控制工程基礎(chǔ)配套實驗指導(dǎo)

1、控制工程基礎(chǔ)實驗指示書郭美鳳趙長德清華大學(xué)精密儀器與機械學(xué)系2003-5-5實驗一 matlab仿真實驗、基本實驗1、對于一階慣性系統(tǒng)g(s) =kt$+l當(dāng)分別取以下兒組參數(shù)時，試畫出系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)illi線、頻率特性乃氏圖和們徳圖。1）. k=l, t二 10;2）. k二 1, t=1;3）. k=l, t=0. 12、對于二階系統(tǒng)1g(，s)= tf +2ts + 1分別就t二1和*0.1, §分別取0, 0. 2, 0. 5, 0.7, 1, 10時，畫出系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)|11|線、 頻率特性乃氏圖和伯德圖。3、口構(gòu)造高階系統(tǒng)，試?yán)胢atlab軟件工具分析其時域、頻域特

2、性。4、對于下列系統(tǒng)，試畫出其伯德圖，求出相角裕量和增益裕量，并判其穩(wěn)定性(1)(2)g(s)h(s) =c（5）/（5）=2505(0.035 + 1)(0.00475 + 1)250(0.5$+ 1)5(105 +1)(0.035 +1)(0.0047 +1)二、結(jié)合“運動控制系統(tǒng)”實驗，熟悉matlab的控制系統(tǒng) 圖形輸入與仿真工具simulinko并把仿真結(jié)果與“運動控制 系統(tǒng)”實驗結(jié)果進行比較1. 實驗?zāi)康?）熟悉直流伺服電機控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)模型；2）根據(jù)給定的性能指標(biāo)，設(shè)計速度環(huán)與位置環(huán)的控制器參數(shù)。2. 實驗內(nèi)容及要求2.1速度環(huán)仿真實驗濾波器霍爾電流 傳感器圖1-1雙環(huán)

3、調(diào)速系統(tǒng)方框圖（圖中0用b表示）轉(zhuǎn)速n速度環(huán)的傳遞函數(shù)方框圖見圖lo測速發(fā)電機系數(shù) kf = 24v/1 ooqrpm =0.024v/rpm =0.229v/(rad/s), 而電動機反電勢系數(shù)c嚴(yán)e)1.7qx4"=0.2i3u/g/$，所以 nl()()()r/?/n魚=&丄=550 rad/a-s2j tm ce 14.5 kf3 0.213kva =0.5a/v測速機濾波時間常數(shù)込=雖c3 = 19.5kq x 0.22/zf = 429ms （也可以重新設(shè)計）n rad/s 電機轉(zhuǎn)速，最大轉(zhuǎn)速為looorpm,反饋系數(shù)0wo,l, gnc（s）為速度環(huán)的校正網(wǎng)絡(luò)。

4、飽和環(huán)節(jié)的幅度為+120 rad/s- 120 rad/s當(dāng)go為比例一積分（pi）調(diào)節(jié)器吋，其傳遞函數(shù)為-/、 f +1gncg）=弋一（1）當(dāng)gm"）為比例（p）調(diào)節(jié)器時，其傳遞函數(shù)為gnc（$） = kn（2）1. 給定速度環(huán)的性能指標(biāo)如21）單位階躍響應(yīng)的超調(diào)量小于30%；2）單位階躍響應(yīng)的調(diào)整時間小于0.06s；3）閉壞帶寬不小于lohzo當(dāng)速度環(huán)分別采用p與pi調(diào)節(jié)器時，設(shè)計滿足給定指標(biāo)的調(diào)節(jié)器參數(shù)。提示：有關(guān)參數(shù)的參考取值為：0 = 0.5, k“=6;（p校正）0 = 0.5 tn « 0.004 $ , rn « 0.02 $。（ pi 校正）2

