直流電機轉(zhuǎn)速測量報告

1、直流電機轉(zhuǎn)速控制摘要一、系統(tǒng)總體設(shè)計1.1系統(tǒng)總體方案1.2系統(tǒng)總體框圖二、模塊電路方案比較與論證2.1 電機驅(qū)動2.2 轉(zhuǎn)速檢測三、系統(tǒng)模塊電路的設(shè)計3.1鍵盤3.2顯示部分3.3電機驅(qū)動3.4轉(zhuǎn)速檢測四、軟件設(shè)計五、測試方案與測試結(jié)果5.1 測試方案5.2 測試結(jié)果5.3 誤差分析六、總體結(jié)論七、附錄八、參考文獻摘要：本作品以TI公司的超低功耗MSP430F14和光電傳感器為主要部件，設(shè) 計并制作了電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)用脈沖調(diào)制( PWM控制驅(qū)動電路，從而 改變電機轉(zhuǎn)動，有效的降低了功率浪費和熱耗散，降低了對電源的要求。在測量 部分使用光電傳感器，有效地提高了測量的靈敏度與精度。通過轉(zhuǎn)

2、速測量可以有效控制電機的運轉(zhuǎn)。關(guān)鍵字：MSP430F149光電傳感器 脈沖調(diào)制(PWMAbstract： this work by TI compa ny MSP430F149 photoelectric sen sor and low power consumption for main components, design and manufacture of the motor speed control system. This system by using a pulse modulation (PWM) control circuit, which drive motor rot

3、ation,effectively reduce the wasteand heat dissipation power, reduced to power requirements. In somemeasure photoelectricsensor, effectively improve the accuracy of measurementandsen sitivity. Through measureme nt can effectively con trol motor speed of operati on.Key words: MSP430F149 photoelectric

4、 sen sor pulse modulation (PWM)一、系統(tǒng)總體設(shè)計1.1系統(tǒng)總體方案根據(jù)題目要求，本系統(tǒng)總共分為六大部分：第一部分鍵盤輸入信號控制了 電機轉(zhuǎn)速和顯示。第二部分利用 MSP430F149勺控制功能實現(xiàn)對輸出信號的處理 與控制。第三部分驅(qū)動電路，使用 MSP430俞出PWM波控制驅(qū)動電路，使其輸出 相應(yīng)的驅(qū)動電壓。第四部分檢測電路，主要采用光電傳感器檢測電機轉(zhuǎn)速， 將輸 出的脈沖信號通過電壓比較器，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的高低電平，送入MSP43C計算轉(zhuǎn)速， 將結(jié)果送入第五部分顯示模塊顯示相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。1.2系統(tǒng)總體框圖圖一系統(tǒng)總體框圖二、模塊電路方案比較與論證2.1電機驅(qū)動方案一：

5、Cuk變換電路庫克變換電路屬于升降壓型直流變換電路，通過 PWM波的控制，可以改變 電路輸出的電壓，從而通過這個可變的電壓改變電機的轉(zhuǎn)速。 其輸入與輸出的關(guān) 系如下式：Uo=-Ud*D/ （ 1-D）其中D為PWM波的占空比，Ud是輸入電壓，Uo是電路的輸出電壓。通過 具體電路如圖所示：1 0C1I 1+LVC2R1B1p応WD17QJUCuk變換器：美國加州理工學(xué)院 Slobodan Cuk提出的對Buck/Boost改進 的單管不隔離直流變換器，在輸入輸出端均有電感，可以顯著減小輸入和輸出電 流的脈動，同樣是輸出電壓的極性與輸入電壓相反， 同樣是輸出電壓既可低于也 可高于輸入電壓。Cuk變

6、換器可看做是Boost變換器和Buck變換器串聯(lián)而成， 合并了開關(guān)管。開關(guān)管Q也為PW控制方式。Cuk變換器也有CCM和DCM兩種工 作方式，但不是指電感電流，而是指流過二極管的電流連續(xù)或斷續(xù)。 在一個開關(guān)周期中開關(guān)管Q的截止時間(1-Dy)Ts內(nèi)，若二極管電流總是大于零，則為電流 連續(xù)；若二極管電流在一段時間內(nèi)為零，則為電流斷續(xù)工作；若二極管電流在 t=Ts時剛降為零，則為臨界連續(xù)工作方式。Cuk變換器中有兩個電感，這兩個電感之間可以沒有耦合，也可以有耦合，耦合 電感可進一步減小電流脈動量。分析時增加一個假設(shè)：耦合電容C1容量很大，變換器在穩(wěn)態(tài)工作時C1的電壓基 本保持恒定。CCM寸的基本關(guān)

