直流伺服电机实验报告参考模板.docx
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直流伺服电机实验报告参考模板
直流电机的特性测试
一、实验要求
在实验台上测试直流电机机械特性、工作特性、调速特性（空载）和动态特性，其中测试机械特性时分别测试电压、电流、转速和扭矩四个参数，根据测试结果拟合转速—转矩特性（机械特性），并以X轴为电流，拟合电流—电压特性、电流—转速特性、电流—转矩特性，绘制电机输入功率、输出功率和效率曲线，即绘制电机综合特性曲线。
然后在空载情况下测试电机的调速特性，即最低稳定转速和额定电压下的最高转速，即调速特性；最后测试不同负载和不同转速阶跃下电机的动态特性。
二、实验原理
1、直流电机的机械特性
直流电机在稳态运行下，有下列方程式：
电枢电动势（1-1）
电磁转矩（1-2）
电压平衡方程（1-3）
联立求解上述方程式，可以得到以下方程：
（1-4）
式中——电枢回路总电阻
——励磁磁通
——电动势常数
——转矩常数
——电枢电压
——电磁转矩
——电机转速
在式（1-4）中，当输入电枢电压保持不变时，电机的转速随电磁转矩变化而变化的规律，称为直流电机的机械特性。
2、直流电机的工作特性
因为直流电机的励磁恒定，由式（1-2）知，电枢电流正比于电磁转矩。
另外，将式（1-2）代入式（1-4）后得到以下方程：
（1-5）
由上式知，当输入电枢电压一定时，转速是随电枢电流的变化而线性变化的。
3、直流电机的调速特性
直流电机的调速方法有三种：
调节电枢电压、调节励磁磁通和改变电枢附加电阻。
本实验采取调节电枢电压的方法来实现直流电机的调速。
当电磁转矩一定时，电机的稳态转速会随电枢电压的变化而线性变化，如式（1-4）中所示。
4、直流电机的动态特性
直流电机的启动存在一个过渡过程，在此过程中，电机的转速、电流及转矩等物理量随时间变化的规律，叫做直流电机的动态特性。
本实验主要测量的是转速随时间的变化规律，如下式所示：
（1-6）
其中，——稳态转速
——机械时间常数
本实验中，要求测试在不同负载和不同输入电枢电压（阶跃信号）下电机的动态特性。
5、传感器类型
本实验中，测量电机转速使用的是角位移传感器中的光电编码器；测量电磁转矩使用的是扭矩传感器。
三、实验操作步骤
1、测量直流电机的机械特性和动态特性
首先将负载旋钮逆时针拧至最小，然后将实验设备面板上的直流电机的电枢电压和电枢电流信号引出，分别接至计算机的采集数据端口上，打开计算机中的测试软件，进入测试界面，设定每个通道的测量范围。
系统上电。
用计算机给定电机的电枢电压信号，逐渐增加负载（顺时针转动负载旋钮），选择记录下此过程中的20组数据，每组数据包括测量电枢电压、测量电枢电流、电机转速和电磁转矩值。
计算机停止给定电机的电枢电压信号，系统电源关闭。
2、测量直流电机的调速特性
本实验要求测量的是空载下的调速特性，测量额定电压下的最高转速和最低稳定转速。
步骤如下：
首先将负载旋钮逆时针拧至最小，然后将实验设备面板上的直流电机的电枢电压信号引出，接至计算机的采集数据端口上，打开计算机中的测试软件，进入测试界面，设定通道的测量范围。
利用式（1-7）计算电机额定电压（24V）对应的测量电压值，为9.52V。
电机实际电压=（前面板测量电压-0.76）*2.75-0.1（1-7）
系统上电。
不断改变计算机输出的电机电压信号，直至测量电压信号的值为9.52V。
记录下此时的转速值，即为额定电压下的最高稳定转速。
不断减小计算机输出地电机电压信号，观察转速逐渐减小和稳定的情况，记录下最低稳定转速值。
计算机停止给定电机的电枢电压信号，系统电源关闭。
3、测量直流电机的动态特性
按照测量在不同负载和不同输入电枢电压（阶跃信号）下电机的动态特性的要求，本实验测量了在计算机给定电压信号（阶跃信号）分别为7V和4V时，4个不同负载大小下电机的动态特性。
首先将负载旋钮逆时针拧至最小，然后将实验设备面板上的电机转速信号引出，接至计算机的采集数据端口上，打开计算机中的测试软件，进入测试界面，设定通道的测量范围。
系统上电。
将计算机给定电压信号（阶跃信号）设为7V，顺时针转动负载旋钮，记录在4个不同负载下，电机转速的动态响应曲线。
将负载旋钮旋至最小后，将计算机给定电压信号（阶跃信号）设为4V，记录在4个不同负载下，电机转速的动态响应曲线。
计算机停止给定电机的电枢电压信号，系统电源关闭。
