伺服电机实验.doc

实验一 异步电机变频调速实验1. 正弦波脉宽调制（SPWM）方式的实验1.1实验目的1） 过实验掌握SPWM的基本原理和实现方法2） 悉与SPWM控制方式相关的信号波形1.2实验原理所谓正弦波脉宽调制就是把一个正弦波分成等幅而不等了与正弦宽的方波脉冲串，每一个方波的宽度，与其所对应时刻的正弦波的值成正比，这样就产生波等效的等幅矩形脉冲序列波，由于各脉冲的幅值相等，所以逆变器可由恒定的直流电源供电，也就是说， 逆变器输出脉冲的幅值就是整流器的输出电压。当逆变器各开关器件都是在理想状态下工作时，驱动相应开关器件的信号也应与逆变器的输出电压波形相似。 从理论上讲，这一系列脉冲波形的宽度可以严格地用计算方法求得，作为控制逆变器中各开关器件通断的依据。但较为实用的办法是引用“调制”这一概念，以所期望的波形(在这里是正弦波)作为调制波，而受它调制的信号称为载波。在SPWM中常用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波是上下宽度线性对称变化的波形，当它与任何一个光滑的调制函数曲线相交时，在交点的时刻控制开关器件的通断，即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该调制函数值的矩形脉冲。1.3 实验设备及仪器1）KR-1系列变频调速实验系统一套。2）双踪示波器一台。1.4 实验步骤1）接通电源，打开开关。2）将P07号参数设置为00，选择SPWM控制方式。将加速度设置到10，按“运行”键，控制电动机运行，观察电动机的加速过程，直至电动机达到稳速运行状态，按照60HZ的频率运行。3） 通过示波器，观察三相正弦波信号（在测试孔1、2、3）。分别如下4） 通过示波器，观察三角波载波信号，并估算其频率（在测试孔5）。5） 通过示波器。观察SPWM波信号（在测试孔6、7、8、9、10、11）。6）将频率设定值在0.1HZ100HZ的范围内不断变化，通过示波器在测试孔1、2、3中观察信号的频率和幅值的关系。1.5 实验总结2. 六脉冲型电压矢量控制方式的实验2.1实验目的1） 通过实验，掌握空间电压矢量控制方式的原理和实现方法。2） 熟悉与六脉冲型空间电压矢量控制方式有关的信号波形。2.2实验原理前面介绍的SPWM控制方法和三次谐波注入PWM控制方法都是主要着眼于使逆变器输出电压尽量接近正弦波，最终目的是在空间产生圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。如果直接针对这一目标，把逆变器和异步电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制PWM电压，这样的控制方法就叫做“磁链跟踪控制”，磁链的轨迹是靠电压空间矢量相加得到的，所以又称“电压空间矢量控制”。在变压变频调速系统中，异步电动机由三相PWM逆变器供电，这时，供电电压和三相正弦电压有所不同。为使电动机对称工作，必须三相同时供电，即在任一时刻一定有处于不同桥臂下的三个器件同时导通，而相应桥臂的另三个功率器件则处于关断状态。对于每一个桥臂都有两种工作状态，那就是“上管导通，下管关断”和“下管导通，上管关断”，前者称为“1”状态，后者称为“0”状态。这样从逆变器总的拓扑结构看，共有8种工作状态，那就是001、010、011、100、101、110、111、000。其中111表示 三个桥臂都是上管通，下管断，而000则表示三个桥臂都是下管通，上管断，在这两种情况下，电动机的绕组都不和电源连接，但是从控制电动机的运行的角度来看，这两种开关状态也并非是完全无意义的。