直流伺服电机实验报告
“直流伺服电机的建模与性能分析” 实验指导书 - 开放型实验管理系统
开放型实验“直流伺服电机的建模与性能分析”实验指导书一、实验目的1. 了解机理法、实验法建模的基本步骤；2. 会用实验法建立直流伺服电机的数学模型；3. 掌握控制系统稳定性分析的基本方法；二、实验要求1. 采用实验法建立直流伺服电机的数学模型；2. 分析直流伺服电机的稳定性，并在MATLAB 中仿真验证；三、实验设备1. GSMT2014 型直流伺服系统控制平台；2. PC、MATLAB 平台；四、直流伺服系统控制平台简介实际GSMT2014型直流伺服系统控制平台如图1.1所示。
该平台所使用的直流电机的额定电压为26V，额定功率为70W，最高转速为3000r/min，电机的编码器为1000p/r。
图1.1 GSMT2014型直流伺服系统控制平台GSTM2014实验平台是基于双电机高性能运动控制器GT400和智能伺服驱动器的直流伺服电机控制系统，由于GSMT2014平台增加了高性能的GT2014运动控制器，可以在MATLAB/simulink软件下完成实时控制实验掌握通过实验数据来建立系统的数学模型的实验方法，以及现代控制理论的状态反馈法。
五、实验原理系统的建模方法主要分为机理法和实验法。
1．机理法建立直流伺服电机数学模型采用机理法建立系统模型，需要深入理解系统内部的各个部分之间的关系，可以通过简化模型原理图得出，直流伺服电机的简化模型原理图如图1.2所示。
图1.2 直流电机的等效电路a U ——定义为电枢电压（伏特）b U ——定义为反电动势（伏特）a I ——定义为电枢电流（安倍）a R ——定义为电枢电阻（欧姆）a L ——定义为电枢电感（亨利）m T ——定义为电机产生的转矩（牛顿·米）c T ——定义为系统的干扰力矩（牛顿·米）m J ——定义为负载的等效转动惯量（千克·米²）结合直流伺服机的等效电路模型可以得出：（1）电枢电压方程： dt t di La t i a a )()(R t U -t U a b a +=）（）（（1-1） （2）电动机的转矩：a m kI T =（1-2） 式中:k ——电动机的转矩常数（3）电动机的反电动势：n b w K =b U（1-3） 式中：b K ——反电动势常数（4）转矩平衡方程： c m T dt d J +=22m T θ（1-4）当改变电动机的电枢电压时，根据（1-1）、（1-2）、（1-3）、（1-4）式可以得出直流电动机的动态微分方程为： c f a c e T K U K t n dtt dn dt t n d -=++)()()(m 22m τττ （1-5） 其中：ετ——电磁时间常数； f K ——机械特性斜率；m τ——机械时间常数； c K ——转速常数；)(t n ——电机转速。
伺服电机开环实验报告
实验一伺服电机开环控制1. 实验简介此程序实现的是控制交流伺服电机转速的功能。
通过此程序可以掌握如下几点：A.如何控制电机定子磁场的角度和幅度（通过SVPWM模块）。
控制伺服电机，程序的功能就是如何去产生和控制电机定子磁场的角度和幅度，能输出任意角度和幅度的定子磁场，就有了控制电机的基础。
B.如何通过编码器得到电机的转子位置。
电机编码器输出的是ABZ三相信号，DSP内部自带有编码器信号接口模块QEP模块。
通过配置此模块，可以将外部的AB信号进行计数，当前的计数值除以一圈的脉冲数就是转子当前的角度。
得到转子当前的角度才能去控制电机定子磁场的角度。
C.如何缓冲外部输入信号。
用户设置的输出，可能一下从0到一个很大的值，这样电机一下就得到一个很高的电压，而此时电机并没有转起来，没有反电势，此时电流就会很大，达不到软启动的效果。
次程序通过一个斜坡函数”Rmp_cntl”模块，将输入信号进行缓冲，达到软启动的效果。
D.如何通过测得的转子位置运算成当前的速度。
程序中通过一个固定的时间间隔1ms，测两次转子的位置，两次转子位置的差除以时间，就能得到当前的速度。
现在简单介绍下伺服电机运行的原理，电机产生输出力是转子磁场和定子磁场作用的结果。
要让电机旋转，就要让定子磁场在空间上超前或滞后转子磁场90°，这样输出的力都是用来做机械功率。
这个方向的力就是QS。
