【文章內(nèi)容簡介】 利用IPM Motion Studio 中可以檢測機電時間常數(shù)，具體方法請參見IPMMotion Studio使用說明書。5) 轉(zhuǎn)矩常數(shù)電動機電磁轉(zhuǎn)矩方程為： (83)其中 ——電機轉(zhuǎn)矩； ——轉(zhuǎn)矩常數(shù)； ——電樞電流其中電樞電流可以由萬用表測量，電機轉(zhuǎn)矩可以采用專用儀器測量，也可以利用下式計算得到：T=*P/n (84)其中 T——電機轉(zhuǎn)矩，單位N*m；P——電機功率，單位W；n——電機轉(zhuǎn)速，單位r/min利用以上兩式計算即可以得到其轉(zhuǎn)矩常數(shù)。 實驗設(shè)備l GBB1004，GBB1005系列球桿系統(tǒng)l 萬用表l LCR表 實驗內(nèi)容1) 分別測量兩個電機的電阻、電感、轉(zhuǎn)動慣量、機電時間常數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)。2) 在IPM Motion Studio環(huán)境下分別測量系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動慣量和機電時間常數(shù)。 轉(zhuǎn)動慣量的測量: a) 進入IPM Motion Studio程序；b) 打開BallBeam控制程序，進入控制界面；c) 進入電機屬性設(shè)置窗口，如下圖所示：圖81 電機總轉(zhuǎn)動慣量測量d) 點擊“Identify Total Inertia”按提示步驟進行轉(zhuǎn)動慣量的測量機電時間常數(shù)的測量：返回到主程序界面，點擊”Drive”圖標，進入速度調(diào)試窗口，圖82 速度環(huán)PID參數(shù)設(shè)定點擊Test，按照提示步驟進行速度測試實驗，%所需的時間即為機電時間常數(shù)。e) 完成實驗報告第9章 直流伺服電機的調(diào)速控制實驗第9章 直流伺服電機的調(diào)速控制實驗 實驗?zāi)康?16。 了解直流電機的結(jié)構(gòu)以及其原理；216。 掌握直流電動機的調(diào)速原理和方法圖91 直流電動機原理 實驗原理如圖91所示的直流電機，給兩個電刷加上直流電源，如上圖（a）所示，則有直流電流從電刷 A 流入，經(jīng)過線圈abcd，從電刷 B 流出，根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體ab和cd收到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導(dǎo)體受到的力形成了一個轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如圖91（b）所示的位置，電刷 A 和換向片2接觸，電刷 B 和換向片1接觸，直流電流從電刷 A 流入，在線圈中的流動方向是dcba，從電刷 B 流出。 此時載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。這就是直流電動機的工作原理。外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。直流電勢表達式為： (91)式中： ——直流電機的電樞電勢(V)； P——極對數(shù)； a——支路對數(shù)； N——電樞總導(dǎo)體數(shù)； n——轉(zhuǎn)數(shù)，(r/min)。 ——每極磁通(Wb)； ——電勢常數(shù)直流電動機的電勢平衡方程式為：U＝Ea ＋ IaRa ＋ 2△Us (92)式中： ——電機的內(nèi)阻； U——負載或電網(wǎng)上的電壓； ——電樞電流；——電刷壓降由以上兩式可以得到： (92)可以看出，直流電動機的轉(zhuǎn)速和施加的電壓有一定的關(guān)系，通過控制電機的電壓，就可以控制電機的轉(zhuǎn)速。以上是電機的開環(huán)速度控制原理，對于伺服電機，一般采用閉環(huán)控制，原理如下：圖92 速度環(huán)控制器如圖92所示，系統(tǒng)有兩個閉環(huán)控制器，一個為電流控制器(Current Controller),一個為速度控制器(Speed Controller)，一般可以采用PID控制器，對于需要高精度、響應(yīng)很快的場合，可以采用更加先進的控制算法。 實驗設(shè)備l 固高科技GBB系列球桿系統(tǒng) 實驗內(nèi)容1) 拆下小齒輪，進行電機的空載速度控制實驗，在IPM Motion Studio環(huán)境下，打開BallBeam工程文件，設(shè)置當前應(yīng)用程序為SpeedControl_OpenLoop，運行程序，點擊如圖93所示的顯示界面，圖93 速度開環(huán)控制2) 在界面點擊鼠標右鍵，在點擊“Start”開始顯示。