机电实验1机电控制工程 高钟毓.docx

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机电实验1机电控制工程高钟毓

实验1：

直流电机伺服系统实验

一、实验目的

1.设计电机转速控制系统。

2.测量和计算电机本身及带工作台情况下的基本参数，如Ke，Tm，Ta。

3.完成电流环、速度环、位置环校正器设计和参数调整，尽量使三个环的频带宽、超调小、稳态精度高。

二、实验装置

1.系统结构

2.详细说明

（1）直流伺服电机、测速发电机、光电编码器

型号为70SZD01CF24MB，直流伺服电动机外径Ф70mm，额定功率100W，额定转速1000rpm，额定电压30V，额定电流4.5A，额定转矩1N·m，峰值转矩8N·m，电枢电阻1.7Ω±15%，电枢电感3.7mH±20％，转动惯量292×10－6Kg·m2，机电时间常数9.2ms。

同轴安装了测速发电机,外径Ф70mm，斜率为24V/1000rpm，允许带10kΩ负载，转动惯量为100×10－6Kg·m2。

考虑到转动惯量的增加，实际的机电时间常数为12.4ms。

同轴还连接一个光电编码器，500脉冲/每转，电源5V，输出TTL电平信号，分A,B,Z三种信号。

其中A,B两组信号相差90度相位，A超前B表示正转，B超前A表示反转，Z是每转发出一个零位信号。

电机机组外形图见图1。

伺服电动机－测速发电机－光电编码器机组

（2）丝杠螺母工作台

单轴运动工作台外形见图2，滚动丝杠传动，螺距2mm，整个行程200mm。

电机通过挠性连轴节与工作台的丝杠连接。

单轴工作台

（3）PC104

采用PC104嵌入式计算机，它的体系结构与微机相同，总线为104条。

输入了位置信息，所以可以完成位置校正（P或PI）；把位置信号微分可以得到速度信号，所以也可以完成速度校正（P或PI）。

（4）接口板

接口板有两个功能：

a.把从光电编码器得到的脉冲信号四倍频，以提高分辨率；分辨出转向；对速度信号计数得到位置信号（数字量），反馈给计算机。

b.接收计算机发出的位置或速度指令（数字量），转化为脉宽调制信号，用以输出到电路板的“输入整形及滤波”部分。

地址分配：

300H可逆计数器D0~D7

301H可逆计数器D8~D15

302HI0~I7（I1~I8）

303HO0~O7（O1~O8）

304HPWMDAD0~D7

305HPWMDAD8~D11，（D15=1，工作，D15=0，不工作。

）

（5）实验电路板

a.激励信号发生器

可以输出频率从0.5Hz~62.5kHz，幅值0~10V的方波、正弦波、三角波信号和-10~10V的直流信号。

从左到右三个电位器分别调直流电压、交流频率和交流幅度。

SW19闭合（向上），SW20、SW21打开，频率范围为0.5~25Hz；

SW20闭合，SW19、SW21打开，频率范围为25~1250Hz；

SW21闭合，SW19、SW20打开，频率范围为1.25~62.5kHz。

SW22向上、SW23向上，方波；

SW22向上、SW23向下，三角波；

SW22向下、SW23任意，正弦波。

作为参考信号加到速度控制器或电流控制器输入端，同时观察电机转速，调整控制参数。

b.电流或电压反馈增益调节

在功率放大器中，有阻值为0.1Ω的电阻与电机电枢串连，测量这个电阻上的压降即可测出电枢电流。

放大倍数可在0.3~3之间调节。

c.电流或电压控制器

VR9为增益调节，VR8为时间常数调节。

d.频压转换

接口板把光电编码器信号的4倍频——转速信号和转向信号一起输出到这一部分，0~40kHz的振荡信号变换为绝对值0~10V的直流电压（有纹波），电压的符号表示转向。

e.测速机接口

把测速机输出的信号衰减1/2并低通滤波，减小高频噪声。

f.速度反馈增益调节

可选择使用从测速机或者频压转换得到的速度信号，增益可在0.3~3之间调节。

g.速度控制器

VR4为增益调节，VR3为时间常数调节。

h.输入整形及滤波

PC104输出的数字指令被接口板转换为脉宽调制信号，这一部分把PWM信号整形，再经低通滤波变换为电压信号，从而实现数字－模拟转换。

把这种变换称为PWMDA。

i.PWM调制器

本部分有一个振荡器产生三角波，与控制器输出电压叠加后经过两个过零比较器产生PWM调制信号，输出到PWM功率放大器，控制功率管的开关。

过零比较器的输入端都叠加了一个小的直流电压，用于导通延迟，防止H型功放同一侧的功率管同时导通。

j.PWM功率放大器

采用了H桥形开关功率放大器。

功率管为MOSFET。

