機電實驗1機電控制工程 高鐘毓.

1、實驗1：直流電機伺服系統(tǒng)實驗一、 實驗目的1. 設計電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。2. 測量和計算電機本身及帶工作臺情況下的基本參數(shù)，如Ke，Tm，Ta。3. 完成電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)校正器設計和參數(shù)調(diào)整，盡量使三個環(huán)的頻帶寬、超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)精度高。二、 實驗裝置1. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2. 詳細說明（1）直流伺服電機、測速發(fā)電機、光電編碼器型號為70SZD01CF24MB，直流伺服電動機外徑70 mm，額定功率100 W，額定轉(zhuǎn)速1000 rpm，額定電壓30 V，額定電流4.5 A，額定轉(zhuǎn)矩1 Nm，峰值轉(zhuǎn)矩8 Nm，電樞電阻1.715%，電樞電感3.7 mH20，轉(zhuǎn)動慣量292106 Kgm2，機電時間常數(shù)9

2、.2 ms。同軸安裝了測速發(fā)電機, 外徑70 mm，斜率為24 V/1000 rpm，允許帶10 k負載，轉(zhuǎn)動慣量為100106 Kgm2?？紤]到轉(zhuǎn)動慣量的增加，實際的機電時間常數(shù)為12.4 ms。同軸還連接一個光電編碼器，500 脈沖/每轉(zhuǎn)，電源5V，輸出TTL 電平信號，分A,B,Z 三種信號。其中A, B 兩組信號相差90 度相位，A 超前B 表示正轉(zhuǎn)，B 超前A 表示反轉(zhuǎn)，Z 是每轉(zhuǎn)發(fā)出一個零位信號。電機機組外形圖見圖1。伺服電動機測速發(fā)電機光電編碼器機組（2）絲杠螺母工作臺單軸運動工作臺外形見圖2，滾動絲杠傳動，螺距2 mm，整個行程200 mm。電機通過撓性連軸節(jié)與工作臺的絲杠連接

3、。單軸工作臺（3）PC104采用PC104 嵌入式計算機，它的體系結(jié)構(gòu)與微機相同，總線為104 條。輸入了位置信息，所以可以完成位置校正（P 或PI）；把位置信號微分可以得到速度信號，所以也可以完成速度校正（P 或PI）。（4）接口板接口板有兩個功能：a. 把從光電編碼器得到的脈沖信號四倍頻，以提高分辨率；分辨出轉(zhuǎn)向；對速度信號計數(shù)得到位置信號（數(shù)字量），反饋給計算機。b. 接收計算機發(fā)出的位置或速度指令（數(shù)字量），轉(zhuǎn)化為脈寬調(diào)制信號，用以輸出到電路板的“輸入整形及濾波”部分。地址分配：300H 可逆計數(shù)器D0D7301H 可逆計數(shù)器D8D15302H I0I7 (I1I8)303H O0O7

4、 (O1O8)304H PWMDA D0D7305H PWMDA D8D11，（D15=1，工作，D15=0，不工作。）（5）實驗電路板a. 激勵信號發(fā)生器可以輸出頻率從0.5 Hz 62.5 kHz，幅值0 10 V 的方波、正弦波、三角波信號和-10 10 V 的直流信號。從左到右三個電位器分別調(diào)直流電壓、交流頻率和交流幅度。SW19 閉合（向上），SW20、SW21 打開，頻率范圍為0.5 25 Hz；SW20 閉合，SW19、SW21 打開，頻率范圍為25 1250 Hz；SW21 閉合，SW19、SW20 打開，頻率范圍為1.25 62.5 kHz。SW22 向上、SW23 向上，方