5、. 根據(jù)設(shè)計的調(diào)節(jié)器參數(shù)，給出速度環(huán)采用p與pi調(diào)節(jié)器時的波特圖，比較二 者的穩(wěn)定裕量和剪切頻率。3. 給出速度環(huán)分別采用p與pi調(diào)節(jié)器時的閉環(huán)頻率特性及頻域指標(biāo)（閉環(huán)帶寬, 諧振峰值，諧振頻率）。4. 比較速度壞采用p與pi調(diào)節(jié)器時的階躍響應(yīng)及瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)（超調(diào)量與調(diào)整 時間）。2.2位置環(huán)仿真實驗位置壞的傳遞函數(shù)方框圖見圖1-2o圖12位置環(huán)簡化函數(shù)方框圖圖12屮嶺"為位移命令輸入，xmm為工作臺位移，vpf vj電子電位計測得的t作 臺位移電壓，gpc（$）為位置環(huán)的校正網(wǎng)絡(luò)，gn（5）為速度環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。當(dāng)gs）為近似比例一積分（pi）調(diào)節(jié)器時，其傳遞函數(shù)為tns + 1

6、n竹當(dāng)gs）為比例（p）調(diào)節(jié)器時，其傳遞函數(shù)為gpcg） = kp（4）1. 給定位置環(huán)的性能指標(biāo)如21）單位階躍響應(yīng)的超調(diào)量小于30%；2）單位階躍響應(yīng)的調(diào)整時間小于0.2s；3）閉環(huán)帶寬不小于4hz。當(dāng)位置環(huán)分別采用p與pi調(diào)節(jié)器時，設(shè)計滿足給定指標(biāo)的調(diào)節(jié)器參數(shù)。提示：1.速度環(huán)可任選p或pi調(diào)節(jié)器（建議選pi調(diào)節(jié)器）；2. 位置環(huán)調(diào)節(jié)器參數(shù)參考取值：£嚴(yán)60, rp « 0.0047 5 , 7； = 0.02 s。2. 根據(jù)設(shè)計的調(diào)節(jié)器參數(shù)，給出位置環(huán)采用p與pi調(diào)節(jié)器時的波特圖，比較二 者的穩(wěn)定裕量和剪切頻率。3. 給出位置環(huán)分別采用p與pi調(diào)節(jié)器時的閉環(huán)頻率特性

7、及頻域指標(biāo)（閉環(huán)帶寬, 諧振峰值，諧振頻率）。4. 比較位置壞采用p與pi調(diào)節(jié)器時的階躍響應(yīng)及瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)（超調(diào)量與調(diào)整 時間）。關(guān)于伺服電機控制系統(tǒng)的詳細資料參見附錄1。實驗二直流電動機調(diào)速系統(tǒng)一、實驗?zāi)康?. 熟悉直流伺服電機控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)模型；2. 學(xué)握速度環(huán)的設(shè)計和實驗調(diào)試方法，從而從理論與實際的結(jié)合上掌握自動控制系統(tǒng)的設(shè) 計與校正方法。二、實驗原理請仔細閱讀見教材p248261或附錄k接線圖參考圖21,其中s是實驗中需要用萬用表和示波器測試的點；470kr 482k100k+接限位開關(guān)39ks階躍輸入開關(guān)r3r3s39k39k1c3給定電位計_ 匡 速度 調(diào)節(jié)器跨導(dǎo) 功率

8、放大器s+0 1 或0.47 yf1_| |_ 使能開關(guān)04測試點|圖2-1 速度環(huán)接線圖單軸工作臺三、實驗步驟與要求：把圖1 1進行簡化，得到雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)簡化方框圖（圖22）：5圖2-2雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)簡化方框圖圖中，因電機最大轉(zhuǎn)速looorpm,故傳遞函數(shù)方框圖中應(yīng)再加一個飽和環(huán)節(jié)。當(dāng)gnc（5）為比例一積分（pi）調(diào)節(jié)器時，其傳遞函數(shù)為gnc($)=rn5 +1 r4c4s +1丁2r3c4s（1）當(dāng)氐（$）為比例（p）調(diào)節(jié)器時，其傳遞函數(shù)為(2)gm7遺1. 按圖接線，掌握速度反饋極性的判斷方法。一般用開環(huán)判斷，當(dāng)輸入為正， 反饋電壓為負。當(dāng)正反饋時，輸入電壓趨于0時，電動機仍然高速傳動。