所有开关，打到“内部”表示本部分的输入信号来自伺服系统，打到“外部”表示输入和系统断开，信号来自信号源，如“激励信号发生器”，用于调试。

但是“PWM功率放大器”中的开关一般不要打在“外部”！

三、实验步骤

1.测量和计算基本参数。

a.Ke提示：

电机在额定电压、额定负载下的转速为额定转速，电流为额定电流。

b.电机在连接着测速机和光电编码器情况下的机电时间常数Tm，提示：

电机本身电压到转速之间可近似为一阶惯性环节。

c.电磁时间常数Ta

2.设计电流控制器，比例控制或PI控制，计算参数；推导电路中控制器的传递函数；根据控制器参数计算电路参数；调试电流环。

3.设计速度控制器，比例控制或PI控制，计算参数；推导电路中控制器的传递函数；根据控制器参数计算电路参数；调试速度环。

4.设计位置控制器，比例控制或PI控制，计算参数；用数字控制器实现，调试位置环。

5.连接工作台，重新调整参数。

6.把速度控制器也在计算机中实现。

四、实验结果与分析

系统结构如下：

1.测量和计算基本参数

接线如下：

a．测

稳态时，

=（u转动时电机电枢电压—u死区时电机电枢电压）/转速（P80公式）（转速可用测速机输出的电压折算出来：

1000转/分钟=24V）

U测速/V

0

4.10

6.11

8.40

10.15

18.43

U电枢/V

2.15

6.13

8.11

10.24

12.18

20.20

w/r/min

0

170.83

254.58

350.00

422.92

767.92

由电动机的静态特性：

对实验数据进行拟合如图所示：

由图可得电动机反电动势系数为0.0235v/（r/min）。

b．测

机电时间常数即速度的阶跃响应从0到0.632倍稳态转速的上升时间。

即测电机从上电到开始转动的速度波形，即用示波器测量输入为3V阶跃信号时测速机的阶跃响应从0到0.632倍稳态电压的时间即为机电时间。

由示波器测量图像可知

测速机电压的阶跃响应从0到0.632倍稳态电压的上升时间为15ms

c．测

电磁时间常数为电枢电流的阶跃响应从0到0.632倍稳态电流的上升时间。

因电磁时间常数只应与电机的RLC（功放系统的影响时间常数远小于电机的时间常数所以可忽略）相关，而不应与电机转动后的反电动势有关，所以测电磁时间常数应使电机不动，本应人工阻止电机转动，但不安全，则用摩擦力使电机转不动即可（即输入电压很小使电机处于死区内）。

拧动“激励信号发生器”区域最左边的电压旋钮，使电机刚好停转（即输入电压很小使电机处于死区内）。

由示波器测量图像可知

电枢电流的阶跃响应从0到0.632倍稳态电流的上升时间为300μm

2.调试电流环

接线如下：

调电流环，使之阶跃响应达到“稳、准、快”。

电流环的调节器利用PI调节器。

在调整电流环时，按照“电流控制器应按输入电压最大时，输出电流不能超过额定值”来定标。

完成标定之后先调节比例控制器的增益。

可以看到随着比例增益的加大系统响应时间缩短但系统的稳定性变差。

利用P调节即比例调节找到合适的增益后，再利用I调节即积分调节来控制稳态误差。

调整稳态误差调整后可能会对相应时间有一定的影响，然后对之前的比例系数P进行微调，再微调积分常数，如此反复，得到一个比较合适的电流环控制系数。

电流环调节

3.调试速度环

速度环的调整也是利用PI控制器来实现，调整的原则同上，首先P，然后I，然后相互进行微调即可。

接线如下：

速度环调节

4.计算机位置控制

本次实验在labview上直接调整PID的参数对位置环的参数进行调整，调节相对比较方便，直接在文本输入框中输入数字就可以实现PID的控制。

在PID调节中，首先进行P调节，随着P比例系数的增大，系统的开环增益变大，系统的相应时间变短，但是超过一定程度后系统开始出现较大超调，并且出现了不稳定的现象，开始出现震荡，应该选择一个比较合适的比例系数。

实验结果如下图所示：

比例系数为1

比例系数为5

比例系数为10

此处选择比例系数在5附近，然后结合积分系数进行调节。

加入积分控制，从理论上来讲可以改善系统的稳态误差。

比例系数为4，积分系数0.00001

积分系数0.01

加入积分控制器后，系统的稳态误差有所改善，但是当随着积分系数的增加，系统也慢慢的变得不稳定，出现较大超调。

实际调节过程中应结合比例系数进行调节。

实验中出现的问题：

用labview进行实验的一个问题就是调节的时候不太敏感，有时候两次输入同一个数字（例如PID中的一个参数）时，用的是同一个参数，但是输出却完全不同，有时还出现了较大的振荡甚至跑飞，因此调节存在一定的问题，能看到的效果也不是很好。