5、波；SW22 向上、SW23 向下，三角波；SW22 向下、SW23 任意，正弦波。作為參考信號加到速度控制器或電流控制器輸入端，同時觀察電機轉(zhuǎn)速，調(diào)整控制參數(shù)。b. 電流或電壓反饋增益調(diào)節(jié)在功率放大器中，有阻值為0.1的電阻與電機電樞串連，測量這個電阻上的壓降即可測出電樞電流。放大倍數(shù)可在0.3 3 之間調(diào)節(jié)。c. 電流或電壓控制器VR9 為增益調(diào)節(jié)，VR8 為時間常數(shù)調(diào)節(jié)。d. 頻壓轉(zhuǎn)換接口板把光電編碼器信號的4 倍頻轉(zhuǎn)速信號和轉(zhuǎn)向信號一起輸出到這一部分，0 40 kHz 的振蕩信號變換為絕對值0 10 V 的直流電壓（有紋波），電壓的符號表示轉(zhuǎn)向。e. 測速機接口把測速機輸出的信號衰減1

6、/2 并低通濾波，減小高頻噪聲。f. 速度反饋增益調(diào)節(jié)可選擇使用從測速機或者頻壓轉(zhuǎn)換得到的速度信號，增益可在0.3 3 之間調(diào)節(jié)。g. 速度控制器VR4 為增益調(diào)節(jié)，VR3 為時間常數(shù)調(diào)節(jié)。h. 輸入整形及濾波PC104 輸出的數(shù)字指令被接口板轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制信號，這一部分把PWM 信號整形，再經(jīng)低通濾波變換為電壓信號，從而實現(xiàn)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換。把這種變換稱為PWMDA。i. PWM 調(diào)制器本部分有一個振蕩器產(chǎn)生三角波，與控制器輸出電壓疊加后經(jīng)過兩個過零比較器產(chǎn)生PWM 調(diào)制信號，輸出到PWM 功率放大器，控制功率管的開關(guān)。過零比較器的輸入端都疊加了一個小的直流電壓，用于導通延遲，防止H 型功放同一

7、側(cè)的功率管同時導通。j. PWM 功率放大器采用了H 橋形開關(guān)功率放大器。功率管為MOSFET。所有開關(guān)，打到“內(nèi)部”表示本部分的輸入信號來自伺服系統(tǒng)，打到“外部”表示輸入和系統(tǒng)斷開，信號來自信號源，如“激勵信號發(fā)生器”，用于調(diào)試。但是“PWM 功率放大器”中的開關(guān)一般不要打在“外部”！三、 實驗步驟1. 測量和計算基本參數(shù)。a. Ke提示：電機在額定電壓、額定負載下的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速，電流為額定電流。b. 電機在連接著測速機和光電編碼器情況下的機電時間常數(shù)Tm，提示：電機本身電壓到轉(zhuǎn)速之間可近似為一階慣性環(huán)節(jié)。c. 電磁時間常數(shù)Ta2. 設計電流控制器，比例控制或PI 控制，計算參數(shù)；推導電路

8、中控制器的傳遞函數(shù)；根據(jù)控制器參數(shù)計算電路參數(shù)；調(diào)試電流環(huán)。3. 設計速度控制器，比例控制或PI 控制，計算參數(shù)；推導電路中控制器的傳遞函數(shù)；根據(jù)控制器參數(shù)計算電路參數(shù)；調(diào)試速度環(huán)。4. 設計位置控制器，比例控制或PI 控制，計算參數(shù)；用數(shù)字控制器實現(xiàn)，調(diào)試位置環(huán)。5. 連接工作臺，重新調(diào)整參數(shù)。6. 把速度控制器也在計算機中實現(xiàn)。四、 實驗結(jié)果與分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：1. 測量和計算基本參數(shù)接線如下：a測Ke穩(wěn)態(tài)時，Ke=(u 轉(zhuǎn)動時電機電樞電壓u 死區(qū)時電機電樞電壓)/轉(zhuǎn)速（P80 公式）（轉(zhuǎn)速可用測速機輸出的電壓折算出來：1000 轉(zhuǎn)/分鐘=24V）U測速/V04.106.118.4010.