7、系：輸出電壓與輸入電壓間的關(guān)系：* = 而卩a二+心Dt=0.5吋，心旳：Dy0.5時，時，盼呱。即輸出電壓既可低于也可高于輸入電壓。10 1-坷 輸出平均電謊和輸入平均電謊的關(guān)系：二-人 %電感L1的平均電蹄等于開關(guān)管Q的平均電流；=1嚴 *電感L2的平均電疣等于二極管D的平均電流：1L2 = * = * 開關(guān)管Q和二極管D在截止時所祇受的電壓:% 皿 二+%Cuk變換器中，電源能量經(jīng)過3次變換才到負載。第一次是 Q導(dǎo)通，電感 L1儲能增長，電能轉(zhuǎn)換為磁儲能；第二次是Q截止，L1的磁能轉(zhuǎn)移為C1的電能 存儲著；第三次是Q導(dǎo)通，C1的電能轉(zhuǎn)移到負載和輸出回路的電感 L2和電容Cf。 實際上，第

8、一、三次兩個轉(zhuǎn)換是同時進行的。Cuk變換器中兩電感電流增長率和下降率僅與 Vin、Vo和自身電感大小有關(guān)。電 感確定后，兩電流增長率只由 Vin大小決定，分別為Vin/L1和Vin/L2 ;下降率 只與Vo有關(guān)，分別為 Vo/L1和Vo/L2。DCM寸的基本關(guān)系：輸岀電壓與瞅電壓間的關(guān)系:乞二冬%血苴中：皿 LD (1-Dy) J為關(guān)斷后電感電歸下降到零的時間I輸出平均電療和輸入平均電瀟的關(guān)系：6 巧輸入電謫lib為電感LI的平均電流：g二llx AZ) l)厶厶畑1 J=0電殊斷續(xù)工作時回路中授有電疏否則有或正或筑的電流輸出電流I為電感L2的平均電疣：10 - 112 噸關(guān)駕律=慫 可見*若

9、厶，則AD 12皿兩電感有耦合的Cuk變換器:如果兩電感L1和L2繞在同一鐵芯上，則兩個電感互相耦合，除自感外還有互感 M通常用耦合系數(shù)k來表示耦合程度：耦合電感可以進一步減小輸入電流和輸出電感電流的脈動。但是該方案對電容要求較高，且需要兩個電感，電路比較復(fù)雜，適合于大功率的 電機驅(qū)動。所以該方案在本設(shè)計中不合適。方案二：三極管驅(qū)動放大采用三極管將PWM波的功率進行放大，使其在0到9伏之間變化，從而產(chǎn) 生驅(qū)動電機的能量源。這樣才能使三極管有效的放大并輸出穩(wěn)定的控制電壓。三極管放大器的基本電路如圖3-7-1（a）所示。圖中Vbe為待放大的交流小信號, 經(jīng)三極管放大后從集電極輸出。直流電壓XeQ和

10、Vcc為三極管提供直流偏置電壓， 保證三極管工作在放大模式。圖3-7-1三極管放大器電路電壓放大倍數(shù)也稱為電壓增益，它定義為輸出交流電壓與輸入交流電壓的比值。在圖3-7-1所示的電路中，集電極的總瞬時電壓為VC 二 Vcc - iC RC=Vcc - Icqic Rc（3.7.18）-VCC cqRc _ icRC=Vcq -icRc =VcqVc其中VcQ二Vcc -IcqRc為集電極的直流偏置電壓，集電極輸出的交流電壓為Vc = TcRe 八 gmVbe Rc = 一 gmRc Vbe（ 3.7.19）因此電壓放大倍數(shù)為vc卩B Rc/、Av二-gmRcRcRcC（ 3.7.20 ）vbe

11、rer erbe可見放大倍數(shù)的大小與三極管的跨導(dǎo) gm成正比關(guān)系。同時應(yīng)注意，該式中 負號表示了輸出信號與輸入信號為反相關(guān)系， 即輸出信號與輸入信號的相位差為 180o。其具體電路如圖所示:方案三：運算放大器功率放大采用電壓串聯(lián)負反饋電路，將濾波后的 PWM波信號進行有效的放大，使其 輸出在(012V之間變化。從而驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動，以達到電機轉(zhuǎn)速控制的目的。 電路如下圖所示：-122.2轉(zhuǎn)速檢測方案一：霍爾傳感器檢測轉(zhuǎn)速霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器?；魻栃?yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾(A.H.Hall , 18551938)于1879年在研究金屬的導(dǎo)電 機構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)

