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。
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。
直流伺服电机控制实验指导书
速度试运行模式系统接线方式：
速度试运行模式参数一览
参数代码
参数名称
功能简介
P-4
电机控制模式
选择速度试运行控制模式。(设定值：4)
五、实验步骤：
1.将NMEL-30-YJ-A直流伺服挂箱与伺服电机相连接。UVW三相一一对应；连接航空插座线。
2.确认接线无误后，上电。
3.设置参数Pn-4为4（速度试运行模式）
附录
如果电机与伺服驱动器参数不匹配，显示屏上会报ERR.3的错误。解决方法：重新下载参数。操作步骤如下：
此软件附带在光盘中，为博美德伺服软件。伺服配一根与PC机通信的通信线，如图所示：
接线完成后，上电，打开软件，界面如下所示：
点击COM选择与电脑连接的COM口（COM1/COM2/COM3/COM4中选一个），选择后弹出对话框内容为与伺服连接成功。表示已通信上。
2.确认接线无误后，上电。
3.设置Pn-4为2（设置运行模式为位置控制模式）
4.设置Pn-52为0（设定伺服驱动器接收指令脉冲的类型为指令/方向脉冲型指令）
5.设置Pn-53为0 (设定为0时，电机按方向指令运行；设定为1时，电机按与方向指令相反的方向运行)
6.设置PN48=1000 ; PN49=2048(此2参数为电子齿轮比)当脉冲频率达到100kHz时，电机转速达到3000转/分钟
6.PN-20设定模拟量指令方向。默认为0
7.设置PN34和PN35可设定加减速时间。默认为0
8.PN27为2.设定转矩指令类型为模拟量。
9.根据需要设置PN15设置模拟量指令增益。即电压与转矩的比例关系。
该参数用于设定模拟量电压与转矩指令的比例关系，电压范围为-10V~+10V。
直流伺服电机实验报告
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 Rn 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eT 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 Rn 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。
直流伺服调速系统实验报告
师范学院实验报告学院：专业：班级：成绩：姓名：学号：组别：组员：实验地点：实验日期：指导教师签名：实验（1）项目名称：直流电机智能伺服控制器基本控制实验1.实验项目名称直流电机智能伺服控制器基本控制实验2.实验目的和要求熟悉智能伺服运动控制器的原理和使用方法，掌握基本的电机控制原理，电流环，速度环和位置环的参数调节3.实验原理伺服系统在机电设备中具有重要的地位，高性能的伺服系统可以提供灵活、方便、准确、快速的驱动。
随着技术的进步和整个工业的不断发展，伺服驱动技术也取得了极大的进步，伺服系统已进入全数字化的时代。
智能伺服运动控制器的总体结构如下图所示；Motion Studio是智能伺服控制器的开发环境，是一款基于Windows环境的高性能可视化软件，用于开发包含有Technosoft智能伺服驱动的运动解决方案，它容许您配置一个运动系统，包括运动系统元素定义和控制器参数测定，利用高级集成工具设计运动程序，它可以自动生成TML代码，深层代码开发工具容许进一步的编辑和直接编译、连接、产生执行代码并送到IPM驱动器，最后，先进的图形显示工具：如数据记录、控制按钮和TML变量观测可用于系统的运动。
其界面如下图所示：根据电机参数，在下图所示的界面中设置参数：设置电流环，速度环和位置环各参数：在设置速度环和位置环参数后，对系统进行“Tune＆Test”实验，改变参数，直到可以达到满意的控制效果。
4.主要仪器设备直流伺服系统控制平台、控制计算机5.实验内容及步骤（1）参照智能伺服控制器用户手册，熟悉其结构和原理（2）掌握智能伺服控制器和计算机通讯的原理和方法，掌握编码器信号采集，电位器信号采集和电机控制的基本方法。
（3）熟悉Motion Studio的使用。
6.实验数据记录和处理（1）测试出的电机电压值是多少？（2）测试出电机和负载总的转动惯量是多少？7. 问题与讨论（1）电机的转动方向是通过测试什么信号得到的？（2）测试电机的速度环时显示的波形是什么曲线？请简单画出波形图。
项目二 直流伺服电机控制实验
《电力拖动与电力系统创新实验》
电机专业方向创新实验
实验报告
电气工程及其自动化实验中心
实验项目：项目二 直流伺服电机控制实验
姓名：吴朋
学号：1120610812
时间：2015.10.14
成绩：
项目二 直流伺服电机控制实验
一、实验目的
1、掌握直流伺服电机开环回路的电压控制原理，测试响应波形，用比较近似方法确定开环特性参数。
2、掌握直流伺服电机闭环回路的速度和位置控制原理，测试响应波形，用比较近似方法确定闭环特性参数。
3、掌握直流伺服电机加减速、正弦波和可编程波的位置控制原理，测试响应波形，用比较近似方法确定闭环特性参数。
二、实验项目
1、开环回路的电压控制
2、闭环回路的速度控制
3、闭环回路的位置控制
4、加减速的位置控制
5、正弦波的位置控制
6、可编程波的位置控制
三、实验内容
1、开环回路的电压控制
Kamp加倍，速度57，加倍
频率加倍，转停转停频率加倍
负载率增大“转停”的“转”的时间比例变大2、闭环回路的速度控制
4、加减速的位置控制
6、可编程波的位置控制
四、实验心得
本实验了解了直流伺服电机的控制种类及基本方法，但是对于理论知识认识并不是非常深刻，需要在课后时间自学相关知识，才能更好的掌握。
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）。
直流电机转速控制实验报告
计算机控制技术综合性设计实验实验课程：直流电机转速控制实验设计报告学生姓名：学生姓名：学生姓名：学生姓名：指导教师：牛国臣实验时间：年月日直流电机转速控制实验设计报告一、实验目的：1.掌握电机的工作原理。
2.掌握直流电机驱动控制技术。
3.掌握增量式编码器位置反馈原理。
4.熟悉单片机硬件电路设计及编程。
5.实现直流电机的转速控制。
二、实验内容：已知某一直流永磁有刷伺服电机参数如下：设计直流电机转速控制系统。