9、2. 掌握速度環(huán)靜態(tài)傳遞特性的調(diào)試方法。采用pi調(diào)節(jié)器，要求輸入為8v。調(diào) 節(jié)0,使電機輸出為1 ooorpm,即此時測速發(fā)電機輸出為24v。3. 了解調(diào)速系統(tǒng)剛度與系統(tǒng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)的關(guān)系。采用比例調(diào)節(jié)器，但/?4為最 小（100k），調(diào)節(jié)輸入電壓，使電機轉(zhuǎn)速很低，可用手使電機停轉(zhuǎn)。而采用 pi調(diào)節(jié)器，同是電機轉(zhuǎn)速很低，用手不能使電機停轉(zhuǎn)。試從理論上分析z4. 掌握速度環(huán)動態(tài)特性的測試方法。掌握數(shù)字示波器的使用方法。當(dāng)階躍輸入 為2v,用數(shù)字示波器測試采用p與pi調(diào)節(jié)器時的階躍響應(yīng)波形，記錄最佳阻尼 比附近的階躍時域響應(yīng)波形及ii舜態(tài)響應(yīng)指標(biāo)（超調(diào)量與調(diào)整時間，峰值時間，振 蕩周期），并記錄對應(yīng)

10、的參數(shù)，與仿真結(jié)果對比。觀察速度調(diào)節(jié)器輸出波形是否 飽和？調(diào)整時間與輸入電壓有什么關(guān)系？5. 別測試速度環(huán)采用pi調(diào)節(jié)器和p調(diào)節(jié)器（心最?。┑撵o特性，即 n = f （/v/）,電機轉(zhuǎn)速可測量測速機電壓計算，至少正反兩個方向，輸入 電壓從一8v+8v測試10多點，計算傳遞系數(shù)。這兩條曲線有什么不同，為什 么？6. 氣選做）測試一階無差系統(tǒng)的速度品質(zhì)系數(shù)。進一步計算cjj，確定了系 統(tǒng)的齊個參數(shù)后，可供系統(tǒng)分析和仿真時使用。方法是將速度環(huán)開環(huán)，利用 82k作為輸入電阻（/?3），采用p校正，©為100k,先輸入較小的電壓，使 之剛剛克服死區(qū)，記錄這時的啟動輸入電壓u啟動。再繼續(xù)加大輸入

11、電壓幾（例 如2.0v）,發(fā)現(xiàn)電機速度呈單調(diào)上升直至最大。這時，改用階躍輸入，測量測 速機兩端電壓的階躍響應(yīng)曲線，記錄z,并計算其斜率dv/dt = k系統(tǒng) 的速度品質(zhì)系數(shù)為kv =（rjr3）x（kvarjctm）x（kf）x（l/2）已知（心/心）x （k屏“ / c幾）x （k）="5 - “啟動）式中，7?4/?31 =100/82 = 1.22 a而可計算心=39kq以及不同心時的速度品 質(zhì)系數(shù)kvt；另外,已知（k廠0）x（l/2），即可計算（kvarc幾）值，此參數(shù)可用 于系統(tǒng)分析和仿真。四、實驗思考1. 如何判斷系統(tǒng)的反饋極性？2. 當(dāng)速度調(diào)節(jié)器采用比例環(huán)節(jié)時，把增益

12、調(diào)節(jié)到最?。娢挥嬆鏁r針轉(zhuǎn)動到頭）, 給定較低的速度，這時可以用手捏住電動機軸，使其轉(zhuǎn)速為0 （盡管系統(tǒng)是 一階無差系統(tǒng)）；但當(dāng)速度調(diào)節(jié)器采用pi環(huán)節(jié)時，即使用很犬的勁，電動機 仍然可以低速轉(zhuǎn)動！為什么？我們把轉(zhuǎn)速對于電動機負載力矩的變化率叫做 剛度。請分析采用兩種調(diào)節(jié)器時的系統(tǒng)剛度。3. 不用測速發(fā)電機作為角速度測量元件，本實驗述可以用什么作為速度反饋？4. 當(dāng)不用速度反饋時，電動機使用電壓源驅(qū)動也可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，木實驗中是否 可以只用比例環(huán)節(jié)組成速度調(diào)節(jié)器，使該運算放人器的電壓極性不同改變屯 動機的轉(zhuǎn)向，幅值不同而改變轉(zhuǎn)速？5. 什么叫跨導(dǎo)放大器？駅動電動機什么時候用定壓源，什么時候用定流源

