机电传动控制实验指导书

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1、 机电传动控制 实 验 指 导 书 （第二版） 杨林初 编 写 朱鹏程 主 审 适用专业： 机械电子工程 江苏科技大学 机械工程实验中心 2013年8月 I 前 言 机电传动控制课程是机械电子工程专业必修的课程，它是从机电一体化技术需要出发，为了培养在机械电子领域中，既具有较高理论知识，又具备一定分析和解决实际问题能力的高级技术人才而设置的主干课程。 机电传动控制课程的实验环节是非常重要的。本着“机电结合，电为机用”的原则，为了使学生更好地理解和消化理论教学中相关知识点，掌握直流电机、步进电机和交流伺服电机等电机的工作原理、工作特性、应用和选用方法，掌握开环、和闭环控制系统的工作原理及应用场合

2、，掌握伪微分反馈控制(Pseudo Derivative Feedback,简称PDF)理论特编写该实验指导书。 本实验指导书一共有三个必修实验，其中， 直流力矩电机随动控制、步进电机开环控制和交流电机变频调速实验。上述实验为任课教师和实验教师精选，对培养学生的动手能力、加深对课本知识的理解有重要意义。 本实验指导书的特点是通俗易懂，难度适中，使得学生可在 2小时之内，完成实验项目所规定的内容。 由于本指导书编写时间仓促，编者水平有限，错漏难免，请广大教师和学生指正，多提宝贵意见。 II 目 录 实验一 直流力矩电机随动控制.1 实验二 步进电机开环控制1.6 实验三 交流电机变频调速.10

3、实验四 步进电机开环控制2.15 1 实验一 直流力矩电机随动控制 实验学时：2 实验类型：综合、设计 实验要求：必修 实验必备知识：完成电子电工模拟电路实验、控制工程基础典型环节实验和机电系统建模与仿真matlab模拟实验。 一实验目的 1.理解基于PDF（或PID）控制算法的直流力矩电机伺服控制基本原理和基本策略。 2.掌握PDF（或PID）控制算法中参数的变化对被控对象的影响。 二. PDF控制原理 在控制方法上,目前主要有PID控制、自适应控制、人工智能、神经网络控制以及伪微分(PDF)控制。控制基本原理是：用比例环节(P)及时跟随指定输入，用积分环节(I)消除静差，使系统成为无差系统

4、，用微分环节(D)预测变量变化以增强系统的快速性和稳定性。在模拟电路控制系统中，使用运算放大器实现控制；在数字控制系统的硬件实现中，时下比较流行的有单片机、可编程控制器和工控卡等。本实验采用模拟电路控制系统。 经典控制理论的最基本的概念就是反馈，典型的反馈控制系统一般由四部分组成：受控对象、末级控制单元FCE(Final Control Element)、控制器和被控对象测量单元。其相互关系见图1-1所示。 控制器 FCE 被控对象被控对象测量单元R图1-1 反馈控制系统 1. 伪微分(PDF)控制理论的建立 下面以一阶控制 系统为例（图1-2）， 通过对各种控制方法 的分析和改进，得到 伪微

5、分反馈控制的原 理。 图1-2一阶被控系统微分反馈补偿方框图 2 22iidiidiK SCRLaSKKSKaSKKSK=+ 其特征方程为 02 =+ idi KSKKaS 它的所有项系数都为正，系统稳定。 根据以上分析，作为一阶被控系统，控制器方框图应如图1-3所示。 图1-3一阶被控系统微分反馈补偿器方框图 由可调整性可知，控制系统特征方程中的每一项系数不能具有控制参数的乘积或和的表达式，也就是说，在 1M 中的每一项只能受到一个控制参数的影响。由图1-3可得出 1M的表达式为： 11iidKMEKKCS= 从上式可以看出， 1M 表达式右边的两项并非独立的，因为 iK 的变化同时改变右边

6、两项的参数。从图中可以看出对输出信号C微分的积分仍然是C，这就说明没有必要对C进行微分，而且在工程上要尽量避免微分运算，可以将图 1-3 的控制器改成图 1-4。可以看出： 11idKMEKCS= 图1-4一阶被控系统微分反馈补偿器方框图 在这里，我们不仅取消了微分运算，而且使 1M 表达式右边的两项互相独立，各项系数可以分别调整，而且可以完全获得误差 CRE = 用以观察。图 1-5 中的控制器从数学SKiR E 1MCBSKd11+ 3 角度来说和图1-4中的控制器完全相同，虽然图1-4中没有对被控变量直接进行微分，但得到与微分完全相同的结果，因而称作伪微分反馈(Pseudo Deriva

7、tive Feedback),简称PDF，其控制方框图如图1-5所示。 图1-5 一阶被控系统伪微分反馈控制方框图 2.直流电机速度控制系统原理图 直流电机速度控制属于一阶控制，其控制框图与图1-5同，其中，a为系统阻尼，K为系统增益。其响应曲线如图1-6所示。 T0.632tC图1-6 直流电机速度控制系统PDF伪微分反馈控制响应曲线 伪微分(PDF)控制方法既具有传统的 PID 控制实施容易的优点，又兼有自适应控制方法性能优良的特点。也就是说,该控制理论算法简单，响应性能良好，抗外界负载能力很强,且对受控系统模型参数变化不敏感，即具有极佳的鲁棒性。 三.实验仪器 直流电机（含测速发电机），

