直流电机转速测量报告

1、直流电机转速控制摘要一、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MSP430F14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

2、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(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勺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俞出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MSP43C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二、模块电路方案比较与论证2.1电机驱动方案一：

5、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：1 0C1I 1+LVC2R1B1p応WD17QJUCuk变换器：美国加州理工学院 Slobodan Cuk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

6、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PW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寸的基本关

7、系：输出电压与输入电压间的关系：* = 而卩a二+心Dt=0.5吋，心旳：Dy0.5时，时，盼呱。即输出电压既可低于也可高于输入电压。10 1-坷 输出平均电谎和输入平均电谎的关系：二-人 %电感L1的平均电蹄等于开关管Q的平均电流；=1严 *电感L2的平均电疣等于二极管D的平均电流：1L2 = * = * 开关管Q和二极管D在截止时所祇受的电压:% 皿 二+%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

8、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寸的基本关系：输岀电压与瞅电压间的关系:乞二冬%血苴中：皿 LD (1-Dy) J为关断后电感电歸下降到零的时间I输出平均电療和输入平均电潇的关系：6 巧输入电谪lib为电感LI的平均电流：g二llx AZ) l)厶厶畑1 J=0电殊断续工作时回路中授有电疏否则有或正或筑的电流输出电流I为电感L2的平均电疣：10 - 112 噸关驾律=怂 可见*若

9、厶，则AD 12皿两电感有耦合的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XeQ和

10、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VC 二 Vcc - iC RC=Vcc - Icqic Rc（3.7.18）-VCC cqRc _ icRC=Vcq -icRc =VcqVc其中VcQ二Vcc -IcqRc为集电极的直流偏置电压，集电极输出的交流电压为Vc = TcRe 八 gmVbe Rc = 一 gmRc Vbe（ 3.7.19）因此电压放大倍数为vc卩B Rc/、Av二-gmRcRcRcC（ 3.7.20 ）vbe

11、rer erbe可见放大倍数的大小与三极管的跨导 gm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(012V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：-122.2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 , 18551938)于1879年在研究金属的导电 机构时发现的。后来发

12、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

13、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 键盘采用红外遥控控制，分别设置了加速和减速按钮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128X 64,内置819

14、2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8X 4行16X 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3.4 转速检测转速测量电路采用方案一。霍尔开关检测电机转速工作原理：当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会 产生电位差，

15、这种现象就称为霍尔效应。两端具有的电位差值称为霍尔电势 U,其 表达式为：U=KIB/ d式中,K为霍尔系数,1为薄片中通过的电流 ,B为外加磁场（洛伦慈力 Lorrentz）的磁感应强度,d是薄片的厚度。由此可见,霍尔效应的灵敏度高低与 外加磁场的磁感应强度成正比。利用霍尔传感器检测转速的原理是：在待测的电机上贴一小磁片，小磁片越多，检测转速的分辨率越高，将霍尔开关固定在笑磁片旁边， 每当小磁片经过 霍尔开关时，霍尔开关电路便产生一个相应的电脉冲。 检测单位时间内的脉冲数 x，即可确定待测物体的转动周期及其转速 NJ 即: N=x/T在检测的时候，把霍尔开关产生出的脉冲送入单片机 msp430里，通过捕获， 获得脉冲数，然后通过上面的公式将转速计算出来，然后送到显示器显示转速， 完成转速测量。检测电路如图所示：四、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：显示五、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鸠内，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 .六、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