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 扌商要：木作品以ti公罰的超低功耗msp430f149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)速測量可 以有

2、效控制電機的運轉(zhuǎn)。關(guān)鍵字： msp430f149 光電傳感器 脈沖調(diào)制(pwm)abstract： this work by ti company msp430f149 photoelectric sensor 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 rotation

3、, effectively reduce the waste and heat dissipation power, reduced to power requirements. in some measure photoelectric sensor, effectively improve the accuracy of measurement and sensitivity. through measurement can effectively control motor speed of operation.key words： msp430f149 photoelectric se

4、nsor 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 屯機轉(zhuǎn)速和顯示。第二部分利用msp430f149的控制功能實現(xiàn)對輸出信號的處理 與控制。第三部分驅(qū)動電路，使用msp430輸出pwm波控制驅(qū)動電路，使其輸 出相應的驅(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)換成標準的高低電平，送入msp430計算轉(zhuǎn) 速，將結(jié)果送入第五部分顯示模塊顯示相應的轉(zhuǎn)速。1.2系統(tǒng)總體框圖顯示msp430驅(qū)動電路電機檢測電路圖一系統(tǒng)總體框圖二、模塊電路方案比較與論證

5、2.1電機驅(qū)動方案一：cuk變換電路庫克變換電路屈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)系如卜式：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 貝體電路如圖所示：r ocl乂+/c2r1bipwm7qru+cuk變換器：美國加州理工學院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叮 高于輸入電壓。cu

6、k變換器可看做是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pwm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(l-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f旦定。ccm時

7、的基本關(guān)系：輸出電壓與輸入電壓間的關(guān)系：$ = 呂一而卩ci仏+%訕uydy=0.5時，b=vm； dy<0.5時'你vin； dy>0.5時，心vim即輸出電壓既可低于也可高于輸入電壓。 "h 】一5輸出平均電流和輸入平均電流的關(guān)系：半= aw dy電感l(wèi)1的平均電流等于開關(guān)管q的平均電流：zg = le=人電感l(wèi)2的平均電流等于二極管d的平均電流：厶2 =】d = g 開關(guān)管q和二極管d在截止時所承受的電壓:鼻二二二乓+%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導通，電 感l(wèi)1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

8、電能存儲著；第三次是q導通，c1的電能轉(zhuǎn)移到負載和輸出回路的電感l(wèi)2和 電容cf。實際上，第一、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和口身電感大小有關(guān)。電 感確定后，兩電流增長率只由vin大小決定，分別為vin/ll和vin/l2；卜降率 只與vo有關(guān)，分別為vo/ll和vo/l2odcm時的基木關(guān)系：比 dy 輸岀電壓與輸入電壓間的關(guān)系：=其中：ld = tits d <q-dj 為關(guān)斷后電感電疣下降到零的時間 10 ld 輸出平均電流和輸入平均電流的關(guān)系：j輸入電流i1h為電感l(wèi)1的平均電流：lik =1£1bd.dyld得到關(guān)系

9、式：dy 可見，若_lad輸出電疣i。為電感l(wèi)2的平均電流：io =厶一厶2二0,則厶込=0 ,電流斷續(xù)工作時回路中沒有電流，否則有或正或負的電流。兩電感有耦合的cuk變換器：如果兩電感l(wèi)1和l2繞在同一鐵芯上，則兩個電感互相耦合，除自感外述有互 感m,通常用耦合系數(shù)k來表示耦合程度：m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，月.需要兩個電感，電路比較復雜，適合丁大功率的 電機驅(qū)動。所以該方案在本設(shè)計屮不合適。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。這樣才能使三極管冇效的放人并輸出穩(wěn)定的

10、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)三極管放大后從集屯極輸出。直流屯壓v&q和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。vc = “cc re圖3-7-1三極管放人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371所示的電路中，集電極的總i舜時電壓為(3.7.18)其中 =ycclcqrc為集電極的直流偏置電壓，集電極輸出的交流電壓為(3.7.19)冬=-i(rc = 一爲)rc = -伉足九e因此電壓放大倍數(shù)為(3.7.20)血= d = _g,足=rc = _ 仃

11、八 rc =_0乂 %匚(1 + 0尢可見放大倍數(shù)的大小與三極管的跨導弘成止比關(guān)系。同時應注意，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 o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 其輸岀在(012v)之間變化。從而張動電機的轉(zhuǎn)動，以達到電機轉(zhuǎn)速控制的目 的。電路如下圖所示：2.2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)霍爾效應制作的一種磁場傳感器?；魻栃谴烹娦?一種，這一現(xiàn)象是霍爾(a.h.hall, 18551938)于1879年在研究金屬的導電 機構(gòu)時發(fā)

12、現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導體、導電流體等也有這種效應，而半導體的霍爾效 應比金屬強得多，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茄芯堪雽w材料性能的基本方法。 通過霍爾效應實驗測定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導體材料的導電類型、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)量就是屯機的轉(zhuǎn)速。方案二：光屯傳感器檢測轉(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。

13、 光電傳感器一般由光源、光學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小應用非常廣泛。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屮文字庫的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128x64，內(nèi)置

14、8192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i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8x4行16x16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，不論碩件電路結(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品模塊。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：5_jk1r- 1201r<19181卩164151413121j10987< p4.q>< »m.1>654321.ll

15、'i3.3電機驅(qū)動電機騾動電路采用方案三極管張動放大。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。電路圖如下：+5q-r> i/2qi/ak(/(47n1r101卜jajx vii/mg(a八q3/3.4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：當一塊通有電流的金屈或半導體薄片垂直地放在磁場屮時，薄片的兩端就會 產(chǎn)生電位差,這種現(xiàn)彖就稱為霍爾效應。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） 的磁感應強度,d是薄片的厚

16、度。由此可見，霍爾效應的靈敏度高低與外加磁場的 磁感應強度成正比。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n,j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：huoeramm>riout>ik廠丨fd1vccr2lvgndr1221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：五、測試方案與測試結(jié)果5.1測試方案通過設(shè)置預設(shè)的轉(zhuǎn)速與實際測量的轉(zhuǎn)速進行比較，分析謀差并繪制了測量課 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)速測量謀差在5%以內(nèi)，并且隨著轉(zhuǎn)速預設(shè)值的增加測量誤羞愈小，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