直流伺服電機(jī)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、直流電機(jī)的特性測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)要求在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試直流電機(jī)機(jī)械特性、工作特性、調(diào)速特性（空載）和動(dòng)態(tài)特性，其中測(cè)試機(jī)械特性時(shí)分別測(cè)試電壓、電流、轉(zhuǎn)速和扭矩四個(gè)參數(shù)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果擬合轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性（機(jī)械特性），并以X軸為電流，擬合電流電壓特性、電流轉(zhuǎn)速特性、電流轉(zhuǎn)矩特性，繪制電機(jī)輸入功率、輸出功率和效率曲線，即繪制電機(jī)綜合特性曲線。然后在空載情況下測(cè)試電機(jī)的調(diào)速特性，即最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速和額定電壓下的最高轉(zhuǎn)速，即調(diào)速特性；最后測(cè)試不同負(fù)載和不同轉(zhuǎn)速階躍下電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。二、實(shí)驗(yàn)原理1、直流電機(jī)的機(jī)械特性直流電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下，有下列方程式：電樞電動(dòng)勢(shì) （1-1）電磁轉(zhuǎn)矩 （1-2）電壓平衡方程 （1-3）聯(lián)立求

2、解上述方程式，可以得到以下方程： （1-4）式中 電樞回路總電阻 勵(lì)磁磁通 電動(dòng)勢(shì)常數(shù) 轉(zhuǎn)矩常數(shù) 電樞電壓 電磁轉(zhuǎn)矩 電機(jī)轉(zhuǎn)速在式（1-4）中，當(dāng)輸入電樞電壓保持不變時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨電磁轉(zhuǎn)矩變化而變化的規(guī)律，稱為直流電機(jī)的機(jī)械特性。2、直流電機(jī)的工作特性因?yàn)橹绷麟姍C(jī)的勵(lì)磁恒定，由式（1-2）知，電樞電流正比于電磁轉(zhuǎn)矩。另外，將式（1-2）代入式（1-4）后得到以下方程： （1-5）由上式知，當(dāng)輸入電樞電壓一定時(shí)，轉(zhuǎn)速是隨電樞電流的變化而線性變化的。3、直流電機(jī)的調(diào)速特性直流電機(jī)的調(diào)速方法有三種：調(diào)節(jié)電樞電壓、調(diào)節(jié)勵(lì)磁磁通和改變電樞附加電阻。本實(shí)驗(yàn)采取調(diào)節(jié)電樞電壓的方法來實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速。當(dāng)電

3、磁轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，電機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速會(huì)隨電樞電壓的變化而線性變化，如式（1-4）中所示。4、直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性直流電機(jī)的啟動(dòng)存在一個(gè)過渡過程，在此過程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流及轉(zhuǎn)矩等物理量隨時(shí)間變化的規(guī)律，叫做直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。本實(shí)驗(yàn)主要測(cè)量的是轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化規(guī)律，如下式所示： （1-6）其中，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速 機(jī)械時(shí)間常數(shù)本實(shí)驗(yàn)中，要求測(cè)試在不同負(fù)載和不同輸入電樞電壓（階躍信號(hào)）下電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。5、傳感器類型本實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速使用的是角位移傳感器中的光電編碼器；測(cè)量電磁轉(zhuǎn)矩使用的是扭矩傳感器。三、實(shí)驗(yàn)操作步驟1、測(cè)量直流電機(jī)的機(jī)械特性和動(dòng)態(tài)特性 首先將負(fù)載旋鈕逆時(shí)針擰至最小，然后將實(shí)驗(yàn)設(shè)備面板上的直流

4、電機(jī)的電樞電壓和電樞電流信號(hào)引出，分別接至計(jì)算機(jī)的采集數(shù)據(jù)端口上，打開計(jì)算機(jī)中的測(cè)試軟件，進(jìn)入測(cè)試界面，設(shè)定每個(gè)通道的測(cè)量范圍。 系統(tǒng)上電。 用計(jì)算機(jī)給定電機(jī)的電樞電壓信號(hào)，逐漸增加負(fù)載（順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)載旋鈕），選擇記錄下此過程中的20組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包括測(cè)量電樞電壓、測(cè)量電樞電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩值。計(jì)算機(jī)停止給定電機(jī)的電樞電壓信號(hào)，系統(tǒng)電源關(guān)閉。2、測(cè)量直流電機(jī)的調(diào)速特性本實(shí)驗(yàn)要求測(cè)量的是空載下的調(diào)速特性，測(cè)量額定電壓下的最高轉(zhuǎn)速和最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。步驟如下： 首先將負(fù)載旋鈕逆時(shí)針擰至最小，然后將實(shí)驗(yàn)設(shè)備面板上的直流電機(jī)的電樞電壓信號(hào)引出，接至計(jì)算機(jī)的采集數(shù)據(jù)端口上，打開計(jì)算機(jī)中的測(cè)試軟件，進(jìn)

5、入測(cè)試界面，設(shè)定通道的測(cè)量范圍。 利用式（1-7）計(jì)算電機(jī)額定電壓（24V）對(duì)應(yīng)的測(cè)量電壓值，為9.52V。電機(jī)實(shí)際電壓=（前面板測(cè)量電壓-0.76）*2.75-0.1 （1-7） 系統(tǒng)上電。 不斷改變計(jì)算機(jī)輸出的電機(jī)電壓信號(hào)，直至測(cè)量電壓信號(hào)的值為9.52V。記錄下此時(shí)的轉(zhuǎn)速值，即為額定電壓下的最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。 不斷減小計(jì)算機(jī)輸出地電機(jī)電壓信號(hào)，觀察轉(zhuǎn)速逐漸減小和穩(wěn)定的情況，記錄下最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速值。 計(jì)算機(jī)停止給定電機(jī)的電樞電壓信號(hào)，系統(tǒng)電源關(guān)閉。3、測(cè)量直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性按照測(cè)量在不同負(fù)載和不同輸入電樞電壓（階躍信號(hào)）下電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性的要求，本實(shí)驗(yàn)測(cè)量了在計(jì)算機(jī)給定電壓信號(hào)（階躍信號(hào)）分別為7