要求：表1 直流伺服电机参数1.分析并建立电机的数学模型，分别得出在连续控制系统和离散控制系统中对应的传递函数；2.基于MATLAB软件对直流电机进行仿真，并通过PID控制器的参数整定对直流电机进行闭环控制，3.设计直流电机控制硬件电路，主要包括主控模块、电机驱动模块、编码器反馈模块、通信模块、电源模块、显示模块等。
4.对各模块进行单元调试，设计数字PID控制器，并基于A VR单片机编制程序，进行系统联调。
5.最终完成直流电机控制硬件平台的设计、搭建及软件调试，要求有速度设置、显示功能，速度控制误差在1%以内，具有与上位机通讯的接口，能通过上位机方便进行参数设置、速度控制等操作。
三、 实验步骤：1、建立电机的数学模型，得出控制统的传递函数；由直流电机得来的三个方程：n k dt di Li R s u E m m ++=)( i k T M m =f L m T dtdw J T T ++= 、 进行拉式变换得：)()()()(s n k s LSI s I R s U E m m ++=)(s I k T M m =f L m T s JS T T +Ω+=)(带入数据在进行z 变换得: 521039.19252.01394.0459.1)(-⨯+-+=z z z z G 2、.基于MATLAB 软件对直流电机进行仿真（1）连续系统阶跃响应程序为：>> num=[1]num =1>> den=[0.0000000542,0.00061,0.0468]den =0.0000 0.0006 0.0468>> G=tf(num,den)Transfer function:1----------------------------------5.42e-008 s^2 + 0.00061 s + 0.0468>> step(G)>> Gz=c2d(G,0.01,'zoh')Transfer function:11.43 z + 0.06868-----------------z^2 - 0.4618 zSampling time: 0.01>> step(Gz)阶跃响应曲线如图1所示：图1 阶跃响应曲线（2）离散系统的单位阶跃响应程序如下：>> num=[52.756.913];>> den=[1 -0.8009 0.0005123];>> sys=[num,den,0.001];>> dstep(num,den,100)离散系统的阶跃响应曲线如图2所示（T=1ms）：图2 离散系统的阶跃响应曲线（3）PID参数整定1）设D(z)=错误！未找到引用源。
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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）*2.75-0.1
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。
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）为5V时，3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5V，记录在3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：
序号电磁转矩T（N·m）转速n（r/min）测量电压（V）测量电流I(A)
1 0.4 106 4.85 0.55
2 0.6 10
3 4.85 0.62
3 0.7 99 4.85 0.6
4 0.9 9
5 4.84 0.75
5 0.9 94 4.85 0.86
6 1 90 4.84 0.84
7 1.1 88 4.84 0.97
8 1.2 83 4.83 0.94
9 1.3 82 4.83 1.03
10 1.3 80 4.84 1.05
11 1.5 77 4.83 1.17
12 1.5 75 4.83 1.05
13 1.7 72 4.82 1.22
14 2 63 4.82 1.4
15 2.1 60 4.82 1.44
16 2.2 60 4.82 1.52
17 2.3 55 4.8 1.54
18 2.6 47 4.81 1.8
19 2.8 43 4.81 1.89
20 3.1 33 4.81 2.05
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=（前面板测量电流-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：
序号电磁转矩T（N·m）转速n（r/min）实际电压U(V) 实际电流I(A)
1 0.4 106 11.175 1.036
2 0.6 10
3 11.175 1.176
3 0.7 99 11.175 1.136
4 0.9 9
5 11.1475 1.436
5 0.9 94 11.175 1.656
6 1 90 11.1475 1.616
7 1.1 88 11.1475 1.876
8 1.2 83 11.12 1.816
9 1.3 82 11.12 1.996
10 1.3 80 11.1475 2.036
11 1.5 77 11.12 2.276
12 1.5 75 11.12 2.036
13 1.7 72 11.0925 2.376
14 2 63 11.0925 2.736
15 2.1 60 11.0925 2.816
16 2.2 60 11.0925 2.976
17 2.3 55 11.0375 3.016
18 2.6 47 11.065 3.536
19 2.8 43 11.065 3.716
20 3.1 33 11.065 4.036
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-电压特性曲线
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-扭矩特性曲线
图4：电流-扭矩特性
（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3V额定电压下的稳定转速为107r/min。
最低稳定转速为84 r/min,电压2.5V。
信号输出电压3v
测量电压 4.84V
测量电流0.5A
实际电压 5.16V
最高转速107r/min
3、直流电机的动态特性测量结果
在给定电压型号为5V，负载0.8时，直流电机转速动态响应曲线如图8
图8
在给定电压型号为5V，负载1.4时，直流电机转速动态响应曲线如图9
图9
在给定电压型号为5V，负载为空载时，直流电机转速动态响应曲线如图10
图10。