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1、机电一体化设计实验目 录48多功能转子测控实验模块简介实验一 熟悉Easymotion Studio软件环境实验二 直流伺服电机电流环控制实验实验三 直流伺服电机速度环控制实验实验四 直流伺服电机速度环频率响应实验实验五 振动速度传感器振动测量实验实验六 逐点比较法直线插补与圆弧插补实验七 数字积分法-直线插补与圆弧插补实验八 运动控制器的编程基础点位运动实验九 插补原理实验十 小型数控机床的基本操作实验一 机械位移、速度量的采集检测实验实验二 机电一体化系统的功能部件和精度测量、误差补偿实验实验三 机电一体化系统核心运动控制器的应用实验实验四 机电一体化系统的PID调节器应用实验实验五 机械
2、传动与结构及调整实验实验六 机床家具拆装与调整实验实验七 机床切削变形实验实验八 基于MATLABSimulink的机电一体化系统的仿真分析实验多功能转子测控实验模块简介多功能转子测控模块是鸥鹏科技研发的新一代测控教学与研究平台。它以转子为主要研究对象，集成了直流伺服电机、机械转子和转轴、各种相关传感器、智能控制与驱动模块以及多通道数据采集模块。对测控对象的运动状态进行精确测量，并将其通过数字采集卡实现模数转换，经过数据分析处理后用人机交互的形式反映到用户控制面板上面。我们采用了虚拟仪器技术，以LabVIEW8.2软件为测控核心，在个人电脑上实现“软件即仪器”。我们开发了一些实验供您学习和使用
3、，您也可以在这些实验基础上，添加自己感兴趣的模块，构建自己的虚拟仪器。实验环境包括：系统运行需要的硬件环境：1、 多功能转子测控模块TS-ROT-6A(1) 机械结构转轴：包含转子，底座，护罩，传感器夹具等。(2) 电机：直流伺服电机。(3) 传感器：振动速度传感器 TS-SRO-05图 1 振动速度传感器振动加速度传感器 TS-SRO-04图 2 振动加速度传感器和变送器光电测速传感器 TS-SRO-02图 3 光电测速传感器磁电测速传感器 TS-SRO-01图 4 磁电测速传感器电涡流测速/轴心位移传感器 TS-SRO-06图 5 电涡流传感器2、 智能控制与驱动模块TS-ICD-5A实现
4、位置、速度、转矩控制，基于DSP控制技术，集控制、驱动、PLC功能与一体的符合工业标准的嵌入式驱动控制器，可控制步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机，有独立运行和在线运行两种模式，内嵌运动语言指令器，可以实现单轴、多轴控制和独立运行等操作模式，RS232/485串行通信，CAN总线通信。图 6 智能控制与驱动模块外观图和前面板图3、 多通道数据采集模块TS-INQ-8U-DA10通道，信号输入范围：-5V+5V电压信号，7种可选程控采样频率：1 KHz/10 KHz/25 KHz/50 KHz/100 KHz/250 KHz/500 KHz，12位分辨率。图 7 多通道数据采集模块外形图和前面
5、板图4、 基础实验台提供12VDC、5VDC、12VDC、24VDC四路电源输出。图 8 基础实验台外型图和前面板图系统运行需要的软件环境LabVIEW8.2Easymotion StudioWindows xp 实验一 熟悉Easymotion Studio软件环境一、 实验目的1、 掌握智能控制与驱动模块的基本概念。2、 理解Easymotion Studio软件环境的基本功能。3、 熟练安装和使用Easymotion Studio软件，并进行基本的参数设置和调试。二、 实验原理智能控制与驱动模块用于为测控对象提供通用的控制和驱动功能，它既可以控制和驱动步进电机、直流伺服电机，还可以驱动交
6、流伺服电机和直线电机等。在进行运动的测量项目中，需要构建接近真实的运动控制环境，该模块更是必不可少。智能控制与驱动模块既可以独立运行，也就是说，不需要有额外的计算机支持就可以工作，也可以通过串口与计算机连接，接受计算机下达的指令工作，因此使用起来非常方便。智能控制与驱动模块拥有基于图形化编程的专用运动控制软件EasyMotion Studio，通过该软件可以配置、自动检测各类电机参数，自动验证、设置编码器、霍尔、旋转变压器等参数，人工调整电流环、速度环、位置环参数，自动检测电机与负载的总惯量，自动调整各控制环参数。智能控制与驱动模块的主要作用是配合转子实验模块。配备的VC、LabVIEW运动控
7、制库函数使用简单方便。三、 实验组件和设备1、 多功能转子测控模块。2、 智能控制与驱动模块。3、 PC机。4、 Easymotion Studio软件。5、 基础实验台。四、 实验步骤1、 根据工业用电安全和设备操作要求，合理规划实验操作平台，接线。2、 单击“开始 | 程序 | EasyMotion Studio | EasyMotion Studio”，打开EasyMotion Studio软件。如果PC与控制器连接正确和通信正常，会在窗口下方显示绿色的“Online”，如图1-1所示：图 1-1 EasyMotion Studio启动界面如果打开失败，通信不正常时会在窗口中下方显示红色
