直流电机转速测量报告.docx

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直流电机转速测量报告

直流电机转速控制

摘要……………………………………………………………

1、系统总体设计…………………………………………....

1.1系统总体方案.................................................................

1.2系统总体框图.................................................................

二、模块电路方案比较与论证………………………………

2.1电机驱动……………………………………………….

2.2转速检测……………………………………………….

三、系统模块电路的设计……………………………………

3.1键盘…………………………………………………….

3.2显示部分……………………………………………....

3.3电机驱动………………………………………………

3.4转速检测………………………………………………

四、软件设计…………………………………………………

五、测试方案与测试结果……………………………………

5.1测试方案……………………………………………….

5.2测试结果……………………………………………….

5.3误差分析……………………………………………….

六、总体结论…………………………………………………

七、附录………………………………………………………

八、参考文献…………………………………………………

摘要：

本作品以TI公司的超低功耗MSP430F149和光电传感器为主要部件，设计并制作了电机转速控制系统。

该系统用脉冲调制（PWM）控制驱动电路，从而改变电机转动，有效的降低了功率浪费和热耗散，降低了对电源的要求。

在测量部分使用光电传感器，有效地提高了测量的灵敏度与精度。

通过转速测量可以有效控制电机的运转。

关键字:

MSP430F149光电传感器脉冲调制（PWM）

Abstract:

thisworkbyTIcompanyMSP430F149photoelectricsensorandlowpowerconsumptionformaincomponents,designandmanufactureofthemotorspeedcontrolsystem.Thissystembyusingapulsemodulation（PWM）controlcircuit,whichdrivemotorrotation,effectivelyreducethewasteandheatdissipationpower,reducedtopowerrequirements.Insomemeasurephotoelectricsensor,effectivelyimprovetheaccuracyofmeasurementandsensitivity.Throughmeasurementcaneffectivelycontrolmotorspeedofoperation.

Keywords:

MSP430F149photoelectricsensorpulsemodulation（PWM）

1、系统总体设计

1.1系统总体方案

根据题目要求，本系统总共分为六大部分：

第一部分键盘输入信号控制了电机转速和显示。

第二部分利用MSP430F149的控制功能实现对输出信号的处理与控制。

第三部分驱动电路，使用MSP430输出PWM波控制驱动电路，使其输出相应的驱动电压。

第四部分检测电路，主要采用光电传感器检测电机转速，将输出的脉冲信号通过电压比较器，转换成标准的高低电平，送入MSP430计算转速，将结果送入第五部分显示模块显示相应的转速。

1.2系统总体框图

图一系统总体框图

2、模块电路方案比较与论证

2.1电机驱动

方案一：

Cuk变换电路

库克变换电路属于升降压型直流变换电路，通过PWM波的控制，可以改变电路输出的电压，从而通过这个可变的电压改变电机的转速。

其输入与输出的关系如下式：

Uo=-Ud*D/（1-D）

其中D为PWM波的占空比，Ud是输入电压，Uo是电路的输出电压。

通过

具体电路如图所示：

Cuk变换器：

美国加州理工学院SlobodanCuk提出的对Buck/Boost改进的单管不隔离直流变换器，在输入输出端均有电感，可以显著减小输入和输出电流的脉动，同样是输出电压的极性与输入电压相反，同样是输出电压既可低于也可高于输入电压。

Cuk变换器可看做是Boost变换器和Buck变换器串联而成，合并了开关管。

开关管Q也为PWM控制方式。

Cuk变换器也有CCM和DCM两种工作方式，但不是指电感电流，而是指流过二极管的电流连续或断续。

在一个开关周期中开关管Q的截止时间（1-Dy）Ts内，若二极管电流总是大于零，则为电流连续；若二极管电流在一段时间内为零，则为电流断续工作；若二极管电流在t=Ts时刚降为零，则为临界连续工作方式。

Cuk变换器中有两个电感，这两个电感之间可以没有耦合，也可以有耦合，耦合电感可进一步减小电流脉动量。

分析时增加一个假设：

耦合电容C1容量很大，变换器在稳态工作时C1的电压基本保持恒定。

CCM时的基本关系：

Cuk变换器中，电源能量经过3次变换才到负载。

第一次是Q导通，电感L1储能增长，电能转换为磁储能；第二次是Q截止，L1的磁能转移为C1的电能存储着；第三次是Q导通，C1的电能转移到负载和输出回路的电感L2和电容Cf。