圖94 開始界面得到以下的運行實驗結(jié)果，改變電壓值(Applied Voltage),觀察并記錄電機速度的改變。圖95 電機速度（開環(huán)）3) 裝上小齒輪，帶上負載，重復(fù)上面的步驟，觀察電機在空載和負載情況下的速度曲線有何區(qū)別。4) 設(shè)置當前應(yīng)用程序為SpeedControl_CloseLoop, 運行程序，如下圖所示:圖96 電機速度（閉環(huán)）5) 調(diào)整電流環(huán)和速度環(huán)的PID參數(shù)，觀察控制效果的差異。6) 比較和分析在開環(huán)和閉環(huán)控制下的控制效果。7) 完成實驗報告。第10章 直流伺服電機的位置控制實驗第10章 直流伺服電機的位置控制實驗 實驗?zāi)康?16。 掌握直流伺服位置控制的原理和方法 實驗原理圖101 閉環(huán)控制系統(tǒng)方案2 (b)圖101 閉環(huán)控制系統(tǒng)方案1 (a)電機的閉環(huán)位置控制的方法很多，目前被廣泛采用的伺服系統(tǒng)（電機+驅(qū)動）通常具有力矩控制、速度控制和位置控制等閉環(huán)控制功能。而常用的運動控制器除了具有軌跡規(guī)劃功能外，也具有位置控制和速度控制等閉環(huán)控制功能。如果采用伺服系統(tǒng)的位置閉環(huán)控制，配套選用的控制器則只需具有軌跡規(guī)劃功能，這樣的運動控制器通常價格比較低廉，而且穩(wěn)定性和可靠性也會比較好，如圖10－1(a)所示。如果選用步進電機和驅(qū)動系統(tǒng)，該類型控制器也同樣適用。這種類型的運動控制器通常叫做位置脈沖型運動控制器。圖101 閉環(huán)控制系統(tǒng)方案3 (c)如果我們想利用伺服驅(qū)動的速度閉環(huán)來完成系統(tǒng)的位置閉環(huán)控制，則需要選用具有位置閉環(huán)控制功能的運動控制器，如圖10－1(b)所示。這種控制方式通常比第一種控制方式具有更高的控制精度，但系統(tǒng)的調(diào)整比第一種控制方式復(fù)雜和困難。在這種控制方式下，運動控制器接受位置反饋信號，進行位置閉環(huán)控制，向伺服驅(qū)動器輸出模擬電壓控制信號。伺服驅(qū)動裝置接受速度控制信號，完成速度閉環(huán)控制。目前，這種類型的運動控制器也已非常普遍。如果伺服驅(qū)動裝置只具有力矩閉環(huán)控制功能（通常這種驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉），則需選用具有速度閉環(huán)和位置閉環(huán)控制功能的運動控制器來完成系統(tǒng)的高精度位置和軌跡控制。這種類型的運動控制器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本也會比較高，但對于需要多軸運動控制的系統(tǒng)來說，如果采用具有多軸控制能力的運動控制器，總的系統(tǒng)成本可能會比其它兩種方式還要低廉一些。因為多個驅(qū)動成本的降低幅度會超過一塊運動控制器成本的增加幅度。不過，除了一些能夠配套提供控制器和相應(yīng)驅(qū)動器的生產(chǎn)廠家外，這種控制方式比較少被采用。IPM100的位置閉環(huán)控制原理如下，在速度閉環(huán)控制器上再增加了一個位置閉環(huán)PID控制器，通過電機編碼器采集的位置信號，計算位置誤差，根據(jù)PID計算結(jié)果發(fā)送控制信號給速度控制器。圖102 位置閉環(huán)控制系統(tǒng)圖 實驗設(shè)備l 固高科技GBB系列球桿系統(tǒng) 實驗內(nèi)容1) 進入固高科技球桿系統(tǒng)驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置界面，如圖103所示：圖103 驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置界面2) 設(shè)置好位置環(huán)PID參數(shù)，點擊“TEST”進入測試界面：圖104 測試參數(shù)設(shè)置界面3) 設(shè)置測試中電流和位置參數(shù)，進入如圖105所示測試界面：圖105 位置控制測試界面4) 開始測試并記錄實驗結(jié)果，分別改變各項測試參數(shù)，觀察實驗結(jié)果區(qū)別。5) 完成實驗報告第11章 測速發(fā)電機實驗第11章 測速發(fā)電機實驗 實驗?zāi)康?16。 了解并掌握測速發(fā)電機的原理和方法。 實驗原理圖111 測速發(fā)電機結(jié)構(gòu)圖直流發(fā)電機是機械能轉(zhuǎn)換為直流電能的電氣設(shè)備，直流發(fā)電機的原理如圖111所示。 發(fā)電機的能量轉(zhuǎn)換分以下步驟說明：圖112 測速發(fā)電機電動勢 設(shè)原動機拖動轉(zhuǎn)子以每分轉(zhuǎn)n轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動； 電機內(nèi)部的固定部分要有磁場。