计算机控制技术实验指导书版.docx
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计算机控制技术实验指导书版
实验一直流电动机建模及仿真实验
1实验目的
(1)了解直流电动机的工作原理;
(2)了解直流电动机的技术指标;
(3)掌握直流电动机的建模及分析方法;
(4)学习计算直流电动机频率特性及时域响应的方法。
2实验设备
(1)工作机:
ADMAthlon(tm)IIX2245,2.91GHz,1.75GB内存,250GB硬盘;
(2)工具软件:
操作系统:
Windows7;软件工具:
MATLAB2008a
3实验原理及实验要求
3.1实验原理
直流电机电枢回路的电路方程是:
(1)
其中,
是加到电机两端的电压;
是电机反电势;
是电枢电流;
是电枢回路总电阻;
是电枢回路总电感;
称为电枢回路电磁时间常数。
并且反电动势
与电机角速度
成正比:
(2)
其中,
称为反电势系数;
为电机轴的转角。
对于电机而言,其转动轴上的力矩方程为:
(3)
其中,
是电机的力矩系数;
是负载力矩;
是电机电枢的转动惯量。
对式(1.1)、(1.2)、(1.3)进行拉氏变换得到:
(4)
由此方程组可以得到相应的电动机数学模型的结构框图:
图1直流电动机数学模型结构框图
3.2实验要求
(1)根据电机的工作原理(电压平衡方程、力矩平衡方程)建立从电枢电压
到转速
的传递函数模型,并根据表1所给电机参数求其频率特性。
表1共给出了两个电机的参数,其中A为大功率电机,B为小电机。
(2)编制MATLAB或Simulink程序求电机的调速特性,即不同负载力矩情况下电压和转速之间的关系,将数据填入表2和表3。
(3)编制MATLAB或Simulink程序求电机的机械特性,即不同电压情况下负载力矩和转速之间的关系,将数据填入表4和表5。
(4)编制MATLAB或Simulink程序求电机转速的阶跃响应,并根据阶跃响应求出其机电时间常数。
表1电机参数表
参数
电机A
电机B
备注
电枢电阻Ra
4.80Ω
13.5Ω
电枢电感La
21mH
21.5mH
力矩系数km
46.32N.m/A
0.27N.m/A
反电势系数ke
55.3V/(rad/s)
0.42V/(rad/s)
电机转动惯量J
0.5Kg.m2
0.0005Kg.m2
电枢部分
表2电机A调速特性表
序号
电压(V)
转速(rad/s)
(空载)
转速(rad/s)
(负载力矩Mf=500Nm)
转速(rad/s)
(负载力矩Mf=1000Nm)
1
0
2
10
3
30
4
60
5
90
6
120
7
150
8
180
9
200
10
220
表3电机B调速特性表
序号
电压(V)
转速(rad/s)
备注
1
0
0
空载
2
2
3
5
4
7
5
10
6
12
7
15
8
18
9
22
10
24
表4电机A机械特性表
序号
负载力矩Ml(Nm)
转速(rad/s)
(电压Ua=60V)
转速(rad/s)
(电压Ua=100V)
转速(rad/s)
(电压Ua=200V)
1
0
2
100
3
200
4
300
5
400
6
500
7
600
8
700
9
800
10
900
11
1000
表5电机B机械特性表
序号
负载力矩Ml(Nm)
转速(rad/s)
备注
1
0
电压Ua=20V
2
0.05
3
0.1
4
0.15
5
0.2
6
0.25
7
0.3
8
0.35
9
0.4
10
0.45
实验二考虑结构刚度时的直流电动机-负载建模及仿真实验
1实验目的
(1)掌握考虑结构刚度时直流电动机-负载的模型的建立方法;
(2)了解不同的结构刚度对模型的影响;
2实验设备
(1)工作机:
ADMAthlon(tm)IIX2245,2.91GHz,1.75GB内存,250GB硬盘;
(2)工具软件:
操作系统:
Windows7;软件工具:
MATLAB2008a
3实验原理及实验要求
3.1实验原理
《直流电动机-负载建模及仿真实验》中的模型没有考虑转动轴的弹性形变问题,也即把电机与负载当作一个刚体来考虑,而对于实际的系统,虽然电机与负载是直接耦合的,但转动轴本质上是弹性的,存在形变,而且轴承和框架也都不完全是刚性的。
对于加速度要求大、快速性和精度要求高的系统或是转动惯量大、性能要求高的系统,弹性形变对系统性能的影响不能忽略,因此在建立类似的电机-负载模型时,轴的刚度系数,即单位转角产生的力矩是一个重要参数。
考虑到以上各种弹性体,可将被控系统视为图1所示结构,由电机、纯惯性负载以及连接二者的等效传递轴所组成的三质量系统。
图1电机-传动机构-负载模型
根据上面的分析并忽略轴的转动惯量,可以列出整个系统的电学方程以及动力学方程:
电动机:
(1)
(2)
(3)
负载:
(4)
(5)
其中,
和