如果超前的不是90°，而是其他角度，这个角度可以分解成一个垂直转子磁场，和平行转子磁场的力。
垂直的产生力的输出，平行的就能强化或弱化转子磁场。
一般情况是只输出垂直转子磁场的力，这样发热最小，效率最高。
2. 程序框图此程序实现的是交流伺服电机的开环调速。
通过显示板设定输出占空比，占空比信号输入给”Rmp_cntl”模块（此模块产生斜坡函数，输出需要再一定时间内线性加大或减小逐步达到输入，这样可以消除输入突变产生的抖动），模块的输出再作为”Ipark”模块Qs的输入。
关于伺服电机的报告
关于伺服电机的报告英文回答：As an AI chatbot, I'm here to help you out with your request for a comprehensive report on servomotors. I'll be covering everything you need to know, from the basics to the more advanced concepts. So, sit back, relax, and let's dive right in!What is a servomotor?A servomotor is a type of motor that allows for precise control of angular position, velocity, and acceleration. It consists of a motor, a feedback device (encoder), and a controller. The controller compares the desired position to the actual position and makes adjustments to the motor to minimize the error.How does a servomotor work?Servomotors operate on the principle of closed-loop control. Here's a simplified overview of how it works:1. The controller receives a command signal that specifies the desired position, velocity, or acceleration.2. The controller compares the desired value to the actual value measured by the encoder.3. The controller calculates the error between the desired and actual values.4. The controller sends a control signal to the motor to adjust its position, velocity, or acceleration based on the error.5. The motor adjusts accordingly, and the encoder continuously provides feedback to the controller.Types of servomotors。
伺服电机实验报告心得
伺服电机实验报告心得引言伺服电机是一种能够实现精确定位和控制运动的电机。
在实验中，我们通过搭建电路和编写程序来实现对伺服电机的控制。
本次实验的目标是掌握伺服电机的原理和控制方法，并利用所学知识完成一个简单的控制项目。
实验步骤和内容1. 电路搭建：首先，我们根据提供的电路图搭建了一个控制伺服电机的电路。
电路中主要包括电源、伺服电机和控制信号。
2. 程序编写：接着，我们使用Arduino编写了控制伺服电机的程序。
程序的主要任务是生成一个PWM（脉冲宽度调制）信号，并通过该信号控制伺服电机的转动。
我们通过改变脉冲宽度的值来控制伺服电机转动的角度。
3. 实验调试：在搭建好电路并编写好程序后，我们进行了实验调试。
