【正文】 行途中由上位計(jì)算機(jī)加以修改，應(yīng)用起來十分方便。高度的集成化還顯著地縮小了整個(gè)控制系統(tǒng)的體積，使得伺服系統(tǒng)的安裝與調(diào)試工作都得到了簡化。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(gè)模塊的做法，代之以單一的、高度集成化、多功能的控制單元。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。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）。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。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(jī)（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(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化的伺服系統(tǒng)。 實(shí)驗(yàn)原理伺服系統(tǒng)在機(jī)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(zhǔn)確、快速的驅(qū)動。第12章 智能伺服驅(qū)動器的使用與編程（計(jì)算機(jī)接口實(shí)驗(yàn)等）第12章 智能伺服驅(qū)動器的使用與編程（計(jì)算機(jī)接口實(shí)驗(yàn)等） 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?16。 實(shí)驗(yàn)設(shè)備l GBB1005球桿系統(tǒng)l 示波器 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1) 在IPM Motion Studio環(huán)境下，驅(qū)動伺服電機(jī)以一定的速度運(yùn)行，測量直流電機(jī)的輸出電壓，改變電機(jī)速度，進(jìn)行多次測量，找出轉(zhuǎn)速和電壓的關(guān)系。 （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(jī)接線圖故直流發(fā)電機(jī)的電勢平衡方程式為：Ea＝U ＋ IaRa ＋ 2△Us （112）這是直流電機(jī)的基本公式――電勢平衡方程式之一。則可列出其電勢平衡式。 圖中R內(nèi)表示電機(jī)的內(nèi)阻， Ea為電樞電勢，U 表示負(fù)載或電網(wǎng)上的電壓值。而經(jīng)電刷輸出的電動勢確是直流電了。 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。這種線圈每個(gè)磁極上有一個(gè)，也就是，電機(jī)有幾個(gè)磁極就有幾個(gè)勵(lì)磁線圈，這幾個(gè)線圈串聯(lián)（或并聯(lián)）起來就構(gòu)成了勵(lì)磁繞組。這個(gè)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。 實(shí)驗(yàn)原理圖111 測速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖直流發(fā)電機(jī)是機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能的電氣設(shè)備，直流發(fā)電機(jī)的原理如圖111所示。5) 完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告第11章 測速發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)第11章 測速發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?16。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(gè)位置閉環(huán)PID控制器，通過電機(jī)編碼器采集的位置信號，計(jì)算位置誤差，根據(jù)PID計(jì)算結(jié)果發(fā)送控制信號給速度控制器。因?yàn)槎鄠€(gè)驅(qū)動成本的降低幅度會超過一塊運(yùn)動控制器成本的增加幅度。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(yùn)動控制器來完成系統(tǒng)的高精度位置和軌跡控制。伺服驅(qū)動裝置接受速度控制信號，完成速度閉環(huán)控制。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。這種類型的運(yùn)動控制器通常叫做位置脈沖型運(yùn)動控制器。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(yùn)動控制器通常價(jià)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。 掌握直流伺服位置控制的原理和方法 實(shí)驗(yàn)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(jī)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(jī)+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。7) 完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。