12、現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體的霍爾效 應(yīng)比金屬強得多，利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化技 術(shù)、檢測技術(shù)及信息處理等方面?；魻栃?yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方法。 通過霍爾效應(yīng)實驗測定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃 度及載流子遷移率等重要參數(shù)。在電機軸上裝個磁片，電機轉(zhuǎn)動帶動磁片轉(zhuǎn)動，發(fā)生磁場變化，用一個霍 爾元件檢測變化的次數(shù)，通過單片機計數(shù)，單位時間的數(shù)量就是電機的轉(zhuǎn)速。方案二：光電傳感器檢測轉(zhuǎn)速光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量 的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。 光電傳感器

13、一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。 光電檢測方法具有精 度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活 多樣，因此，光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛。檢測電路采用發(fā)光二極管作為光源，給電機轉(zhuǎn)軸上貼上反光片，將轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)換成光信號的變化，在將光信號的變化傳入單片機進行處理，計算出轉(zhuǎn)速。三、系統(tǒng)模塊電路的設(shè)計3.1 鍵盤采用紅外遙控控制，分別設(shè)置了加速和減速按鈕3.2 顯示部分顯示采用帶中文字庫的128X64是一種具有4位/8位并行、2線或3線 串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示 模塊；其顯示分辨率為128X 64,內(nèi)置819

14、2個16*16點漢字，和128個16*8點 ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全 中文人機交互圖形界面?？梢燥@示8X 4行16X 16點陣的漢字.也可完成圖形顯 示.低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的 圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。顯示的功能有電機轉(zhuǎn)速值，電機運行狀態(tài)，電路如下所示:3.3電機驅(qū)動3.4 轉(zhuǎn)速檢測轉(zhuǎn)速測量電路采用方案一。霍爾開關(guān)檢測電機轉(zhuǎn)速工作原理：當(dāng)一塊通有電流的金屬或半導(dǎo)體薄片垂直地放在磁場中時，薄片的兩端就會 產(chǎn)生電位差，

15、這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應(yīng)。兩端具有的電位差值稱為霍爾電勢 U,其 表達式為：U=KIB/ d式中,K為霍爾系數(shù),1為薄片中通過的電流 ,B為外加磁場（洛倫慈力 Lorrentz）的磁感應(yīng)強度,d是薄片的厚度。由此可見,霍爾效應(yīng)的靈敏度高低與 外加磁場的磁感應(yīng)強度成正比。利用霍爾傳感器檢測轉(zhuǎn)速的原理是：在待測的電機上貼一小磁片，小磁片越多，檢測轉(zhuǎn)速的分辨率越高，將霍爾開關(guān)固定在笑磁片旁邊， 每當(dāng)小磁片經(jīng)過 霍爾開關(guān)時，霍爾開關(guān)電路便產(chǎn)生一個相應(yīng)的電脈沖。 檢測單位時間內(nèi)的脈沖數(shù) x，即可確定待測物體的轉(zhuǎn)動周期及其轉(zhuǎn)速 NJ 即: N=x/T在檢測的時候，把霍爾開關(guān)產(chǎn)生出的脈沖送入單片機 msp430里，通過捕獲， 獲得脈沖數(shù)，然后通過上面的公式將轉(zhuǎn)速計算出來，然后送到顯示器顯示轉(zhuǎn)速， 完成轉(zhuǎn)速測量。檢測電路如圖所示：四、軟件設(shè)計軟件功能描述：需要實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的設(shè)置，測量和顯示，具體流程圖如下所 示：顯示五、測試方案與測試結(jié)果5.1 測試方案通過設(shè)置預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速與實際測量的轉(zhuǎn)速進行比較，分析誤差并繪制了測量誤差曲線。5.2測試結(jié)果 .根據(jù)實驗測試和誤差分析繪制了測量誤差曲線，如圖4所示。誤差分析表明，轉(zhuǎn)速測量誤差在 5鳩內(nèi)，并且隨著轉(zhuǎn)速預(yù)設(shè)值的增加測量誤差愈小，呈指 數(shù)形式下降，函數(shù)關(guān)系如式（3）所示：5.3 誤差分析 .六、總體結(jié)論本測速系統(tǒng)采用光電傳感器測量速率轉(zhuǎn)化而來的光信號，具