通过改变脉冲宽度的值来控制伺服电机转动，观察伺服电机的转动情况，并调整程序中的参数，使伺服电机能够按照预期的方式运行。
4. 控制项目：最后，我们根据实验要求完成了一个简单的控制项目。
我们利用伺服电机控制一个小车的转向，通过改变伺服电机的转动角度来改变小车的行驶方向。
心得体会通过这次实验，我有以下几点心得体会：1. 对伺服电机的原理有了更深的了解：在实验中，我学习到了伺服电机的工作原理和控制方法。
伺服电机是通过控制脉冲宽度来控制转动角度的，控制信号的频率和脉冲宽度会影响伺服电机的转速和精度。
2. 对电路搭建和调试有了实践经验：在实验中，我需要根据提供的电路图来搭建电路，并和程序进行配合，实现对伺服电机的控制。
通过实际操作和调试，我对电路的搭建和调试有了一定的经验。
3. 增强了编写程序的能力：在实验中，我需要使用Arduino编写程序来实现对伺服电机的控制。
通过编写程序，我掌握了一些基本的编程技巧和调试方法，提高了自己的编程能力。
4. 培养了团队合作意识：在实验中，我们需要和队友一起进行实验调试和项目完成。
通过与队友的合作，我学会了与他人进行有效的沟通和协作，培养了团队合作意识。
总结通过本次实验，我对伺服电机的原理和控制方法有了更深的了解，并通过实践掌握了一定的电路搭建和编程技巧。
直流伺服电机实验报告材料
实验六 直流伺服电机实验一、实验设备及仪器 被测电机铭牌参数：P N =185W ，U N =220V ，I N =1.1A ， 使用设备规格(编号)：1．MEL 系列电机系统教学实验台主控制屏（MEL-I 、MEL-IIA 、B ）； 2．电机导轨及测功机、转速转矩测量（MEL-13）； 3．直流并励电动机M03（作直流伺服电机）；4．220V 直流可调稳压电源（位于实验台主控制屏的下部）； 5．三相可调电阻900Ω（MEL-03）； 6．三相可调电阻90Ω（MEL-04）；7．直流电压、毫安、安培表（MEL-06）；二、实验目的1．通过实验测出直流伺服电动机的参数r a 、e κ、T κ。
2．掌握直流伺服电动机的机械特性和调节特性的测量方法。
三、实验项目1．用伏安法测出直流伺服电动机的电枢绕组电阻r a 。
2．保持U f=U fN=220V，分别测取U a =220V及U a＝110V的机械特性n=f(T)。
3．保持U f=U fN=220V，分别测取T2＝0.8N.m及T2＝0的调节特性n=f(Ua)。
4．测直流伺服电动机的机电时间常数。
四、实验说明及操作步骤1．用伏安法测电枢的直流电阻Ra取三次测量的平均值作为实际冷态电阻值Ra=3132a a a R R R ++。
表中Ra=（R a1+R a2+R a3）/3; R aref =Ra*a ref θ++235235（3）计算基准工作温度时的电枢电阻由实验测得电枢绕组电阻值，此值为实际冷态电阻值，冷态温度为室温。
按下式换算到基准工作温度时的电枢绕组电阻值：R aref =Raaref θθ++235235式中R aref ——换算到基准工作温度时电枢绕组电阻。
（Ω） R a ——电枢绕组的实际冷态电阻。
（Ω）θref ——基准工作温度，对于E 级绝缘为75℃。
θa ——实际冷态时电枢绕组的温度。
（℃）2．测直流伺服电动机的机械特性I S：电流源，位于MEL-13，由“转矩设定”电位器进行调节。
直流伺服电机实验报告_3
直流电机的特性测试一、实验要求在实验台上测试直流电机机械特性、工作特性、调速特性（空载）和动态特性, 其中测试机械特性时分别测试电压、电流、转速和扭矩四个参数, 根据测试结果拟合转速—转矩特性（机械特性）, 并以X轴为电流, 拟合电流—电压特性、电流—转速特性、电流—转矩特性, 绘制电机输入功率、输出功率和效率曲线, 即绘制电机综合特性曲线。
然后在空载情况下测试电机的调速特性, 即最低稳定转速和额定电压下的最高转速, 即调速特性；最后测试不同负载和不同转速阶跃下电机的动态特性。
二、实验原理图三、实验操作步骤1.测量直流电机的机械特性和动态特性①首先将负载旋钮逆时针拧至最小, 然后将实验设备面板上的直流电机的电枢电压和电枢电流信号引出, 分别接至计算机的采集数据端口上, 打开计算机中的测试软件, 进入测试界面, 设定每个通道的测量范围。