6、V和4V時(shí)，4個(gè)不同負(fù)載大小下電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。 首先將負(fù)載旋鈕逆時(shí)針擰至最小，然后將實(shí)驗(yàn)設(shè)備面板上的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)引出，接至計(jì)算機(jī)的采集數(shù)據(jù)端口上，打開計(jì)算機(jī)中的測(cè)試軟件，進(jìn)入測(cè)試界面，設(shè)定通道的測(cè)量范圍。 系統(tǒng)上電。 將計(jì)算機(jī)給定電壓信號(hào)（階躍信號(hào)）設(shè)為7V，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)載旋鈕，記錄在4個(gè)不同負(fù)載下，電機(jī)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。將負(fù)載旋鈕旋至最小后，將計(jì)算機(jī)給定電壓信號(hào)（階躍信號(hào)）設(shè)為4V，記錄在4個(gè)不同負(fù)載下，電機(jī)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。計(jì)算機(jī)停止給定電機(jī)的電樞電壓信號(hào)，系統(tǒng)電源關(guān)閉。四、實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)處理1、直流電機(jī)的機(jī)械特性和動(dòng)態(tài)特性根據(jù)上述操作步驟，測(cè)量得到的20組數(shù)據(jù)如表1所示：測(cè)量電流

7、電磁轉(zhuǎn)矩T（N·m）轉(zhuǎn)速n（r/min）測(cè)量電壓（V）0.560.52148.800.610.62098.780.841.11988.701.111.51848.681.351.91728.621.542.11638.591.702.41588.511.752.61468.461.832.91408.421.983.11328.382.103.31268.352.243.51168.322.313.71108.302.474.0968.272.614.2918.252.864.6818.173.024.9668.143.175.2578.113.435.5428.033.526.02

8、97.92表1 測(cè)量數(shù)據(jù)根據(jù)前面板測(cè)量值與電機(jī)實(shí)際值的換算公式：電機(jī)實(shí)際電壓=（前面板測(cè)量電壓-0.76）*2.75-0.1電機(jī)實(shí)際電流=（前面板測(cè)量電壓-0.032）*2計(jì)算電機(jī)的實(shí)際電樞電壓和電樞電流值，如表2所示：實(shí)際電流I(A)電磁轉(zhuǎn)矩T（N·m）轉(zhuǎn)速n（r/min）實(shí)際電壓U（V）1.0560.521422.011.1560.620921.9551.6161.119821.7352.1561.518421.682.6361.917221.5153.0162.116321.4323.3362.415821.2123.4362.614621.0753.5962.914020.9

9、653.8963.113220.8554.1363.312620.7724.4163.511620.694.5563.711020.6354.8764.09620.5525.1564.29120.4975.6564.68120.2785.9764.96620.1956.2765.25720.1126.7965.54219.8926.9766.02919.59表2 實(shí)際數(shù)據(jù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理和上述數(shù)據(jù)，利用matlab工具，選用最小二乘法中的多項(xiàng)式擬合方法擬合電機(jī)的機(jī)械特性曲線、電流-電壓特性曲線、電流-轉(zhuǎn)速特性曲線、電流-轉(zhuǎn)矩特性曲線、電機(jī)輸入功率曲線、電機(jī)輸出功率曲線和電機(jī)的效率曲線。（1）擬合機(jī)

10、械特性曲線根據(jù)原理，機(jī)械特性曲線應(yīng)是一條直線，所以選用最小二乘一次擬合多項(xiàng)式來擬合機(jī)械特性曲線，擬合得到的圖形如下圖1所示：圖1：機(jī)械特性（2）擬合電流-電壓特性曲線圖2：電流-電壓特性從圖2可以看出，盡管原理上電樞電壓應(yīng)該大小恒定，但是實(shí)際上，電樞電壓會(huì)隨著負(fù)載的逐漸增大而緩慢下降。（3）擬合電流-轉(zhuǎn)速特性曲線圖3：電流-轉(zhuǎn)速特性（4）擬合電流-轉(zhuǎn)矩特性曲線圖4：電流-轉(zhuǎn)矩特性（5）擬合輸入功率曲線首先，根據(jù)公式計(jì)算輸入功率： (1-8)因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過程的變化量是負(fù)載，而電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小相等，所以選用電磁轉(zhuǎn)矩作為x軸繪制功率曲線。并用最小二乘二次多項(xiàng)式擬合功率曲線，結(jié)果如下圖所示：圖5：輸入功率曲線（6）擬合輸出功率曲線首先，根據(jù)公式計(jì)算輸出功率： (1-9)同理，以電磁轉(zhuǎn)矩作為x軸，并用最小二乘二次多項(xiàng)式擬合功率曲線，結(jié)果如下圖所示：圖6：輸出功率曲線（7）擬合輸出功率曲線首先，根據(jù)公式計(jì)算功率比： (1-10)同理，以電磁轉(zhuǎn)矩作為x軸，并用最小二乘三次多項(xiàng)式擬合功率比曲線，結(jié)果如下圖所示：圖7：功率比變化曲線2、直流電機(jī)的調(diào)速特性測(cè)量結(jié)果按照上述測(cè)量步驟，得到空載情況下，直流電機(jī)在24V額定電壓下的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為221