4) 設(shè)置當(dāng)前應(yīng)用程序?yàn)镾peedControl_CloseLoop, 運(yùn)行程序，如下圖所示:圖96 電機(jī)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。圖94 開始界面得到以下的運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果，改變電壓值(Applied Voltage),觀察并記錄電機(jī)速度的改變。以上是電機(jī)的開環(huán)速度控制原理，對于伺服電機(jī)，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(gè)閉環(huán)控制器，一個(gè)為電流控制器(Current Controller),一個(gè)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(jìn)的控制算法。直流電勢表達(dá)式為： (91)式中： ——直流電機(jī)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)。這就是直流電動機(jī)的工作原理。 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。 了解直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)以及其原理；216。 轉(zhuǎn)動慣量的測量: a) 進(jìn)入IPM Motion Studio程序；b) 打開BallBeam控制程序，進(jìn)入控制界面；c) 進(jìn)入電機(jī)屬性設(shè)置窗口，如下圖所示：圖81 電機(jī)總轉(zhuǎn)動慣量測量d) 點(diǎn)擊“Identify Total Inertia”按提示步驟進(jìn)行轉(zhuǎn)動慣量的測量機(jī)電時(shí)間常數(shù)的測量：返回到主程序界面，點(diǎn)擊”Drive”圖標(biāo)，進(jìn)入速度調(diào)試窗口，圖82 速度環(huán)PID參數(shù)設(shè)定點(diǎn)擊Test，按照提示步驟進(jìn)行速度測試實(shí)驗(yàn)，%所需的時(shí)間即為機(jī)電時(shí)間常數(shù)。 實(shí)驗(yàn)設(shè)備l GBB1004，GBB1005系列球桿系統(tǒng)l 萬用表l LCR表 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1) 分別測量兩個(gè)電機(jī)的電阻、電感、轉(zhuǎn)動慣量、機(jī)電時(shí)間常數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)。方法三, 利用IPM Motion Studio 中可以檢測機(jī)電時(shí)間常數(shù)，具體方法請參見IPMMotion Studio使用說明書。4) 機(jī)電時(shí)間常數(shù)機(jī)電時(shí)間常數(shù)是指：電機(jī)在空載時(shí)，在電樞施加一定的電壓，%所需要的時(shí)間，因此，只要檢測出電機(jī)運(yùn)行速度即可，可以采用以下的方法：方法一：示波器法 采用測速發(fā)電機(jī)和示波器，由于測速發(fā)電機(jī)返回的電壓和轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，因此，％所用的時(shí)間，即為其機(jī)電時(shí)間常數(shù)。2) 電感 利用LCR表測量電機(jī)線圈的電感。 實(shí)驗(yàn)原理電機(jī)的性能決定于電機(jī)的參數(shù)，電機(jī)的主要參數(shù)有功率、電阻、電感、轉(zhuǎn)動慣量、機(jī)電時(shí)間常數(shù)、轉(zhuǎn)矩常數(shù)等。第8章 直流伺服電機(jī)參數(shù)辨識實(shí)驗(yàn)第8章 直流伺服電機(jī)參數(shù)辨識實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?16。圖71 線性相位FIR濾波器的特性圖 實(shí)驗(yàn)設(shè)備l GBB1004，GBB1005系列球桿系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1) 利用Matlab進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)2) 進(jìn)行數(shù)字濾波器的實(shí)驗(yàn)步驟：a) 進(jìn)入IPM Motion Studio程序；b) 打開FilterDesignExperiment控制程序，進(jìn)入控制界面；c) 運(yùn)行程序，如下圖所示：圖71 濾波實(shí)驗(yàn)界面d) 比較濾波前后的數(shù)據(jù)，分析濾波效果；改變?yōu)V波器的參數(shù)，比較濾波效果。這兩個(gè)設(shè)計(jì)函數(shù)如下：[N,Wn,beta,ftype]=kaiserord(fn,a,dev,fs)；b=fir1(n,Wn,ftype,Kaiser(n+1,beta)；最后，利用的濾波器分析函數(shù)freqz分析所設(shè)計(jì)出的濾波器的幅頻特性和相頻特性，并用圖形顯示函數(shù)plot將它們顯示出來，如圖所示。dev=[,]。假設(shè)實(shí)際工程需要設(shè)計(jì)一個(gè)線性相位帶通FIR濾波器指標(biāo)如下：fn=[1000,1375,3625,4000]。其核心是從給定的頻率特性，通過加窗確定有限長單位脈沖響應(yīng)序列h(n)。2．FIR濾波器的MATLAB設(shè)計(jì)下面以設(shè)計(jì)線性相位FIR濾波器為例介紹具體的設(shè)計(jì)方法，線性相位FIR濾波器通常采用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)。