直流电机伺服系统实验指导及实验报告资料下载.pdf
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(1)电机驱动器电机驱动器为图1-1中虚线所框出的部分,其外形如图1-3,内部原理结构如图1-4.图1-3电机驱动器图1-4驱动器原理图
(2)速度控制器与位置控制器这部分在操作面板上,速度控制器和位置控制器都可接成比例或PI控制器。
图1-5为速度环,重点显示了其中的控制器和速度反馈部分。
图中测速发电机(TG)输出的电压经过47k电位器分压后才反馈到速度控制器。
3图1-5速度环图1-6为位置环,重点显示了其中的控制器电路。
在速度环的基础上,加入位移反馈和位置控制器,就组成了位置环。
如果采用工作台上的位移传感器(直线电位计)做反馈,称为全闭环,但全闭环方式下机械传动要尽量消除间隙,系统比较难以调试。
实验装置中的位移反馈信号取的是电动机的角位置信号,这样的闭环称为半闭环。
由于半闭环没有包含电机轴转角到工作台位移的机械传递函数,系统比较容易调试。
电动机角位置信号的获取是通过光电编码器。
光电编码器输出的脉冲信号经过加减计数器累计为表示位置的数字量,再经过数/模转换变为模拟电压反馈到位置控制器。
图1-6位置环位置控制器由两级比例放大器组成,中间有一个衰减系数为(其值为01)的10K电位计。
位置控制器可接成比例控制器或PI控制器。
整个位置环的函数方块图如图1-7所示。
图中的参数“831”对应于电机不连工作台的情况,电机连接工作台后,电机轴的总转动惯量比不接工作台时大,此参数会改变。
(3)辅助电路包括阶跃信号发生电路和限位保护电路等。
限位保护开关安装在工作台框架的两端,当工作台移动到两端是会切断电机的供电,起到保护作用。
电机驱动器有一个使能开关,打开时驱动器才能工作。
但是注意不要用这个开关发生阶跃信号。
4pGs44341RCsRCsdtTK831s1s222121Ts311TspUs图1-7位置环原理方框图5第2节直流电机伺服系统原理2.1直流电机的模型直流电机的模型以aaaaaURLiE分别表示电机电枢上的电压、电阻、电感、电流和反电动势;
以etemdJKKTT分别表示电机轴的转动惯量、转动角速度、电机的反电势系数、电磁力矩系数、电磁力矩和外界负载力矩。
永磁直流电机的微分方程组可列为aaaaaaemtaemdaeditUtRitLEtdtTtKitdtTtJTtdtEtKt其中的2个微分方程分别称“电压平衡方程”和“力矩平衡方程”。
拉氏变换,aaaaaaemtaemdaeUsRIsLsIsEsTsKIsTsJssTsEsKs可画出直流电机的传递函数方块图1aaLsRtK1JseKaUsaIsemTsdTss图2-1直流电机的传递函数方块图直流电机的传递函数2taaaaetsKUsLJsLBRJsKK令aaaLTR,称之为“电磁时间常数”或“电气时间常数”;
令ametRJTKK,称之为“机电时间常数”。
则有6211eaammsKUsTTsTs()若忽略电磁时间常数,则11eamsKUsTs
(1)直流伺服电机可近似为一阶惯性环节,过渡过程的快慢主要取决于机电时间常数。
2.2电流环电流环检测电枢电流,假设反馈系数为R;
设电流环控制器为比例控制器,比例系数为Kpi,电流环的输入信号为Ui,则电流环方块图如图2-2。
1aaLsRtK1JseKaUsaIsemTsdTssRpiKiUs图2-2直流电机电流反馈闭环此方块图可变换为1aaLsRtK1JsepiKKaUsaIsemTsdTssRpiKiUs图2-3其中电流反馈闭环后111111piapiaaaibapiipiaaaKRKIsTsRGsRKRUsKRTsTsR,如果1piaKRR,【当R和Ra为同一量级,应有1piK
(2)】7则电流闭环传递函数11ibaapiRGsRTsKR。
()记aaapiRTTKR,则11ibaRGsTs,显然aaTT,即电流闭环后电流的响应时间常数远小于电机自身的电磁时间常数。
这样,图2-3可变换为tK1JsaIsemTsdTss11aRTsiUsepiKK图2-4由式
(2)1piK,则原来由角速度产生的反电动势反馈看上去被极大地削弱了。
其实在图2-2中可以看到,apiiautKutet,当1piK时,电枢电压主要由电流环输入电压决定。
这样不论电机转速及由它决定的反电动势如何,电枢电流都与它们无关。
不会因反电势降低而使电枢电流过大导致电动机损坏,因此电流环起了过载保护作用。
这样,图2-4可简化为tK1JsaIsemTsdTss11aRTsiUs图2-5从电流环输入端到电机转速的传递函数方块图在电流环中,直流电动机的电磁转矩与电枢电流Ia成正比,电枢电流Ia与输入电压Ui成正比,所以,输入电压通过电流环控制了电磁转矩。
也就是说,电流环是直流电动机的转矩调节系统。
2.3速度环速度环具有电流环的直流电机,做速度闭环控制时,传递函数方块图为图2-6。
其中Uv(s)为速度环输入信号,Gcv(s)为速度环控制器,可取为比例或PI控制器,Kf为速度反馈系数。