13、？6. pwm方式與線性功率放大器(如opa541,lm12)的驅(qū)動器各冇什么優(yōu)缺點？7. 本實驗為什么要把電動機到絲杠的連軸節(jié)斷開？8. 你認為tek公司的tds1000數(shù)字式記憶示波器應(yīng)用的關(guān)鍵是什么？9. 當(dāng)示波器探頭選擇10： 1吋，其等值電路是什么？傳遞函數(shù)為0的條件是 什么？10. 系統(tǒng)存在哪些非線性環(huán)節(jié)？對系統(tǒng)性能冇什么影響？五、實驗報告要求1. 速度環(huán)靜態(tài)特性曲線，并分析兩種調(diào)節(jié)器下的特性有什么不同？2. 速度環(huán)動態(tài)特性曲線。比較不同調(diào)節(jié)器以及參數(shù)不同的階躍響應(yīng)曲線，并與 仿真結(jié)果對比。3. 采用p和pi調(diào)節(jié)器時，給出速度環(huán)的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，理解速度環(huán) 的構(gòu)成。4. 簡單

14、分析調(diào)速系統(tǒng)的剛度，即 勿 (負載力矩作用下，速度的變化)。剛度與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)冇什么關(guān)系？實驗三直流電動機位置伺服系統(tǒng)一、實驗?zāi)康?. 熟悉言流伺服電機位置控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)模型；2.掌握位置環(huán)的設(shè)計和實驗調(diào)試方法，從而從理論與實際的結(jié)合上掌握口動控制系統(tǒng)的設(shè)計與校正方法。二、實驗原理見附錄1三、實驗步驟與要求24kk00ok47)k470-因+a470k速度壞輸入39k-oisr- °pf圖3-1位置環(huán)部分接線圖位置環(huán)部分接線圖見圖3-1,速度環(huán)部分見圖2-lo位置環(huán)的傳遞函數(shù)方框圖見3-2圖，v為位移命令輸入，兀mm為工作臺 位移，匕fv為電了電位計測得的工作臺位移電壓，

15、gj。為位置環(huán)的校正網(wǎng)絡(luò)，gn（5）為 速度環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。但要注意電動機速度有一個飽和環(huán)節(jié)，最大速度為117077，此 吋測速機兩端電壓為28-29v.圖3-2位置壞方框圖當(dāng)g/s）為比例（p）調(diào)節(jié)器時，其傳遞函數(shù)為g）二心，采用圖3 1接線時，其值為（r4/ r3） x a x 4.7（1）當(dāng)g/s）為近似比例一積分（pi）調(diào)節(jié)器時，其傳遞函數(shù)為ts + 1右（2）1. 通曉位置反饋的原理后，按圖3 1接線。&可調(diào)到1,將連軸節(jié)脫開。2. 系統(tǒng)正常工作庇 測試輸入電壓為iv時，反饋電位計的電壓階躍響應(yīng)曲線, 測試調(diào)整時間和變化斜率，同時觀察測速機電壓波形，說明電動機速度是否 飽和

16、。3. 當(dāng)繼續(xù)加大輸入電壓到±2v、±3v時，重復(fù)上述實驗。適當(dāng)調(diào)整輸入電壓，使系統(tǒng)工作在線性區(qū)，再測試階躍響應(yīng)曲線并記錄。4. 選擇較好的位置環(huán)pi調(diào)節(jié)器參數(shù)，觀察此時的階躍響應(yīng)及憐態(tài)響應(yīng)指標(biāo)（超 調(diào)量與調(diào)整時間）。5. 采用較好的調(diào)節(jié)器參數(shù)，斷開使能，把連軸節(jié)接好，且保證輸入電壓為0時, 工作臺處于零位（按復(fù)位按鈕，反饋電壓為0,再閉環(huán)），測試位置環(huán)的靜態(tài) 特性，從一 80+ s0mm至少測試12點。計算系統(tǒng)的傳遞系數(shù)（兀/）。6. 觀察位置鎖定后，在負載力矩（用手扭動）作用下，工作臺的位移，其位移 越小，系統(tǒng)剛度越大。*位置環(huán)實際是轉(zhuǎn)動慣量一電彈簧一阻尼系統(tǒng)，在p校正