8、功率放大器，自动控制实验箱，万用表，转速表，电阻若干，电容若干，连接导线若干等；电脑安装matlab软件。 四. 模拟电路控制系统硬件实现 如图1-7所示，整个控制系统由实验箱、功率放大器、测速发电机和最终的执行元件(直流电机)组成，形成闭环控制回路。利用实验箱的比例器、积分器、加（减）法器搭成控制系统，阶跃信号（实验箱自带）通过控制系统后，由功率放大器放大，驱动电机转动，测 4 速发电机作为被控对象测量单元，将电机转速转化为电压，反馈回实验箱的控制系统。换而言之，采用电位器作为模拟输入，运算放大器作为算法控制器，功率放大器作为能量提供单元，测速发电机作为测量反馈元件，和直流电机构成闭环控制系

9、统。 图1-7 模拟电路控制系统原理图 PDF模拟控制系统接线图如图1-8所示。 五. 实验数据分析 5.1 记录实验用电机的铭牌数据于下表。 图1-8 直流电机PDF模拟控制系统接线图 实验调试结果的理想状态是电机转速能跟随阶跃信号输入的变化而变化，当输入电压升高，电机转速变快，且速度不受外干扰影响；反之变慢；当输入为0时，电机迅速停止转动。整个过程可控，无超调无震荡无异常噪音。 另外，本实验也可先用matlab软件搭建图1-5的控制框图进行模拟实验，模拟实验成功后再实物接线测试。实验结果记录表1-2。 五. 实验数据分析 5.1 记录实验用电机的铭牌数据于下表。 表1-1 电机的铭牌数据

10、电 机 名 称 型 号 额 定 转 矩 最 高 电 压 最 高 转 速 额 定 电 流 5 5.2 画出实验用运算放大器的引脚接线简图，写出基本参数。 5.3观察不同参数下系统响应，并作定性分析（响应时间快慢，是否超调，是否震荡）。 表 1-2 不同参数下系统的响应作定性分析表 Ki Kd 增大 减小 增大 减小 速度控制 六. 思考题 1. 画出直流电机速度控制的PID控制框图和模拟电路图，并标明各环节的名称。 七：实验报告要求： 实验报告簿应事先准备好，用来做预习报告、实验记录和实验报告，要求这三个过程在一个实验报告中完成。 1. 实验预习 在实验前写好预习报告，在预习报告中要写出实验目的

11、、要求，需要用到的仪器设备、物品资料以及简要的实验步骤，形成一个操作提纲。实验前推导出图1-8 PDF模拟控制系统接线图中每个环节的输入和输出公式，相关内容见电子电工技术下册，秦曾煌主编，16 章集成运算放大器，17 章电子电路中的反馈。相关控制理论内容见控制工程基础王积伟主编，控制系统的设计和校正等章节。 2. 实验记录 学生开始实验时，应该将记录本放在近旁，将实验中所做的每一步操作、观察到的现象和所测得的数据及相关条件如实地记录下来。实验记录中应有指导教师的签名。 3. 实验报告 主要内容包括对实验数据、实验中的特殊现象、实验操作的成败、实验的关键点等内容进行整理、解释、分析总结，回答思考

12、题，提出实验结论或提出自己的看法等。 6 实验二 步进电机开环控制1 实验学时：2 实验类型：验证 实验要求：必修 一、实验目的 1 理解步进电机的运行原理及其驱动电路。 2 学习使用VB语言编制简单的程序，并产生脉冲信号，进行步进电机控制。 二、实验内容： 1. 通过串口控制步进电机的速度控制、位置控制及正反转控制； 2. 通过步进电机控制实验，使学生能够理解实际步进电机的控制方式，理解环形分配原理，以及熟悉简单的VB编程及相应的硬件接口知识。 三、步进电机的工作原理 由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面叙述三相反应式步进电机原理。更详尽的原理参见教科书相应章节、 1、结构： 电机转子均

13、匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。 0、1/3、2/3,（相邻两轴子齿轴线间的距离为齿距以表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3，C与齿3向右错开2/3，A与齿5相对齐（A就是A，齿5就是齿1），图2-1是定转子的展开图： 图2-1定转子的展开图 2、旋转： 7 如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3，此时齿3与C偏移为1/3，齿4与A偏移（-1/3）=2/3。 如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1

14、/3，此时齿4与A偏移为1/3对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3,向右旋转。如按A，C，B，A通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 四、实验设备 实验板，专用串行口接线，导线，光耦，电阻，示波器，万用表，常用工具等。 五、实验原理和步骤 图2-1 步进电机开环控制原理图 如图2-1所示，串口的7脚（D0）为高电平的时候，驱动器的CP IN口为高电平，步进电机转动；反之停止。串口的4脚（D1）控制电机正反转。当为高电平的时候，驱动器的CW/CCW口为高电平，步进电机正转；反之反转。 实验接线按照图2-2接线。注意所有的元器件需共地。 1把实验板上直流电源的“+15V”、“0”接到步进电机驱动模块的“VCC”、“GND”上。 2把直流电源上的“RX”两端接到驱动模块的“RX”和“CP OUT”上。 8 3把驱动模块上的“CP OUT”连接到“CP IN”上