②系统上电。
③用计算机给定电机的电枢电压信号, 逐渐增加负载（顺时针转动负载旋钮）, 选择记录下此过程中的20组数据, 每组数据包括测量电枢电压、测量电枢电流、电机转速和电磁转矩值。
④计算机停止给定电机的电枢电压信号, 系统电源关闭。
2.测量直流电机的调速特性本实验要求测量的是空载下的调速特性, 测量额定电压下的最高转速和最低稳定转速。
步骤如下:①首先将负载旋钮逆时针拧至最小, 然后将实验设备面板上的直流电机的电枢电压信号引出, 接至计算机的采集数据端口上, 打开计算机中的测试软件, 进入测试界面, 设定通道的测量范围。
②利用式（1-7）计算电机额定电压（3V）对应的测量电压值, 为5.16V。
电机实际电压=（前面板测量电压-0.76）*2.75-0.1③系统上电。
④不断改变计算机输出的电机电压信号, 直至测量电压信号的值为5.16V。
记录下此时的转速值, 即为额定电压下的最高稳定转速。
⑤不断减小计算机输出地电机电压信号, 观察转速逐渐减小和稳定的情况, 记录下最低稳定转速值。
直流伺服电动机实验报告1
淄博职业技术学院控制电机实验报告XX学院___年级 XX班姓名________学号_________同组人__________实验日期________年_____月____日温度________ 湿度________ 实验一直流伺服电动机电枢电阻的测量一、实验目的1、通过实验测出直流伺服电动机的参数ra、Ke、KT。
2、掌握直流伺服电动机的机械特性二、实验项目1、测直流伺服电动机的电枢电阻。
三、实验方法1、实验设备：2、用伏安法测直流伺服电动机电枢的直流电阻（1）用伏安法测直流伺服电动机电枢的直流电阻按图1接线，电阻选用2.2K 100W 的变阻器。
电流表的量程选用2A ，电源选用直流电机专用电源上的电枢电源。
图.1 测电枢绕组直流电阻接线图(2) 经检查无误后接通电枢电源，并调至220V ，合上开关S ，调节R 使电枢电流达到0.2A ，迅速测取电机电枢两端电压U 和电流I ，再将电机轴分别旋转三分之一周和三分之二周。
同样测取U 、I ，记录于表1-1中，取三次的平均值作为实际冷态电阻。
(3)计算基准工作温度时的电枢电阻由实验直接测得电枢绕组电阻值，此值为实际冷态电阻值，冷态温度为室温，按下式换算到基准工作温度时的电枢绕组电阻值。
aref aaref R R θθ++=235235式中： Raref ——换算到基准工作温度时电枢绕组电阻，（Ω）Ra ——电枢绕组的实际冷态电阻，（Ω） θref——基准工作温度，对于E 级绝缘为75℃ θa——实际冷态时电枢绕组温度，（℃） 四、实验报告1、由实验数据求得电机参数：R aref 、K e 、K TR aref ——直流伺服电动机的电枢电阻 ——电势常数——转矩常数五、实验心得通过本次试验加深了对直流伺服电动机的理解， 六、思考题1、若直流伺服电动机正（反）转速有差别，试分析其原因？（1）“零飘”，零点不是绝对零点，要调节零飘点，接近于0位置，正反转就基本一致了 （2）因为可控硅制造工艺和参数问题，实际上反转跟正传的电流环并不一致eT aNe K K n U K π300==。
直流电机伺服系统实验报告
直流电机伺服系统实验报告目录直流电机伺服系统实验报告 (1)实验一、MATLAB仿真实验 (2)1.直流电机的阶跃响应 (2)2.直流电机的速度闭环控制 (2)3.直流电机的位置闭环控制 (7)实验二、直流电机调速系统 (11)1.反馈增益调节 (12)2.抗扰动能力对比 (12)3.比例调节下的特性测试与控制参数优化 (13)4.比例积分调节下的特性测试与控制参数优化 (15)5.测试速度环的速度误差系数(选做) (18)6.思考题 (19)实验三、直流电机位置伺服系统 (20)1.测试位置环的速度误差系数 (20)2.位置环采用比例控制器时的特性 (20)3.位置环采用PI 控制器时的动态特性 (23)4.测试工作台位移与输入电压的静特性 (24)5.思考题 (24)实验总结 (27)实验一、 MATLAB 仿真实验1.直流电机的阶跃响应如下图，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。
