現代工業生産中，電動機是主要的驅動裝置，目前在直流電動機拖動系統中已大量采用晶閘管(即可控矽)裝置向電動機供電的KZ—D拖動系統，取代了笨重的發電動一電動機的F—D系統，又伴随着電子技術的高度發展，促使直流電機調速逐漸從模拟化向數字化轉變，特别是單片機技術的應用，使直流電機調速技術又進入到一個新的階段，智能化、高可靠性已成為它發展的趨勢。本調速系統采用PIC16F874單片機作為中心處理器，充分利用了PIC16F874單片機捕捉、比較、模/數轉換子產品的特點作為觸發電路，其優點是：結構簡單，能與主電路同步，能平穩移相且有足夠的移相範圍，控制角調整量可達10000步，能夠實作電機的無級平滑控制，脈沖前沿陡且有足夠的幅值，脈寬可設定，穩定性與抗幹擾性能好等。
1 直流電機調速原理
直流電動機的轉速n和其它參數的關系可用下式來表示：
(1)
(1)式中： Va-電樞電壓，Ia-電樞電流，Ra-電樞回路總電阻，Ca-電勢常數，Φ -勵磁磁通。
(2)
(2)式中： p-磁極對數，N-導體數，a-電樞支路數。
CaΦ=K (3)
(3)式中：當電機型号确定後，CaΦ常數，故式式(1)改變為
在中小功率直流電機中，電樞回路電阻非常小，式(4)中IaRa項可省略不計，由此可見，直流電機的調速當改變電樞電壓時，轉速n随之改變。
2 系統工作原理
本系統主要由主要開關，電機激磁電路，晶閘管調速電路(包括測速電路)，整流濾波電路，平波電抗器及放電電路，能耗制動電路組成，系統采用閉環PI調節器控制。當主要開關閉合後，單相交流電經晶閘管調速電路控制後，又經過橋式整流、濾波、平波電抗器後，獲得脈沖小，連續的直流，提供給電機，同時，交流電通過激磁電路整流後，使電機獲得勵磁，開始工作。調節觸發電路中的速度設定電位器RP1，使得當AN1輸入電壓減小時，PIC16F874單片機輸出的控制角也相應減小，晶閘管導通角随之增加，主電路輸出電壓增大，電機速度增大，同時測速電路輸出電壓也增大，經PI調節器作用後，電機在設定的速度範圍内穩定運轉。
3 系統各部分電路設計
3.1 主電路設計
主電路中各元件參數如圖1所示：
按一下啟動按鈕SB1，接觸器KM線圈通電，KM常開觸點閉合，常閉觸點打開，啟動按鈕自鎖，主電路導通。晶閘管調速電路通過改變雙向晶閘管控制角大小來控制交流電輸出，再經橋式整流，濾波後，得到直流，同時，電機通過激磁電路整流後，獲得勵磁，開始工作。
按一下停止按鈕SB2，接觸器KM線圈斷電，KM常開觸點打開，常閉觸點閉合，自鎖解除，主電路斷電，電機停止工作。
為了限制直流電流脈動，電路中接入平波電抗器，電阻 在主電路突然斷電時，為平波電抗器提供放電回路。
為了加快制動與停車，本裝置中采用能耗制動，由電阻R4與主電路接觸器常閉觸點組成制動環節。電動機激磁由單獨整流電路供電，為了防止電動機失磁而引起飛車事故，在激磁電路中，串接欠電流繼電器KA。動作電流可通過電位器RP進行調整。
3.2 晶閘管觸發電路設計
晶閘管觸發電路及參數具體如圖2所示，來自主電路中A、B兩點電壓經變壓器變壓為-20 V，再經過橋式整流後，在2點産生100 Hz左右的半波信号，通過R6，R7分壓後接入NPN三極管進行放大，在三極管集電極産生過零脈沖，利用CCP1子產品先捕捉過零脈沖上升沿，記下其發生時間，緊接着捕捉過零脈沖下降沿，兩者的時間差即為過零脈沖寬度，其值的一半即為脈沖中點，采用這樣的捕捉方式可以精确地得到交流電的實際過零點，同時利用ADC模傲轉換子產品轉換PIC16F874引腳RA1/AN1模拟電壓的值作為晶閘管控制角的設定值(電機速度設定值)，改變電位器RP1設定值，相應改變晶閘管控制角大小，同時測速電路輸出值由PIC16F874引腳RC0/T1CKI輸入，經過TMR1計數器計數，算出轉速，作為速度回報值。本系統中單片機的振蕩頻率采用4 MHz，由PIC16F874單片機指令周期的特點可知，晶閘管控制角的分辨率是單片機振蕩頻率的四分之一的倒數，即1us，對于工頻電的半波時間10 ms來說，控制角可達10000步，完全能夠實作電機的無級平滑控制。
3.3 測速電路設計
測速電路由附着在電機轉子上的光碼盤及電脈沖放大整形電路組成。電脈沖的頻率與電機的轉速成固定的比例關系，光碼盤輸出的電脈沖信号經放大整形為标堆TTL電平從PIC16F874單片機引腳RC0/T1CKI輸入，通過TMR1計數器進行計數，進而算出轉速，将這個轉速與預置轉速進行比較，得出內插補點，PIC16F874通過對這個內插補點進行PI運算，得出控制增量，在CCP2送出晶閘管控制角的大小，進而改變加在電機兩端的有效電壓，最終達到控制轉速的目的。
4 系統軟體設計
将速度閉環控制設計成為典型I系統，即PI調節器，用來調節晶閘管控制角時間Td，其控制算法為：
其中a1=Kp，Kp-控制器的比例系數，T1-積分時間常數，Ti-采樣周期。
本系統的軟體設計子產品主要包括CCP1上升沿捕捉子產品，CCP1下升沿捕捉子產品，控制角設定值A/D轉換子產品，測速電路脈沖定時計數子產品，PI調節器子產品，CCP2比較輸出子產品等，各子產品程式流程圖的關系如圖3所示。
圖3 CCP1，CCP2子產品中斷程式流程圖
假設我們得到過零點時間為Tσ，晶閘管控制角時間為Td，那麼送入CCP2寄存器CCPR2H:L比較值Tf=Tσ+Td，比較一緻後，将在CCP2引腳上輸出高電平，使晶閘管導通，然後根據所需的觸發脈寬值，再次修改CCPR2H：L值，使輸出高電平觸發脈沖維持一定的時間後再回到低電平，這樣就完成一個雙向晶閘管觸發脈沖輸出。
5 結束語
本系統軟體、硬體設計充分利用了PIC16F874單片機捕捉、比較、模/數轉換子產品的特點，以及單片機振蕩頻率高，響應快等優點，設計出相應的觸發電路，使得PIC16F874單片機的模/數轉換子產品能迅速、準确的轉換速度設定值；CCP1子產品能精确捕捉交流電的過零點；測速電路的定時計數子產品能準确地計數，算出回報轉速；CCP2子產品能及時地比較Tf值輸出觸發脈沖，在中小型直流電機調速系統應用中，具有結構簡單，運作可靠，調節範圍寬，電流連續性好，響應快等特點。