17、時，逐漸減小速度 反 饋0值，系統(tǒng)就會振蕩，請記下振蕩頻率和0值，說明速度反饋的阻尼 作用。四、實驗思考1. cpld是什么器件？采用光電編碼器作為位置反饋是計算機控制系統(tǒng)普遍采 用的方法，為了與“機電控制系統(tǒng)”課程實驗兼容，“控制工程基礎(chǔ)”實驗也 采用了此元件，但利用cpld和d/a轉(zhuǎn)換實現(xiàn)線性位置反饋，計數(shù)器復(fù)位時, 該計數(shù)器值是xxxxh?對應(yīng)的d/a值是多少？位置反饋系數(shù)如何分析計 算？2. 根據(jù)光電編碼器的那2個信號可以判斷轉(zhuǎn)向？3. 運算放大器，功率放大器、電動機轉(zhuǎn)速都具有飽和特性，試根據(jù)采用的位置 調(diào)節(jié)器參數(shù)分析位置伺服系統(tǒng)的線性范圍！這時如何仿真？4. 這個實驗的連軸節(jié)什么吋候

18、可以連接上？5. 線性系統(tǒng)調(diào)整時間與輸入大小無關(guān)，實際上，實用的系統(tǒng)都是非線性系統(tǒng)， 說明這個實驗，為說明為什么調(diào)整時間與輸入大小冇關(guān)？鬧出反映實際的位 置環(huán)方框圖和參數(shù)，再進行仿真，與實驗現(xiàn)象對比。6. 如果加上積分校正，位置會產(chǎn)生過沖？為什么？機床進給系統(tǒng)是否允許過 沖？7. 系統(tǒng)的靜態(tài)傳遞系數(shù)（輸入iv單軸工作臺移動的位移）如何計算？取決于 什么？8. 系統(tǒng)位置環(huán)，速度環(huán)，電流環(huán)（力矩環(huán)）各有什么特點？其頻帶如何分布？9. 試畫出利用現(xiàn)在的元部件加上計算機組成數(shù)字式位置控制系統(tǒng)的原理圖？系 統(tǒng)分辨率能夠達到多高？對于運動控制來說，什么叫全閉環(huán)？什么叫半閉環(huán)？五、實驗報告要求1. 位置環(huán)靜

19、態(tài)特性曲線。2. 采用p校正時，位置環(huán)輸出（電壓）的動態(tài)特性曲線。3. 采用p調(diào)節(jié)器吋，給出位置環(huán)的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，理解位置環(huán)的構(gòu)成。4. 采用pi校正時，位置環(huán)輸出（電壓）的動態(tài)特性曲線。5. *請采用反映實際的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行仿真，與實驗結(jié)果相對照，并進行討論。6. *本實驗的體會。附1：運動控制系統(tǒng)實驗設(shè)備說明書?？刂乒こ袒A(chǔ)課程運動控制系統(tǒng)實驗設(shè)備說明書趙長德董景新張冠斌編寫 概述運動控制系統(tǒng)是指通過電動或液動執(zhí)行環(huán)節(jié)（大部分采用電動執(zhí)行部件， 功率大的則采用液壓傳動，在食品、醫(yī)藥工業(yè)屮也往往采用氣動元件），控制一 維乃至多維旋轉(zhuǎn)或直線運動控制對彖的控制系統(tǒng)。例如跟蹤目標(biāo)運動的炮描

20、雷 達，進行圓周掃描的警戒雷達，各種武器的發(fā)射架，三座標(biāo)測量機，機器人和機 械手的運動控制，數(shù)控機床進給系統(tǒng)，pcb板電子元件插件機，精密轉(zhuǎn)臺和工作 臺等等。運動控制系統(tǒng)已經(jīng)成為精密儀器設(shè)備的一個重要方面，是先進制造系統(tǒng) 屮的重要組成部分，反映了一個國家的高科技水平。這種機電控制系統(tǒng)目前廣泛采用模擬控制或計算機控制，直流或交流伺服電 機做為執(zhí)行部件。“控制工程基礎(chǔ)”課程屮的基木要求是，通過講課、控制系統(tǒng) 設(shè)計、matlab仿真和實驗掌握電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的基本概念，掌握調(diào)試 速度環(huán)、位置環(huán)的設(shè)計和實驗調(diào)試方法，從而從理論與實際的結(jié)合上掌握口動控 制系統(tǒng)的設(shè)計與校正方法。在研究生的“機電系統(tǒng)

