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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