四、实验测试结果及数据处理
1、直流电机的机械特性和动态特性
根据上述操作步骤，测量得到的20组数据如表1所示：
测量电流
电磁转矩T（N·m）
转速n（r/min）
测量电压（V）
0.56
0.5
214
8.80
0.61
0.6
209
8.78
0.84
1.1
198
8.70
1.11
1.5
184
8.68
1.35
1.9
172
8.62
1.54
2.1
163
8.59
1.70
2.4
158
8.51
1.75
2.6
146
8.46
1.83
2.9
140
8.42
1.98
3.1
132
8.38
2.10
3.3
126
8.35
2.24
3.5
116
8.32
2.31
3.7
110
8.30
2.47
4.0
96
8.27
2.61
4.2
91
8.25
2.86
4.6
81
8.17
3.02
4.9
66
8.14
3.17
5.2
57
8.11
3.43
5.5
42
8.03
3.52
6.0
29
7.92
表1测量数据
根据前面板测量值与电机实际值的换算公式：
电机实际电压=（前面板测量电压-0.76）*2.75-0.1
电机实际电流=（前面板测量电压-0.032）*2
计算电机的实际电枢电压和电枢电流值，如表2所示：
实际电流I（A）
电磁转矩T（N·m）
转速n（r/min）
实际电压U（V）
1.056
0.5
214
22.01
1.156
0.6
209
21.955
1.616
1.1
198
21.735
2.156
1.5
184
21.68
2.636
1.9
172
21.515
3.016
2.1
163
21.432
3.336
2.4
158
21.212
3.436
2.6
146
21.075
3.596
2.9
140
20.965
3.896
3.1
132
20.855
4.136
3.3
126
20.772
4.416
3.5
116
20.69
4.556
3.7
110
20.635
4.876
4.0
96
20.552
5.156
4.2
91
20.497
5.656
4.6
81
20.278
5.976
4.9
66
20.195
6.276
5.2
57
20.112
6.796
5.5
42
19.892
6.976
6.0
29
19.59
表2实际数据
根据实验原理和上述数据，利用matlab工具，选用最小二乘法中的多项式拟合方法拟合电机的机械特性曲线、电流-电压特性曲线、电流-转速特性曲线、电流-转矩特性曲线、电机输入功率曲线、电机输出功率曲线和电机的效率曲线。
（1）拟合机械特性曲线
根据原理，机械特性曲线应是一条直线，所以选用最小二乘一次拟合多项式来拟合机械特性曲线，拟合得到的图形如下图1所示：
图1：
机械特性
（2）拟合电流-电压特性曲线
图2：
电流-电压特性
从图2可以看出，尽管原理上电枢电压应该大小恒定，但是实际上，电枢电压会随着负载的逐渐增大而缓慢下降。
（3）拟合电流-转速特性曲线
图3：
电流-转速特性
（4）拟合电流-转矩特性曲线
图4：
电流-转矩特性
（5）拟合输入功率曲线
首先，根据公式计算输入功率：
（1-8）
因为实验过程的变化量是负载，而电机稳定运行时，电磁转矩与负载转矩大小相等，所以选用电磁转矩作为x轴绘制功率曲线。
并用最小二乘二次多项式拟合功率曲线，结果如下图所示：
图5：
输入功率曲线
（6）拟合输出功率曲线
首先，根据公式计算输出功率：
（1-9）
同理，以电磁转矩作为x轴，并用最小二乘二次多项式拟合功率曲线，结果如下图所示：
图6：
输出功率曲线
（7）拟合输出功率曲线
首先，根据公式计算功率比：
（1-10）
同理，以电磁转矩作为x轴，并用最小二乘三次多项式拟合功率比曲线，结果如下图所示：
图7：
功率比变化曲线
2、直流电机的调速特性测量结果
按照上述测量步骤，得到空载情况下，直流电机在24V额定电压下的稳定转速为221r/min。
最低稳定转速为18r/min
3、直流电机的动态特性测量结果
在给定电压型号为7V时，直流电机转速在4个不同负载下的动态响应曲线如图8-图11所示：
图8图9
图10图11
在给定电压型号为4V时，直流电机转速在4个不同负载下的动态响应曲线如图12-图15所示：
图12图13
图14图15
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