21、控制工程”課程屮則要求在電 流環(huán)基礎(chǔ)上，利用數(shù)字反饋組成計算機控制的位置伺服系統(tǒng)，編寫數(shù)字pid程序, 進行位置伺服系統(tǒng)實驗。從而掌握計算機控制系統(tǒng)的組成、數(shù)字pid校正算法和 實驗調(diào)試的方法。（一）、直流電動機調(diào)速系統(tǒng)直流伺服電動機廣泛應(yīng)用于機械設(shè)備的驅(qū)動系統(tǒng)屮。圖1為小功率直流電動 機雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖，采用的是直流電動機一則速發(fā)電機的機組。所謂雙環(huán) 指的是電流環(huán)和速度環(huán)，這是電力拖動和機電控制領(lǐng)域內(nèi)普遍采用的技術(shù)?；魻?電流 傳憑器t tutf-圖1直流電動機雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖下面介紹實驗用調(diào)速系統(tǒng)的組成：1.主要元部件 直流伺服電動機一測速發(fā)電機的機組：該機組型號為70szd01cf

22、24mb,直流伺服電動機外徑70曲,額定功率 100w,額定轉(zhuǎn)速1000/7 ,額定電壓30v,額定電流4.5a,額定轉(zhuǎn)矩1心，峰值 轉(zhuǎn)矩8 nm ,電樞電阻1.7 q,電樞電感3.7曲，轉(zhuǎn)動慣量292曲,機電時間 常數(shù)9.2 ms （毫秒）。同軸述安裝了測速發(fā)電機，外徑也是70皿，其斜率為 24v/1000""" ,允許帶10kg負載。其轉(zhuǎn)動慣量為loom/?？紤]到轉(zhuǎn)動慣量的增加，實際的機電時間常數(shù)為12.4。同軸還連接一個光電編碼器，500脈沖/每轉(zhuǎn)，電源5v,輸出ttl電平信號，分a,b,z三種信號。其屮a,b兩組信號 相差90度相位，a超前b表示正轉(zhuǎn)，b超

23、詢a表示反轉(zhuǎn)，z是每轉(zhuǎn)發(fā)岀一個 零位信號。電機機組外形圖見圖2所示。圖2伺服電動機一測速發(fā)電機一光電編碼器機組圖 單軸運動工作臺外形見圖3所示，滾動絲杠傳動，螺距2加加，整個行程200和”，或±100呦。電機通過撓性連軸節(jié)與工作臺的絲杠連接，當(dāng)調(diào)試速度環(huán)時應(yīng)該脫開連軸節(jié)（需要用專用工具），位置環(huán)調(diào)試好才需要連接。 為防止沖過行程，在±959&訥處加上行程保護開關(guān)（使用常閉觸點）。圖3單軸工作臺外形圖 pwm功率放大器見網(wǎng)絡(luò)課件 pwm功放霍爾電流傳感器見網(wǎng)絡(luò)課件 霍爾傳感器 屯流環(huán)（跨導(dǎo)功率放大器）的分析與設(shè)計采用高精度運算放大器組成pi電流調(diào)節(jié)器，其輸出送給脈寬調(diào)