实际上，第一、三次两个转换是同时进行的。

Cuk变换器中两电感电流增长率和下降率仅与Vin、Vo和自身电感大小有关。

电感确定后，两电流增长率只由Vin大小决定，分别为Vin/L1和Vin/L2；下降率只与Vo有关，分别为Vo/L1和Vo/L2。

DCM时的基本关系：

两电感有耦合的Cuk变换器：

如果两电感L1和L2绕在同一铁芯上，则两个电感互相耦合，除自感外还有互感M，通常用耦合系数k来表示耦合程度：

耦合电感可以进一步减小输入电流和输出电感电流的脉动。

但是该方案对电容要求较高，且需要两个电感，电路比较复杂，适合于大功率的电机驱动。

所以该方案在本设计中不合适。

方案二：

三极管驱动放大

采用三极管将PWM波的功率进行放大，使其在0到9伏之间变化，从而产生驱动电机的能量源。

这样才能使三极管有效的放大并输出稳定的控制电压。

三极管放大器的基本电路如图3-7-1（a）所示。

图中Vbe为待放大的交流小信号，经三极管放大后从集电极输出。

直流电压VbeQ和Vcc为三极管提供直流偏置电压，保证三极管工作在放大模式。

图3-7-1三极管放大器电路

电压放大倍数也称为电压增益，它定义为输出交流电压与输入交流电压的比值。

在图3-7-1所示的电路中，集电极的总瞬时电压为

（3.7.18）

其中

为集电极的直流偏置电压，集电极输出的交流电压为

（3.7.19）

因此电压放大倍数为

（3.7.20）

可见放大倍数的大小与三极管的跨导

成正比关系。

同时应注意，该式中负号表示了输出信号与输入信号为反相关系，即输出信号与输入信号的相位差为180o。

其具体电路如图所示：

方案三：

运算放大器功率放大

采用电压串联负反馈电路，将滤波后的PWM波信号进行有效的放大，使其输出在（0~12V）之间变化。

从而驱动电机的转动，以达到电机转速控制的目的。

电路如下图所示：

2.2转速检测

方案一：

霍尔传感器检测转速

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。

霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。

后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。

霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。

通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。

在电机轴上装个磁片，电机转动带动磁片转动，发生磁场变化，用一个霍尔元件检测变化的次数，通过单片机计数，单位时间的数量就是电机的转速。

方案二：

光电传感器检测转速

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。

它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。

光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。

光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。

检测电路采用发光二极管作为光源，给电机转轴上贴上反光片，将转速转换成光信号的变化，在将光信号的变化传入单片机进行处理，计算出转速。

三、系统模块电路的设计

3.1键盘

采用P1口的p1.0~p1.3设计了四个中断模式的键盘。

键盘完成的功能有电机的启动与停止，电机转速的增加和减小等功能。

具体电路如下所示：

3.2显示部分

显示采用带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。

可以显示8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。

由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。

显示的功能有电机转速值，电机运行状态，电路如下所示：

3.3电机驱动

电机驱动电路采用方案三极管驱动放大。

三极管将PWM波的功率进行放大，使其在0到9伏之间变化，从而产生驱动电机的能量源。

电路图如下：

3.4转速检测

转速测量电路采用方案二，光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，首先制作了一个光的发射与接收装置，其中包含了光源和光敏器件，用它来检测电机转动引起的变化的光信号。

电路如图所示：

4、软件设计

软件功能描述：

需要实现电机转速的设置，测量和显示，具体流程图如下所示：

5、测试方案与测试结果

5.1测试方案……………………………………………….

通过设置预设的转速与实际测量的转速进行比较，分析误差并绘制了测量误差曲线。

5.2测试结果……………………………………………….

根据实验测试和误差分析绘制了测量误差曲线，如图4所示。

误差分析表明，转速测量误差在5%以内，并且随着转速预设值的增加测量误差愈小，呈指数形式下降，函数关系如式（3）所示：

5.3误差分析……………………………………………….

6、总体结论…………………………………………………

本测速系统采用光电传感器测量速率转化而来的光信号，具有频率响应快，抗干扰能力强等特点。

光电传感器的输出信号经信号调理后，通过单片机对连续脉冲记数来实现转速测控，并且充分利用了单片机的内部资源，有很高的性价比。

经过测试并对误差进行分析发现，该系统的测量误差在5%以内，并且在测量范围内转速越高测量精度越高。

所以该系统在一般的转速检测和控制中均可应用。

　　首先在软件中给出转速预设值，即给定常量speed的值，观察速度稳定后七段数码管的数值，比较实际测量的转速值和预设转速值，计算测量误差，评价测量的准确性，测试结果如表1所示。

7、附录………………………………………………………

程序清单

八、参考文献…………………………………………………