它的信號處理工具箱包含了各種經(jīng)典的和現(xiàn)代的數(shù)字信號處理技術(shù)，是一個(gè)非常優(yōu)秀的算法研究與輔助設(shè)計(jì)的工具。 濾波器的MATLAB設(shè)計(jì)1．MATLABMATLAB是一套用于科學(xué)計(jì)算的可視化高性能語言與軟件環(huán)境。在實(shí)際使用時(shí)，可能不僅僅使用一種方法，而是綜合運(yùn)用上述的方法，比如在中值濾波法中，加入平均值濾波，借以提高濾波的性能。4) 滑動濾波法 滑動濾波法是從一階低通濾波法推廣過來的，原理是信號不會出現(xiàn)突變，這種方法也有其局限性，所有的信號的突變都看作干擾。來自線現(xiàn)場的的往往是信號，它的變化一般比較緩慢，而干擾一般帶有突發(fā)性的特點(diǎn)，變化頻率較高，而低通濾波器就可以濾除這種干擾，這就是低通濾波的原理。在實(shí)際使用時(shí)，排序的周期的數(shù)量要選擇適當(dāng)，如果選擇過小，可能起不到去除干擾的作用，選擇的數(shù)量過大，會造成采樣數(shù)據(jù)的時(shí)延過大，造成系統(tǒng)性能變差。 常用的濾波方法1． 算術(shù)平均值法 在一個(gè)周期內(nèi)的不同時(shí)間點(diǎn)取樣，然后求其平均值，這種方法可以有效的消除周期性的干擾。 從球桿系統(tǒng)采集到的信號往往會在一定的范圍內(nèi)不斷的波動，或者說有頻率較高、能量不大的干擾疊加在信號上，這種情況往往出現(xiàn)在有干擾的情況下，此時(shí)采集到的數(shù)據(jù)有效值的最后一位不停的波動，難以穩(wěn)定，有的甚至出現(xiàn)低谷和尖峰。一般來說，除了在硬件中對信號采取抗干擾措施之外，還要在軟件中進(jìn)行數(shù)字濾波的處理，以進(jìn)一步消除附加在數(shù)據(jù)中的各式各樣的干擾，使采集到的數(shù)據(jù)能夠真實(shí)的反映現(xiàn)場的工藝實(shí)際情況。 通過本實(shí)驗(yàn)熟悉數(shù)字濾波的特點(diǎn)，掌握用數(shù)字濾波技術(shù)對信號進(jìn)行預(yù)處理的方法。步驟：a) 進(jìn)入IPM Motion Studio程序；b) 打開BallBeam控制程序，進(jìn)入控制界面，如下圖所示；c) 點(diǎn)擊“Motor”圖標(biāo)，進(jìn)入電機(jī)屬性窗口；d) 設(shè)置編碼器線數(shù)（編碼器線數(shù)為400），點(diǎn)擊“Test Connections”進(jìn)入電機(jī)編碼器測試窗口：e) 按照界面提示步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。編碼器檢測角度的計(jì)算：設(shè)編碼器的線數(shù)為N，板卡倍頻率為M（倍頻可以提高控制精度，一般板卡為4倍頻）則實(shí)際角度的計(jì)算公式為： (61)式中 P——實(shí)際脈沖數(shù)； ——實(shí)際角度 實(shí)驗(yàn)設(shè)備l GBB系列球桿教學(xué)系統(tǒng)l 示波器 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1) 利用示波器觀察光電編碼器輸出波形 把電機(jī)編碼器A相和B相接入示波器的輸入通道，轉(zhuǎn)動電機(jī)軸，觀察示波器信號的變化。 磁編碼器在強(qiáng)磁性材料表面上記錄等間隔的磁化刻度標(biāo)尺，標(biāo)尺旁邊相對放置磁阻效應(yīng)元件或霍爾元件，即能檢測出磁通的變化。編碼的設(shè)計(jì)可采用二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼等。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可以提供相位相差90186。光電編碼器的工作原理如圖6－1所示，在圓盤上有規(guī)則地刻有透光和不透光的線條，在圓盤兩側(cè)，安放發(fā)光元件和光敏元件。根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。2) 完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告第6章 角度位移測量實(shí)驗(yàn)數(shù)字方法（編碼器）第6章 角度位移測量實(shí)驗(yàn)數(shù)字方法（編碼器） 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?16。 掌握使用電位計(jì)的方法并進(jìn)行角度的測量。c) 仔細(xì)觀察示波器顯示的電壓值和轉(zhuǎn)化后的值的關(guān)系；d) 把測量值轉(zhuǎn)化為小球的實(shí)際位置的值；4) 完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。為保證實(shí)驗(yàn)的安全，實(shí)驗(yàn)前請仔細(xì)閱讀說明書以及電路圖。2) 轉(zhuǎn)換誤差 通常以相對誤差的形式給出，它表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量與理想輸出的數(shù)字量之間的差別，并用最低有效位LSB的倍數(shù)表示。A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度：在A/D轉(zhuǎn)換器中，也用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述轉(zhuǎn)換精度。和D/A轉(zhuǎn)換器一樣，也是數(shù)字電子計(jì)算機(jī)等數(shù)字系統(tǒng)的重要接口電路，將模擬量轉(zhuǎn)