24、制器的輸 入，其電路原理圖見4所示。運算放大器的反饋回路中的電阻心和c2組成比 例積分校正，其傳遞函數(shù)為電流調(diào)節(jié)器電路原理圖圖4 i圖中ui為電流環(huán)的輸入，接在速度調(diào)節(jié)器的輸出。"為霍爾電流傳感器采樣 電阻心上的電壓，由于心為1k0,遠小于鳥。另外在兩個尺電阻之間加一個 濾波電容g,濾波時間常數(shù)2（國/2）6。故電流環(huán)的傳遞函數(shù)圖如圖5所示。圖5電流環(huán)傳遞函數(shù)圖為保證電流環(huán)的穩(wěn)定性和快速性，系統(tǒng)按二階最佳模型設(shè)計，并令r"lra,此時系統(tǒng)成為i型系統(tǒng)，電流環(huán)的速度品質(zhì)系數(shù)心為心=最5小珞式中is = r。,心咖是校正輸出電壓匕到電樞電壓的平均電壓的平均增益,即 pwm =

25、5適當(dāng)選擇電流環(huán)的各個參數(shù)，讓心= 0-62&）sd/s, 2（rj2）c=®2, 這吋電流環(huán)的通頻帶為嚴(yán)逅叭= l4khj對于所使用的pwm放大器，從電 流調(diào)節(jié)器輸入到電樞電流輸出的傳遞系數(shù)（跨導(dǎo)系數(shù)）心月為1（1 _ 100（）k，a=匕 rm如果選采樣電阻心為2000 n ,則k=o.5a/v。輸入電壓范圍為±1（1故電機電流可達到±5a。為保護放大器，實際限制在±45a。為什么需要電流環(huán)呢?因為電機的力矩與其電樞電流成正比,控制電機的電 流就等于控制了電機的力矩，即控制運動對彖的加速度。冇些系統(tǒng)可能工作在 力矩狀態(tài)，例如力矩平衡系統(tǒng)，電動

26、扳手等。在調(diào)速系統(tǒng)中，啟動和制動往往要 求恒加速度，其速度波形則為梯形波。實際使用的跨導(dǎo)放大器 實驗所用的pwm功率放人器是桂林星辰電力電 了公司的sc5hc601型，其外形圖見圖6所示。放大器輸出最大電流5a, 輸出電壓最大60vo放大器頻帶接近1000hz,增益為0.5a/vo電氣接線 圖見圖7所示。實驗所用h橋的直流電源是通過220v/25v, 50hz的隔離 變壓器副邊電壓提供的（內(nèi)部經(jīng)過全橋整流濾波），另外220v工頻電壓也經(jīng)過航空插座送入，供內(nèi)部電子線路的±12卩、5v電源使用。敖陽輸出節(jié)點（沖威仔左必整吋外如雅電：鈴按改人）圖6跨導(dǎo)功率放大器外形圖1 2 v / 2 0

27、 0 n a1 71 32 5設(shè)定（-】04 o v ） 設(shè)定地0 3a/135vac0. 3a/i 1ov dc1 a/30vdc7、41使4能tn絃電住住料山8示1吃相亀1 k 欠/過壓報警1k 過流報警1 k 運轉(zhuǎn)狀態(tài)指示com竝空插頭座fuse圖7 sc5hc601電氣聯(lián)線圖放大器有一個10芯的航空插座，其3、6引腳為動力變壓器副邊電壓（25v, 50 hz）,其9、10引腳為220v, 50hzd50hz電源輸入，5、8引腳為電機電樞引 線。放大器還有一個25芯d型插座，其13、25為控制輸入（25引腳為輸入地）, 但這個輸入經(jīng)過bb公司的隔離放大器送入放大器內(nèi)部的，故25引腳不等于

28、其內(nèi)部模擬地17引腳。1腳為內(nèi)部12v電源引腳，11為使能輸入，11引腳與1短 路即為使能（en=1），斷開則放大器不工作，所以行程限位開關(guān)也串連在使能回 路中。其它引腳沒有接出。為消除pwm對速度環(huán)，位置環(huán)調(diào)節(jié)器等電子線路干 的擾，在電樞冋路屮還串連接入高頻隔離電感，以提高電磁兼容性能。2. 速度環(huán)介紹為了實驗調(diào)試方便，制作了運動控制系統(tǒng)的實驗箱，其外形圖如圖8所示, 而板圖如圖9所示。圖8運動控制系統(tǒng)實驗箱外形圖 測速發(fā)電機原理及其濾波 該部件同軸安裝在電機上，其定子是永磁的,故發(fā)電機的電壓e廠k”,式中"是電動機一測速機組的轉(zhuǎn)速。為了濾除發(fā)電 機轉(zhuǎn)了的齒諧波，如同電流調(diào)節(jié)器一樣