利用Simulink 仿真搭建模型：实验结果 阶跃响应曲线两个极点是1210,10000s s =-=-，其中主导极点是110s =-。
2. 直流电机的速度闭环控制如下图，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。
(1)假设()100c G s =，用Matlab 画出控制系统开环Bode 图，计算增益剪切频率、相位裕量、相位剪切频率、增益裕量：当()100c G s =时，改为单位负反馈，开环传递函数：100()(0.11)(0.0011)(0.00011)G s s s s =+++绘制系统开环Bode 图：利用margin 函数，得到：增益剪切频率784.3434/c rad s ω=，相位裕量48.1370γ=，相位剪切频率3179.7/rad s πω-=，增益裕量11.1214g K =。
(2)通过分析Bode 图，选择合适的常数P K 作为()c G s ，使闭环阶跃响应的最大超调量在0~5%之间：超调量(%)100(1sin )5p M γ≈--，降低最大超调量需要适当提高相位裕量γ，反解得到γ的取值为：64.2°<γ<71.8°这就需要减小p K （但是快速性将降低，稳态误差将增大）。
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直流电机的特性测试
一、实验要求
在实验台上测试直流电机机械特性、工作特性、调速特性（空载）和动态特性，其中测试机械特性时分别测试电压、电流、转速和扭矩四个参数，根据测试结果拟合转速—转矩特性（机械特性），并以X 轴为电流，拟合电流—电压特性、电流—转速特性、电流—转矩特性，绘制电机输入功率、输出功率和效率曲线，即绘制电机综合特性曲线。
然后在空载情况下测试电机的调速特性，即最低稳定转速和额定电压下的最高转速，即调速特性；最后测试不同负载和不同转速阶跃下电机的动态特性。
二、实验原理
1、直流电机的机械特性
直流电机在稳态运行下，有下列方程式：
电枢电动势 e E C n =Φ （1-1） 电磁转矩 e m T C I =Φ （1-2） 电压平衡方程 U E IR =+ （1-3）
联立求解上述方程式，可以得到以下方程：
2e e e m U R
n T C C C =
-ΦΦ
（1-4） 式中 R ——电枢回路总电阻 Φ——励磁磁通 e C ——电动势常数 m C ——转矩常数 U ——电枢电压 e T ——电磁转矩
n ——电机转速
在式（1-4）中，当输入电枢电压U 保持不变时，电机的转速n 随电磁转矩e
T 变化而变化的规律，称为直流电机的机械特性。
2、直流电机的工作特性
因为直流电机的励磁恒定，由式（1-2）知，电枢电流正比于电磁转矩。
另外，将式（1-2）代入式（1-4）后得到以下方程：
e e U R
n I C C =
-ΦΦ
（1-5） 由上式知，当输入电枢电压一定时，转速是随电枢电流的变化而线性变化的。
3、直流电机的调速特性
直流电机的调速方法有三种：调节电枢电压、调节励磁磁通和改变电枢附加
电阻。
本实验采取调节电枢电压的方法来实现直流电机的调速。
当电磁转矩一定
时，电机的稳态转速会随电枢电压的变化而线性变化，如式（1-4）中所示。
4、直流电机的动态特性
直流电机的启动存在一个过渡过程，在此过程中，电机的转速、电流及转矩
等物理量随时间变化的规律，叫做直流电机的动态特性。
本实验主要测量的是转速随时间的变化规律，如下式所示：
s m
dn
n n T dt
=- （1-6）
其中，s n ——稳态转速 m T ——机械时间常数
本实验中，要求测试在不同负载和不同输入电枢电压（阶跃信号）下电机的
动态特性。
5、传感器类型
本实验中，测量电机转速使用的是角位移传感器中的光电编码器；测量电磁
转矩使用的是扭矩传感器。
三、实验操作步骤
1、测量直流电机的机械特性和动态特性
①首先将负载旋钮逆时针拧至最小，然后将实验设备面板上的直流电机的电枢电压和电枢电流信号引出，分别接至计算机的采集数据端口上，打开计算机中的测试软件，进入测试界面，设定每个通道的测量范围。
②系统上电。
