直流伺服电机实验报告.doc

直流电机的特性测试一、实验要求在实验台上测试直流电机机械特性、工作特性、调速特性（空载）和动态特性，其中测试机械特性时分别测试电压、电流、转速和扭矩四个参数，根据测试结果拟合转速转矩特性（机械特性），并以X轴为电流，拟合电流电压特性、电流转速特性、电流转矩特性，绘制电机输入功率、输出功率和效率曲线，即绘制电机综合特性曲线。然后在空载情况下测试电机的调速特性，即最低稳定转速和额定电压下的最高转速，即调速特性；最后测试不同负载和不同转速阶跃下电机的动态特性。二、实验原理1、直流电机的机械特性直流电机在稳态运行下，有下列方程式：电枢电动势 （1-1）电磁转矩 （1-2）电压平衡方程 （1-3）联立求解上述方程式，可以得到以下方程： （1-4）式中 电枢回路总电阻 励磁磁通 电动势常数 转矩常数 电枢电压 电磁转矩 电机转速在式（1-4）中，当输入电枢电压保持不变时，电机的转速随电磁转矩变化而变化的规律，称为直流电机的机械特性。2、直流电机的工作特性因为直流电机的励磁恒定，由式（1-2）知，电枢电流正比于电磁转矩。另外，将式（1-2）代入式（1-4）后得到以下方程： （1-5）由上式知，当输入电枢电压一定时，转速是随电枢电流的变化而线性变化的。3、直流电机的调速特性直流电机的调速方法有三种：调节电枢电压、调节励磁磁通和改变电枢附加电阻。本实验采取调节电枢电压的方法来实现直流电机的调速。当电磁转矩一定时，电机的稳态转速会随电枢电压的变化而线性变化，如式（1-4）中所示。4、直流电机的动态特性直流电机的启动存在一个过渡过程，在此过程中，电机的转速、电流及转矩等物理量随时间变化的规律，叫做直流电机的动态特性。本实验主要测量的是转速随时间的变化规律，如下式所示： （1-6）其中，稳态转速 机械时间常数本实验中，要求测试在不同负载和不同输入电枢电压（阶跃信号）下电机的动态特性。5、传感器类型本实验中，测量电机转速使用的是角位移传感器中的光电编码器；测量电磁转矩使用的是扭矩传感器。三、实验操作步骤1、测量直流电机的机械特性和动态特性 首先将负载旋钮逆时针拧至最小，然后将实验设备面板上的直流电机的电枢电压和电枢电流信号引出，分别接至计算机的采集数据端口上，打开计算机中的测试软件，进入测试界面，设定每个通道的测量范围。 系统上电。 用计算机给定电机的电枢电压信号，逐渐增加负载（顺时针转动负载旋钮），选择记录下此过程中的20组数据，每组数据包括测量电枢电压、测量电枢电流、电机转速和电磁转矩值。计算机停止给定电机的电枢电压信号，系统电源关闭。2、测量直流电机的调速特性本实验要求测量的是空载下的调速特性，测量额定电压下的最高转速和最低稳定转速。步骤如下： 首先将负载旋钮逆时针拧至最小，然后将实验设备面板上的直流电机的电枢电压信号引出，接至计算机的采集数据端口上，打开计算机中的测试软件，进入测试界面，设定通道的测量范围。 利用式（1-7）计算电机额定电压（24V）对应的测量电压值，为9.52V。电机实际电压=（前面板测量电压-0.76）*2.75-0.1 （1-7） 系统上电。 不断改变计算机输出的电机电压信号，直至测量电压信号的值为9.52V。记录下此时的转速值，即为额定电压下的最高稳定转速。 不断减小计算机输出地电机电压信号，观察转速逐渐减小和稳定的情况，记录下最低稳定转速值。 计算机停止给定电机的电枢电压信号，系统电源关闭。3、测量直流电机的动态特性按照测量在不同负载和不同输入电枢电压（阶跃信号）下电机的动态特性的要求，本实验测量了在计算机给定电压信号（阶跃信号）分别为7V和4V时，4个不同负载大小下电机的动态特性。 首先将负载旋钮逆时针拧至最小，然后将实验设备面板上的电机转速信号引出，接至计算机的采集数据端口上，打开计算机中的测试软件，进入测试界面，设定通道的测量范围。 