這個磁場可以是如圖示的磁鐵也可以是磁極鐵心上繞套線圈，再通過直流電產(chǎn)生磁場。其中 If 稱之為勵磁電流。這種線圈每個磁極上有一個，也就是，電機有幾個磁極就有幾個勵磁線圈，這幾個線圈串聯(lián)（或并聯(lián)）起來就構(gòu)成了勵磁繞組。這里要注意各線圈通過電流的方向不可出錯。在以上條件下環(huán)外導(dǎo)體將感應(yīng)電勢，其大小與磁通密度 B 、導(dǎo)體的有效長度 l 和導(dǎo)體切割磁場速度 v 三者的乘積成正比，其方向用右手定則判斷。 但是要注意某一根轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的電勢性質(zhì)是交流電。而經(jīng)電刷輸出的電動勢確是直流電了。這便是直流發(fā)電機的工作原理。圖中R內(nèi)表示電機的內(nèi)阻， Ea為電樞電勢，U 表示負載或電網(wǎng)上的電壓值。 在直流發(fā)電機運行時，電樞端接上負載電阻RL，電勢和電樞電流同方向。則可列出其電勢平衡式。另考慮到某電刷壓降△Us為 ，因為電機運行時，電刷處為滑動接觸，其壓降基本為常數(shù)，視其材料而定。 （111）另某電刷壓降為△Us ，碳石墨電刷△Us＝1（V） Ra為電樞繞組電阻，圖105 測速發(fā)電機接線圖故直流發(fā)電機的電勢平衡方程式為：Ea＝U ＋ IaRa ＋ 2△Us （112）這是直流電機的基本公式――電勢平衡方程式之一。同電動機相似，發(fā)電機的電勢方程可以寫成： （113）可得： （114）由上式可以看出，U和電機轉(zhuǎn)速n之間存在一定的關(guān)系。 實驗設(shè)備l GBB1005球桿系統(tǒng)l 示波器 實驗內(nèi)容1) 在IPM Motion Studio環(huán)境下，驅(qū)動伺服電機以一定的速度運行，測量直流電機的輸出電壓，改變電機速度，進行多次測量，找出轉(zhuǎn)速和電壓的關(guān)系。2) 完成實驗報告。第12章 智能伺服驅(qū)動器的使用與編程（計算機接口實驗等）第12章 智能伺服驅(qū)動器的使用與編程（計算機接口實驗等） 實驗?zāi)康?16。 熟悉智能伺服運動控制器的原理和使用方法。 實驗原理伺服系統(tǒng)在機電設(shè)備中具有重要的地位，高性能的伺服系統(tǒng)可以提供靈活、方便、準確、快速的驅(qū)動。隨著技術(shù)的進步和整個工業(yè)的不斷發(fā)展，伺服驅(qū)動技術(shù)也取得了極大的進步，伺服系統(tǒng)已進入全數(shù)字化的時代。伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢：1. 全數(shù)字化 采用新型高速微處理器和專用數(shù)字信號處理機（DSP）的伺服控制單元將全面代替以模擬電子器件為主的伺服控制單元，從而實現(xiàn)完全數(shù)字化的伺服系統(tǒng)。全數(shù)字化的實現(xiàn)，將原有的硬件伺服控制變成了軟件伺服控制，從而使在伺服系統(tǒng)中應(yīng)用現(xiàn)代控制理論的先進算法（如:最優(yōu)控制、人工智能、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等）成為可能。2. 采用新型電力電子半導(dǎo)體器件　目前，伺服控制系統(tǒng)的輸出器件越來越多地采用開關(guān)頻率很高的新型功率半導(dǎo)體器件，主要有大功率晶體管（GTR）、功率場效應(yīng)管（MOSFET）和絕緣門極晶體管（IGPT）等。這些先進器件的應(yīng)用顯著地降低了伺服單元輸出回路的功耗，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，降低了運行噪聲。尤其值得一提的是，最新型的伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)開始使用一種把控制電路功能和大功率電子開關(guān)器件集成在一起的新型模塊，稱為智能控制功率模塊（Intelligent Power Modules，簡稱IPM）。這種器件將輸入隔離、能耗制動、過溫、過壓、過流保護及故障診斷等功能全部集成于一個不大的模塊之中。其輸入邏輯電平與TTL信號完全兼容，與微處理器的輸出可以直接接口。它的應(yīng)用顯著地簡化了伺服單元的設(shè)計，并實現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的小型化和微型化。3. 高度集成化　新的伺服系統(tǒng)產(chǎn)品改變了將伺服系統(tǒng)劃分為速度伺服單元與位置伺服單元兩個模塊的做法，代之以單一的、高度集成化、多功能的控制單元。同一個控制單元，只要通過軟件設(shè)置系統(tǒng)參