分别表示电动机转子和负载的转角;
、
、
和
分别表示电动机电枢电流,电枢电压,电枢电感和电枢电阻;
、
分别为电动机转子和负载的转动惯量;
表示电机的负载力矩;
和
分别表示电机的电磁力矩系数和反电势系数;
表示轴的刚度系数;
和
分别表示电机和框架的粘性阻尼系数。
此时的方块图如图2。
图2电机-负载模型方块图
一般地,弹性变形与机械装置的结构、尺寸、材料和受力情况有关。
从系统特性分析,弹性变形使执行轴转角和负载转角之间存在一个振荡环节,从复平面上看,该振荡环节对应一对距离虚轴很近的共轭复根,阻尼系数小。
这样的震荡环节具有较高的谐振峰值。
如果谐振频率处于系统通频带之外,则可认为其对系统动态性能无影响;反之,若谐振频率处于系统通频带之内,则对系统影响较大。
3.2实验要求
(1)根据以上的动力学方程及方块图求出从
到
的传递函数模型,并求其频率特性。
(2)求出从
到
的传递函数模型,并求其频率特性和根轨迹。
(3)分别取k12=0.1k12和k12=0.01k12,编制MATLAB或simulink程序,比较刚度系数不同时电机-负载模型的频率特性(从
到
)。
实验所需具体参数如表1所示:
表1实验所需具体参数
参数
备注
电枢电阻Ra
4.80Ω
电枢电感La
21mH
力矩系数km
46.32N.m/A
反电势系数ke
55.3V/(rad/s)
电机转动惯量Jm
0.5Kg.m2
电枢部分
电机阻尼系数Dm
40Nm/(rad/s)
负载转动惯量JL
25Kg.m2
折合到转动轴上
DL+Dm
270Nm/(rad/s)
轴刚度k12
32000Nm/度
建模时应转换为国际标准单位
实验三步进电机控制实验
1、实验目的
1.掌握keilC51软件与proteus软件联合仿真调试的方法;
2.掌握步进电机的工作原理及控制方法;
3.掌握步进电机控制的不同编程方法;
2、实验仪器与设备
1.微机1台
2.keilC51集成开发环境
3.Proteus仿真软件
3、实验内容
1.用Proteus设计一四相六线步进电机控制电路。
要求利用P1口作步进电机的控制端口,通过达林顿阵列ULN2003A驱动步进电机。
基本参考电路见后面附图。
2.编写程序,实现步进电机的正反转控制。
正反转时间分别持续10S时间,如此循环。
3.设计一可调速步进电机控制电路。
P3.2~P3.5分别接按键k1~k4,其中k1为正反转控制按键,k2为加速按键,k3为减速按键,k4为启动/停止按键,要求速度7档(1~7)可调,加减速各设3档,复位时位于4档,要求每档速度变化明显。
该步进电机控制电路在以上电路的基础上自行修改。
4、实验原理
1.步进电机控制原理:
1)步进电机是利用电磁铁的作用原理,步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
每来一个电脉冲,步进电机转动一定角度,带动机械移动一小段距离。
特点A.来一个脉冲,转一个步距角。
B.控制脉冲频率,可控制电机转速。
C.改变脉冲顺序,可改变转动方向。
2)以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。
三相反应式步进电动机的原理结构图如下,定子内圆周均匀分布着六个磁极,磁极上有励磁绕组,每两个相对的绕组组成一相。
转子有四个齿。
B
C
IA
IB
IC
给A相绕组通电时,转子位置如图(a),转子齿偏离定子齿一个角度。
由于励磁磁通力图沿磁阻最小路径通过,因此对转子产生电磁吸力,迫使转子齿转动,当转子转到与定子齿对齐位置时(图b),因转子只受径向力而无切线力,故转矩为零,转子被锁定在这个位置上。
由此可见:
错齿是助使步进电机旋转的根本原因。
3)三相反应式步进电动机的控制原理
1三相单三拍:
A相→B相→C相→A相
2三相六拍:
A→AB→B→BC→C→CA→A
3三相双三拍:
AB→BC→CA→AB
4)步距角计算公式:
θ—步距角Zr—转子齿数m—每个通电循环周期的拍数
2、ULN2003A:
七达林顿阵列
ULN2003A是集成达林顿管反相驱动电路,内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管,可用来驱动电机、继电器等功率器件。
它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压=5V,其引脚排列如下:
5、实验步骤
1.用Proteus设计四相六线步进电机控制电路;
2.在KeilC51中编写步进电机正反转控制程序,编译通过后,与Proteus联合调试;
3.启动仿真,观察步进电机转动是否正常;
4.用Proteus设计可调速步进电机控制电路,仿真调试、运行程序并查看效果。
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