系统上电。 将计算机给定电压信号（阶跃信号）设为7V，顺时针转动负载旋钮，记录在4个不同负载下，电机转速的动态响应曲线。将负载旋钮旋至最小后，将计算机给定电压信号（阶跃信号）设为4V，记录在4个不同负载下，电机转速的动态响应曲线。计算机停止给定电机的电枢电压信号，系统电源关闭。四、实验测试结果及数据处理1、直流电机的机械特性和动态特性根据上述操作步骤，测量得到的20组数据如表1所示：测量电流电磁转矩T（Nm）转速n（r/min）测量电压（V）0.560.52148.800.610.62098.780.841.11988.701.111.51848.681.351.91728.621.542.11638.591.702.41588.511.752.61468.461.832.91408.421.983.11328.382.103.31268.352.243.51168.322.313.71108.302.474.0968.272.614.2918.252.864.6818.173.024.9668.143.175.2578.113.435.5428.033.526.0297.92表1 测量数据根据前面板测量值与电机实际值的换算公式：电机实际电压=（前面板测量电压-0.76）*2.75-0.1电机实际电流=（前面板测量电压-0.032）*2计算电机的实际电枢电压和电枢电流值，如表2所示：实际电流I(A)电磁转矩T（Nm）转速n（r/min）实际电压U（V）1.0560.521422.011.1560.620921.9551.6161.119821.7352.1561.518421.682.6361.917221.5153.0162.116321.4323.3362.415821.2123.4362.614621.0753.5962.914020.9653.8963.113220.8554.1363.312620.7724.4163.511620.694.5563.711020.6354.8764.09620.5525.1564.29120.4975.6564.68120.2785.9764.96620.1956.2765.25720.1126.7965.54219.8926.9766.02919.59表2 实际数据根据实验原理和上述数据，利用matlab工具，选用最小二乘法中的多项式拟合方法拟合电机的机械特性曲线、电流-电压特性曲线、电流-转速特性曲线、电流-转矩特性曲线、电机输入功率曲线、电机输出功率曲线和电机的效率曲线。（1）拟合机械特性曲线根据原理，机械特性曲线应是一条直线，所以选用最小二乘一次拟合多项式来拟合机械特性曲线，拟合得到的图形如下图1所示：图1：机械特性（2）拟合电流-电压特性曲线图2：电流-电压特性从图2可以看出，尽管原理上电枢电压应该大小恒定，但是实际上，电枢电压会随着负载的逐渐增大而缓慢下降。（3）拟合电流-转速特性曲线图3：电流-转速特性（4）拟合电流-转矩特性曲线图4：电流-转矩特性（5）拟合输入功率曲线首先，根据公式计算输入功率： (1-8)因为实验过程的变化量是负载，而电机稳定运行时，电磁转矩与负载转矩大小相等，所以选用电磁转矩作为x轴绘制功率曲线。并用最小二乘二次多项式拟合功率曲线，结果如下图所示：图5：输入功率曲线（6）拟合输出功率曲线首先，根据公式计算输出功率： (1-9)同理，以电磁转矩作为x轴，并用最小二乘二次多项式拟合功率曲线，结果如下图所示：图6：输出功率曲线（7）拟合输出功率曲线首先，根据公式计算功率比： (1-10)同理，以电磁转矩作为x轴，并用最小二乘三次多项式拟合功率比曲线，结果如下图所示：图7：功率比变化曲线2、直流电机的调速特性测量结果按照上述测量步骤，得到空载情况下，直流电机在24