9、1518.43U電樞/V2.156.138.1110.2412.1820.20w/r/min0170.83254.58350.00422.92767.92由電動機的靜態(tài)特性：=uaKe-RaKeKtTem對實驗數(shù)據(jù)進行擬合如圖所示：由圖可得電動機反電動勢系數(shù)為0.0235v/(r/min)。b測Tm機電時間常數(shù)即速度的階躍響應從0 到0.632倍穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的上升時間。即測電機從上電到開始轉(zhuǎn)動的速度波形，即用示波器測量輸入為3V 階躍信號時測速機的階躍響應從0 到0.632倍穩(wěn)態(tài)電壓的時間即為機電時間。由示波器測量圖像可知測速機電壓的階躍響應從0 到0.632 倍穩(wěn)態(tài)電壓的上升時間為15msTm=

10、15msc測Ta電磁時間常數(shù)為電樞電流的階躍響應從0 到0.632 倍穩(wěn)態(tài)電流的上升時間。因電磁時間常數(shù)只應與電機的RLC（功放系統(tǒng)的影響時間常數(shù)遠小于電機的時間常數(shù)所以可忽略）相關(guān)，而不應與電機轉(zhuǎn)動后的反電動勢有關(guān)，所以測電磁時間常數(shù)應使電機不動，本應人工阻止電機轉(zhuǎn)動，但不安全，則用摩擦力使電機轉(zhuǎn)不動即可（即輸入電壓很小使電機處于死區(qū)內(nèi)）。擰動“激勵信號發(fā)生器”區(qū)域最左邊的電壓旋鈕，使電機剛好停轉(zhuǎn)（即輸入電壓很小使電機處于死區(qū)內(nèi)）。由示波器測量圖像可知電樞電流的階躍響應從0 到0.632 倍穩(wěn)態(tài)電流的上升時間為300mTa=300m2. 調(diào)試電流環(huán)接線如下：調(diào)電流環(huán)，使之階躍響應達到“穩(wěn)、準

11、、快”。電流環(huán)的調(diào)節(jié)器利用PI調(diào)節(jié)器。在調(diào)整電流環(huán)時，按照“電流控制器應按輸入電壓最大時，輸出電流不能超過額定值”來定標。完成標定之后先調(diào)節(jié)比例控制器的增益?？梢钥吹诫S著比例增益的加大系統(tǒng)響應時間縮短但系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。利用P調(diào)節(jié)即比例調(diào)節(jié)找到合適的增益后，再利用I調(diào)節(jié)即積分調(diào)節(jié)來控制穩(wěn)態(tài)誤差。調(diào)整穩(wěn)態(tài)誤差調(diào)整后可能會對相應時間有一定的影響，然后對之前的比例系數(shù)P進行微調(diào)，再微調(diào)積分常數(shù)，如此反復，得到一個比較合適的電流環(huán)控制系數(shù)。電流環(huán)調(diào)節(jié)3. 調(diào)試速度環(huán)速度環(huán)的調(diào)整也是利用PI控制器來實現(xiàn)，調(diào)整的原則同上，首先P，然后I，然后相互進行微調(diào)即可。接線如下：速度環(huán)調(diào)節(jié)4. 計算機位置控制本次實驗在labview上直接調(diào)整PID的參數(shù)對位置環(huán)的參數(shù)進行調(diào)整，調(diào)節(jié)相對比較方便，直接在文本輸入框中輸入數(shù)字就可以實現(xiàn)PID的控制。在PID調(diào)節(jié)中，首先進行P調(diào)節(jié)，隨著P比例系數(shù)的增大，系統(tǒng)的開環(huán)增益變大，系統(tǒng)的相應時間變短，但是超過一定程度后系統(tǒng)開始出現(xiàn)較大超調(diào)，并且出現(xiàn)了不穩(wěn)定的現(xiàn)象，開始出現(xiàn)震蕩，應該選擇一個比較合適的比例系數(shù)。實驗結(jié)果如下圖所示：比例系數(shù)為1比例系數(shù)為5比例系數(shù)為10此處選擇比例系數(shù)在5附近，然后結(jié)合積分系數(shù)進行調(diào)節(jié)。加入積分控制，從理論上來講可以改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。比例系數(shù)為4，積分系數(shù)0.00001積分系數(shù)0.01加入積分控制器后，系