29、，在反饋回路中加入阻容網(wǎng)絡(luò)，組成 低通濾波器。 速度調(diào)節(jié)器 見圖10所示，速度調(diào)節(jié)器也是一個有源pi校正裝置。圖10速度調(diào)節(jié)器電路圖g(s)= rqs + _ js +1g”(s)=r3c4s tns ，式中 5 =尺4。4，幾=2/4, «3=39kg 速度環(huán)分析與設(shè)計 雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方框圖見圖11所示，但 由于電流環(huán)的頻帶接近1 kg,而速度環(huán)的通頻帶耍小很多倍，故可認為電流 環(huán)是一個比例環(huán)節(jié)。另外，由于電流環(huán)本身是一階無差系統(tǒng)，故電機的反電勢 可以忽略不計，這樣圖11可簡化為圖12o濾波器霍爾電流 傳感器圖11雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)方框圖（圖中0用b表示）匕($)m其中：tm=

30、raj/cecm圖12雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)簡化方框圖 下面求校正前固有的開環(huán)傳遞函數(shù)，已知：測速發(fā)電機系數(shù) = 24v/1000恥=o.024v/恥=0.229v/e/s）,c _e _ 30v-1.70x4.5 a _而電動機反電勢系數(shù)"一廠 1°°°恥 一0.213卩/加"，所以5 二 £.丄=lz!./5 ce 14.5-10-3 0.213 _550 “id / a s?k兩=05a/vr7；= g = 19.5kq x 0.22/f = 4.29 加 s測速機濾波時間常數(shù)2-（也可以重新設(shè) 計），丁是，系統(tǒng)固有部分開環(huán)傳遞函數(shù)為（假

31、定測速反饋衰減系數(shù)0"）63i= g十心)兩+ _s(429佔s + dkva 血 kn = 0.5 x 550 x 0.229式中， j=63系統(tǒng)期果頻率特性為典型高階最佳，其傳遞函數(shù)為1-9式屮，k嚴(yán)63/7；,耳=39尬24,丁"=恥4,可以選擇r4,g,0,畫岀系統(tǒng)希望的 bode圖，使系統(tǒng)滿足指標(biāo)。并利用matlab仿真，計算系統(tǒng)校止裝置參數(shù)， 再到實驗室調(diào)試，測試速度環(huán)的靜特性和動特性。在測速反饋衰減系數(shù)"i的 情況下，速度環(huán)靜態(tài)傳遞系數(shù)為5則速機/"輸入=2左右，對于角速度的增益為：-=x 1 qqorpm / v = 1.39 rad i

32、 s vur 24o為了能夠使電機轉(zhuǎn)速達到或超過1000"?？砂?調(diào)到0.5左右，這時- = x 1000 rpm / v = x 1q00 rpm/v = 2jsrad / s-vur 240'6'o當(dāng)pi調(diào)節(jié)器選擇0.1 “f,r3 = 39k,r4=400k，其仿真參考方框圖如下：scop 2圖13 速度環(huán)模型如果輸入是負載力矩，請考慮采用等效的數(shù)學(xué)模型仿真。（二）電壓一位置隨動系統(tǒng)1.位置環(huán)原理位置環(huán)原理圖見圖14圖14電壓一位置隨動系統(tǒng)原理圖但曲于安裝200毫米的直線電位計比較困難，而且觸點容易磨損，并且考 慮到計算機位置伺服系統(tǒng)的需要，采用安裝在電機軸上的光電編碼器作為位置 反饋元件。直接安裝在工作臺上的位置反饋稱為全閉環(huán)，而安裝在電機軸上的 位置反饋稱為半閉環(huán)。這樣聯(lián)軸節(jié)和機械傳動部分的傳遞函數(shù)不在閉環(huán)系統(tǒng) 內(nèi)，系統(tǒng)容易穩(wěn)定，也便于調(diào)試和維護，運行穩(wěn)定。2.位置環(huán)介紹 位置反饋一電子電位計 利用光電編碼器的信號送給alter公司的 cpld,其輸岀的二進制信號加給ad669十六位