这两种工作状态所对应的电压矢量称为零矢量，而另外六种开关状态所对应的矢量称为非零矢量。如果逆变器顺序地按照 100、110、010、011、001、101的工作状态运行，那么电动机的旋转磁场是正六边形的。从前面的分析可以看出，如果希望改变电动机磁场的旋转速度，只需要改变中的每种开关状态作用时间t，但是问题也就由此产生了。由于电压矢量的幅值只取决于直流母线电压，可以看作是固定的，因此可以认为，无论在正六边形的哪一条边上，磁链矢量端点的运行的线速度是固定的，作用时间t的改变必然会使得磁链矢量端点的运行的距离发生改变，也就是六边形的边长发生了改变。归根到底一句话，如果单纯地改变作用时间t，将会使得磁通变大或者变小，这显然是不符合恒磁通变频调速的要求的。零矢量的作用在这里就体现出来了。零矢量作用电动机绕组，磁链端点原地踏步，停止不前，如果在正六边形的条边上，在非零矢量作用的同时，均匀地插入零矢量，让电动机的磁链端点“走走停停”，就可以改变磁链运行速度，而不改变磁链的运行轨迹，从而实现了恒磁通变频调速。可以把磁链端点在六边形的每个边上的运行时间t分成两个部分，t1和t2，t1是零矢量作用的时间，t2是非零矢量作用的时间，在恒磁通的前提下通过插入零矢量来改变磁链端点的运行速度的本质是改变零矢量的作用时间t2，而非零矢量的作用时间t1是不变的。改变非零矢量的作用时间t1与总的作用时间t的比值，就既改变了输出电压的频率，同时也改变了输出电压的幅值。2.3 实验设备及仪器1）KR-1系列变频调速实验系统一套。2）双踪示波器一台。2.4 实验步骤1)接通电源，打开开关。2)将P07号参数设置为10，选择六脉冲电压矢量控制方式。将加速度设置到10，按“运行”键，控制电动机运行，观察电动机的加速过程，直至电动机达到稳速运行状态，按照60HZ的频率运行。3)通过示波器，观察三角波载波信号，并估算其频率（在测试孔24）。4)观测“电压矢量合成”环节输出的波形。5）观测磁链旋转轨迹的波形。五、实验结论实验二 无刷电机控制系统实验1 转子位置检测和电子换相的实验11实验目的1）了解无刷电机内部结构2) 掌握无刷电机换向工作原理12实验原理无刷直流电机与普通永磁直流电机相比，从结构上，可以认为是定子和转子互换了位置， 三相无刷直流电动机驱动器内部包含有电子换相器主电路-三相H形桥式逆变器、换相控制逻辑电路、PWM调速电路以及过流等保护电路，系统结构框图如图1。 三相永磁无刷直流电动机的转子位置传感器输出信号Ha、Hb、Hc在每360电角度内给出了6个代码，换相控制逻辑电路接收转子位置传感器的输出信号Ha、Hb、Hc，并对其进行译码处理，给出电子换相器主回路（三相桥式逆变器）中6个开关管的驱动控制信号。Ha、Hb、Hc给出的6个代码顺序是101、100、110、010、011、001。这一顺序与电动机的转动方向有关，如果转向反了，代码出现的顺序也将倒过来。所以，换相控制逻辑电路还应当接收电动机的转向控制信号DIR，这也是一个逻辑信号，高电平控制电动机正转，低电平控制电动机反转。图1.1 开环型三相无刷直流电动机驱动系统框图256134方向信号脉 宽调制器速度控制信号4365过电流保护驱动21驱动驱动驱动驱动驱动426531Ha、Hb、Hc给出的6个代码与6个“定子空间扇区”是一一对应的关系。为了得出换相控制逻辑电路中的逻辑关系，不失一般性，可以假定六个代码101、100、110、010、011、001分别与1、6、5、4、3、2号扇区相对应。根据以上的条件，可以得出表1。