的霍爾開關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，該設計為了方便演示，可以使用一個由５５５定時器設計的多諧振蕩器產生的頻率脈沖信號來替代霍爾開關的輸出信號。

（５）ＧＰ５腳輸出的低電平脈沖用于觸發(fā)雙向晶閘管開關，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保持導通，直到２２０Ｖ電源反向。

 

（１） 雙向晶閘管開關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是該設計中轉速和檢測信號的波形時序圖，圖５是本設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、設置ＧＰ２上升沿中斷、設置Ａ／Ｄ通道ＧＰ４、讀取電位器設定的速度值ｎ（ｎ經過Ａ／Ｄ）和讀?。裕漕A先設定值等。當交流電源變?yōu)樨摪胫芷跁r，設置ＧＰ２下降沿觸發(fā)和延遲Ｔｄ即可輸出寬度為Ｔｇ的脈沖，同時設置ＧＰ０接收中斷源請求等。一般當霍爾開關輸入為上升沿時中斷，計數(shù)器計數(shù)，而當霍爾開關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，在設置ＧＰ２上升沿觸發(fā)、設置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讀取設置速度ｎ。設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節(jié)的快速和積分調節(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　結論

本文設計的簡單易行的電動機調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。