设cvpvGsK,速度环输入到角速度输出之间的闭环传递函数为8111111111tpvpvtfatavafpvtfpvafpvtKKKKKsRTsJsKRTsJUsRTsJsKKKKKsRTsJsKKK这是个二阶系统,考虑到amTT,电流闭环后amTT,有111111ffavafpvtfpvtKKsRTsJUsRJsTssKKKKKK()考虑主导极点,有1111ffvmfpvtKKsRJUsTssKKK()其中0eemmmpvtfpvtfepvfvRJRJKKTTTKKKKKKKKKK,而0pvfveKKKK。
参考式
(1)可知,Kv0为在不做电流闭环时速度环的开环增益,故应有01vK。
这样mmTT,速度闭环后,电机转速的响应速度要比电机自身的极点时间常数小得多。
参考图2-7速度环的幅频特性。
cvGs1taKRTs1JsfKvUsdTss图2-6直流电机速度反馈闭环L()1/TM1/TE1/TMa)速度控制器为比例b)速度控制器为PI图2-7速度环的幅频特性92.4位置环位置环设速度环使用比例控制器,位置环控制器为Gcp(s),则位置环传递函数方块图为图2-8,Gcp(s)可采用比例或PI控制器。
cpGs1sissdtpvRTsKK111fmKTsos图2-8直流电机位置环在总体上,电流环通频带最高,速度环次之,位置环最低。
给定的位置环输入电压对应于某个给定位置,反馈电压对应某个实际位置。
系统检测两个位置之间的误差,通过放大器送给执行机构(电动机)产生力矩,就组成了电弹簧。
电动机及其带动的工作台存在一定惯量,这样,位置环在力学上是一个质量弹簧系统。
速度反馈则是提供阻尼,这样位置闭环系统才会具有接近于1的阻尼比。
如果减小速度反馈的增益,则阻尼比变小。
参考图2-7,如果Kf=0,闭环系统的阻尼比就会趋近于0,发生自激振荡。
10第3节实验内容3.1MATLAB仿真实验仿真实验3.1.1直流电机的阶跃响应3.1.2直流电机的速度闭环控制3.1.3直流电机的位置闭环控制3.2直流电机调速系统实验直流电机调速系统实验3.2.1实验内容速度环的实验要做两种情况:
速度控制器为比例控制器和PI控制器。
(1)静态特性。
采用P或PI控制器,测试测速机输出电压Uc与输入电压UVi的关系。
(2)动态响应特性。
采用P或PI控制器,测试不同控制器参数下的闭环阶跃响应(关注调整时间和超调量)。
寻找优化的控制参数。
(3)抗扰动能力。
采用P或PI控制器,检查负载力矩对系统输出的影响。
(4)测量速度误差系数Kv。
(选做)3.2.2实验报告要求
(1)描述电流环的作用。
(2)计算实验装置中测速机分压输出到速度控制器元件C3上端之间的传递函数,画出采用P和PI控制器时速度环的传递函数和Bode图。
(3)静态特性分析。
绘出速度环静态传递特性,结合实验现象分析对比采用P和PI控制器时闭环系统的稳态误差。
(4)分析调速系统的刚度,即负载力矩作用下速度的变化。
刚度与系统结构和参数有什么关系?
(5)动态特性分析。
绘出采用P和PI控制器以及在不同控制参数时的阶跃响应曲线,结合理论模型进行分析和对比。
(6)其它任何内容。
3.3直流电机位置伺服系统实验直流电机位置伺服系统实验3.3.1实验内容
(1)测定位置环速度误差系数。
(2)位置环采用比例控制器时系统的阶跃响应。
输入阶跃电压,测量测速机电压和数字电位计电压的时域响应波形。
(3)位置环采用PI控制器时系统的阶跃响应。
11(4)位置环的静特性测试。
采用比例控制器,测试输入电压和数字电位计反馈电压的静态传递特性;
采用比例控制器,测试输入电压和工作台位移的静态传递特性。
3.3.2实验报告要求
(1)位置环误差系数。
(2)采用比例或PI控制器时,位置环的传递函数、开环闭环幅频特性。
(3)位置环静态特性分析。
采用不同控制器及不同控制参数时的静态特性曲线,理论分析。
(4)位置环动态特性分析。
采用比例和PI控制器、及在不同控制参数是的阶跃响应曲线,做理论分析。
(5)分析常值干扰力矩的影响。
速度控制器、位置控制器分别采用P或PI时(共4种情况),常值干扰力矩是否会造成位置误差?
(即如果要求常值干扰力矩导致的位置误差为0,速度、位置控制器应满足什么条件?
)怎样才能使系统的时域响应又不超调,对力矩作用的刚度又大?
12第4节实验步骤4.1MATLAB仿真实验仿真实验利用Matlab-Simulink工具进行如下仿真实验。
4.1.1直流电机的阶跃响应如图4-1,对直流电机输入一个阶跃信号,画出阶跃响应曲线,指出主导极点。
4500.111101ss图4-1直流电机的阶跃响应4.1.2直流电机的速度闭环控制如图4-2,用测速发电机检测直流电机转速,用控制器Gc(s)控制加到电机电枢上的电压。
4500.111101ss0.020.0011scGs图4-2直流电机速度闭环控制
(1)假设Gc(s)=100,用matlab画出控制系统开环Bode图,
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