8、“Offline”，如图1-2所示，请确认：（1） 电控制箱已上电。（2） PC机串口与电控制箱的通信口已连接，并正确设置。（3） 控制器的轴号拔码开关所设轴与软件所设的一致。并单击工具栏上的“Refresh Communication”按键，如图1-2所示。刷新连接图 1-2 连接不正确时启动界面3、 多功能转子测控模块单击“Project | Open”打开工程文件，如图1-3所示：图 1-3 项目选择窗口选择多功能转子测控模块2，单击“OK”，进入图1-4窗口。图 1-4单击“View | Project”，显示项目内容如图1-5所示。图 1-54、 设置通信连接参数单击Communic
9、ation|Setup，选择通信方式RS232，选择CAN协议TMLCAN(CAN 2.0B,29bit identifiers)，选择通信端口COM1(该端口必须与计算机设备管理器中端口号相一致，否则通信无法建立)，选择波特率(必须与设备管理器中端口设置的波特率相一致)，选择电机轴号(与智能控制与驱动模块的轴号相一致)，单击OK。5、 设置电机参数在project界面中单击S|Setup|Edit|，进入调试界面，如图1-6所示。图 1-6DC Motor Setup中的Motor data部分的参数由用户根据实际电机参数进行设置。在本实验里，已经为用户配置好了我们选用的电机参数。在Moto
10、r and sensors部分，选择增量编码器，线数500，这说明在四分频下，每周发出2000个脉冲。实验二 直流伺服电机电流环控制实验一、 实验目的1、 熟悉直流伺服电机电流环的概念，了解控制电流环的意义。2、 掌握电流环调试环境，能根据时域响应曲线特点合理改变比例和积分系数。3、 在实验基础上理解各参数的物理意义。二、 实验原理电流环是直流伺服电机的内环，在电机控制中，只有速度控制和位置控制往往还不够。电机转动时，负载发生变化或者扰动的时候，电机的实际电流也应当相应的变化进行调节，如果电流不能跟随这种变化或者扰动，作为外环的速度环将受到影响。因此，要保证电机的实际速度不受上述因素影响，必须
11、做电流环的控制。任何被控制量都是动态变化的，在一个参考信号的激励下会做出响应。如图2-1所示图 2-1 阶跃响应曲线（红线-信号的响应曲线，蓝线-阶跃参考信号）阶跃信号的时域响应过程分为两个阶段：瞬态过程和稳态过程。瞬态过程反映出系统对信号激励的响应速度，响应值第一次达到阶跃信号参考值的时间称为上升时间。之后继续上升到达最大峰值，超过参考值的部分除以参考值就是超调量，以百分比来表示。信号的实际响应减去同一时刻信号的参考值就是信号的误差。理论上来说，一个好的系统应当尽量使实际信号和参考信号重合，但是信号误差无时无刻都存在，只能减小，不能消除。所以需要对信号误差做一个限定。图中与时间轴平行的两条虚
12、线是稳态误差上限和下限，只要响应的信号进入误差上下限以内，就进入了稳态过程，系统从开始响应阶跃参考信号到进入稳态所历经的时间称为调节时间。电流环的控制方法采用PI，即比例+积分的控制方法。其中P是比例环节，实质上是一个具有可调增益的放大器，控制系统中，增大比例系数Kp可减小系统的稳态误差，提高控制精度，但同时，相对稳定性也因此降低，甚至造成闭环系统的不稳定。I是积分环节，作用在于对输入的误差信号进行积分，减小误差。但是，因为积分环节累计的是过去的误差，所以可能造成当前响应过大，造成超调。一般来说，欲在保持闭环系统稳定的条件下提高稳态控制质量，合理可行的方案就是采用PI串联控制，而不要采用单一控
13、制器。三、 实验组件和设备1、 多功能转子测控模块。2、 智能控制与驱动模块。3、 PC机。4、 Easymotion Studio软件。5、 基础实验台。四、 实验步骤1、 单击，进行驱动设置界面。在Control mode中选择速度控制模式。如图2-2所示。图 2-2在Drive operation parameters中单击Detect，检测驱动器的电源电压。在VDC Detection Test中单击Start，如图2-2所示。图 2-32、 在Current controller中单击Tune&Test，进行电流环控制。单击Test Parameters，设置测试电流值和电流保护值，
14、在控制中将给定一个以测试电流大小为参考的阶跃信号，如果控制过程中电流值过大(超调量过大)，则控制过程停止。3、 单击Test，在Kp，Ki参数设置窗口调节比例与积分参数，使电流与参考值尽量吻合。可以通过以下指标来检验。(1) 信号的上升时间，越短越好。(2) 超调量越小越好。(3) 震荡次数越少越好。(4) 稳态时间越少越好。(5) 稳态误差越小越好。4、 PI调节方法电流时域响应效果由P、I两个参数共同决定。控制时如果两个参数同时改变，往往不能够看出究竟是哪个变量起的作用，应当保持一个参数值不变，改变另一个值，再根据观察效果进一步调节。（1） 首先将Kp、Ki设置为0 图2-4（红线-电流阶跃参考信号，黄线-电机响应电流信号）响应曲线如图所示，响应几乎为0，相当于没有控制器。（2） 从0开始增加比例环节Kp，直到产生振荡图2-5曲线表示电流环响应已经开始振荡，由于积分环节为0，因此相当于一个单纯的P控制器。（3） 将Kp减小到一半图2-6此时的电流振荡消失，但因为积分环节的缺失，稳态误差依然存在。（4） 从0开始逐渐增加Ki，直到稳态误差为0图2-7在Kp=3.6，Ki=0.6的情况下，系统的超调量已经比较小，稳态误差已接近0。（5） 在有些场合，比如“过抑制闭环系统”中，系统不允许有超调量，这个时候要大幅度的减小Kp，使之比之前的Kp的一半还小。响应曲线如图所示：