③用计算机给定电机的电枢电压信号，逐渐增加负载（顺时针转动负载旋钮），选择记录下此过程中的20组数据，每组数据包括测量电枢电压、测量电枢电流、电机转速和电磁转矩值。
④计算机停止给定电机的电枢电压信号，系统电源关闭。
2、测量直流电机的调速特性
本实验要求测量的是空载下的调速特性，测量额定电压下的最高转速和最低稳定转速。
步骤如下：
①首先将负载旋钮逆时针拧至最小，然后将实验设备面板上的直流电机的电枢电压信号引出，接至计算机的采集数据端口上，打开计算机中的测试软件，进入测试界面，设定通道的测量范围。
②利用式（1-7）计算电机额定电压（24V）对应的测量电压值，为9.52V。
电机实际电压=（前面板测量电压-0.76）*2.75-0.1 （1-7）
③系统上电。
④不断改变计算机输出的电机电压信号，直至测量电压信号的值为9.52V。
记录下此时的转速值，即为额定电压下的最高稳定转速。
⑤不断减小计算机输出地电机电压信号，观察转速逐渐减小和稳定的情况，记录下最低稳定转速值。
⑥计算机停止给定电机的电枢电压信号，系统电源关闭。
3、测量直流电机的动态特性
按照测量在不同负载和不同输入电枢电压（阶跃信号）下电机的动态特性的要求，本实验测量了在计算机给定电压信号（阶跃信号）分别为7V和4V时，4个不同负载大小下电机的动态特性。
①首先将负载旋钮逆时针拧至最小，然后将实验设备面板上的电机转速信号引出，接至计算机的采集数据端口上，打开计算机中的测试软件，进入测试界面，设定通道的测量范围。
②系统上电。
③将计算机给定电压信号（阶跃信号）设为7V，顺时针转动负载旋钮，记录在4个不同负载下，电机转速的动态响应曲线。
将负载旋钮旋至最小后，将计算机给定电压信号（阶跃信号）设为4V，记录在4个不同负载下，电机转速的动态响应曲线。
④计算机停止给定电机的电枢电压信号，系统电源关闭。
四、实验测试结果及数据处理
1、直流电机的机械特性和动态特性
根据上述操作步骤，测量得到的20组数据如表1所示：
表1 测量数据
根据前面板测量值与电机实际值的换算公式：
电机实际电压=（前面板测量电压-0.76）*2.75-0.1
电机实际电流=（前面板测量电压-0.032）*2
计算电机的实际电枢电压和电枢电流值，如表2所示：
表2 实际数据
根据实验原理和上述数据，利用matlab工具，选用最小二乘法中的多项式拟合方法拟合电机的机械特性曲线、电流-电压特性曲线、电流-转速特性曲线、电流-转矩特性曲线、电机输入功率曲线、电机输出功率曲线和电机的效率曲线。
（1）拟合机械特性曲线
根据原理，机械特性曲线应是一条直线，所以选用最小二乘一次拟合多项式来拟合机械特性曲线，拟合得到的图形如下图1所示：
图1：机械特性
（2）拟合电流-电压特性曲线
图2：电流-电压特性
从图2可以看出，尽管原理上电枢电压应该大小恒定，但是实际上，电枢电
压会随着负载的逐渐增大而缓慢下降。
（3）拟合电流-转速特性曲线
图3：电流-转速特性
（4）拟合电流-转矩特性曲线
图4：电流-转矩特性
（5）拟合输入功率曲线
首先，根据公式计算输入功率：
i P U I =⨯ (1-8)
因为实验过程的变化量是负载，而电机稳定运行时，电磁转矩与负载转矩大小相
等，所以选用电磁转矩作为x 轴绘制功率曲线。
并用最小二乘二次多项式拟合功率曲线，结果如下图所示：
图5：输入功率曲线
（6）拟合输出功率曲线
首先，根据公式计算输出功率：
9.55o P n T =⨯÷ (1-9)
同理，以电磁转矩作为x 轴，并用最小二乘二次多项式拟合功率曲线，结果如下图所示：
图6：输出功率曲线
（7）拟合输出功率曲线
首先，根据公式计算功率比：
100%o
i
P P η=
⨯ (1-10) 同理，以电磁转矩作为x 轴，并用最小二乘三次多项式拟合功率比曲线，结果如下图所示：
图7：功率比变化曲线
2、直流电机的调速特性测量结果
按照上述测量步骤，得到空载情况下，直流电机在24V 额定电压下的稳定转
速为221r/min 。
最低稳定转速为18 r/min
3、直流电机的动态特性测量结果
在给定电压型号为7V 时，直流电机转速在4个不同负载下的动态响应曲线如图8-图11所示：
图8 图9
图10 图11
在给定电压型号为4V时，直流电机转速在4个不同负载下的动态响应曲线如图12-图15所示：
图12 图13 图14 图15。