表1 扇区与导通的开关管的对应关系扇区1号6号5号4号3号2号Ha、Hb、Hc101100110010011001正转时（DIR=1）导通的开关管2、16、15、64、53、42、3反转时（DIR=0）导通的开关管5、44、33、22、11、66、513实验设备及仪器1）全数字伺服系统实验装置，本控制系统电机采用南京强辰电机配件厂生产的无刷电机，其技术参数如下，电机型号额定电压额定功率额定转速额定扭矩额定电流最大电流重量92BL04524V100W1000Rpm16A10A2.2kg2）双踪示波器一台。1.4 实验步骤1）打开控制电源，此时默认为开环状态，这时操作台面板上会有霍尔信号指示灯点亮，同时三组桥臂六个开关管中也会有两盏灯点亮，分别位于不同桥臂上的高压侧和低压侧。2） 把方向开关拨至正转，转动电机输出轴，观察霍尔信号指示灯和开关管开关状态指示灯的变化，开关管开关状态指示灯亮表明该开关管导通，反之，表明截止。3） 霍尔信号指示灯点亮记为1，熄灭记为0，把三相霍尔信号的状态和导通的开关管号码关系，记录变化关系。4） 把方向开关拨至反转，重复（2）（3）1.5 实验结论1）由于电机共有5对极，所以一个机械周期共有5个电周期，每个电周期又对应6个状态，因此每转动12度电机输出状态就改变一次。因此用手转动电机轴时幅度不宜过大。2) 根据记录的实际的开关管换相状态，验证了换相理论。3）功率管换相时开关状态逻辑表达式：K1=Ha/HbDIR+/HaHb/DIRK2=/HbHcDIR+Hb/Hc/DIRK3=/HaHcDIR+Ha/Hc/DIRK4=/HaHbDIR+Ha/Hb/DIRK5=Hb/HcDIR+/HbHc/DIRK6=Ha/HcDIR+/HaHc/DIR16 撰写实验报告2 正反转调速实验21实验目的1） 了解无刷电机正反转调速工作原理2） 了解通常使用的PWM频率范围。22实验原理 无刷直流电动机，加上电子换相器（包括换相器的主回路-逆变器和换相控制逻辑电路），从原理上说，就相当于一台有刷的直流电动机，也就是说，电子换相器解决了无刷电动机换相的问题，但没有解决电动机调速的问题。需要脉宽调制电路来实现电动机的调速。在目前实际的无刷直流电动机控制系统中，这一频率一般都在10KHZ以上。由换相控制逻辑电路输出的换相信号的频率与电动机的转速有关，还与电动机的磁极数有关。无论在何种情况下，换相控制信号的频率都远远低于PWM信号的频率。因此，可以把PWM信号和换相控制信号，通过逻辑“与”的办法合成在一起，通过调节PWM信号的占空比，来调节电动机的定子电枢电压，从而实现调速。考虑到电动机在运行的过程中，在任何时刻，在电子换相器的主回路三相桥式逆变器中只有两个开关管导通，见图1，这两个开关管中的一个在高压侧（1、3、5管中的一个），另一个在低压侧（4、6、2管中的一个），也就是说，总是有高压侧的一个开关管与低压侧的一个开关管串联导通的，所以，PWM信号只需与高压侧的三个开关管的控制信号通过逻辑“与”的办法合成在一起即可实现调压调速。图2中表明了PWM信号与换相控制信号的合成。有关的波形见图2。图2.1 PWM信号与换相控制信号的合成12345623 实验设备及仪器1） 全数字伺服系统实验装置。2） 双踪示波器一台。24 实验步骤 1）使控制系统处于开环状态，控制系统上电后默认状态为开环状态，若此时电机为正转，拨动方向开关至反转，则电机仍然为正转，需将电位器归零后重新启动，则此时电机才反转，若已经启动了PC端控制软件，则点击开环正反调速按钮使控制系统处于开环状态，电机正反转切换在下次启动时生效，比如此时电机为正转，拨动方向开关至反转，则电机仍然为正转，需点击启动按钮，则此时电机才反转。2）转动调速电位器，用示波器观察PWM测试孔波形以及PWM周期。25 实验结论1） 无刷电机通过脉宽调制来改变电枢电压，从而实现电动机的调速。2） 脉宽调制频率一般在10k左右，过高会增加开关损耗、降低驱动效率和最大输出力矩，过低使得低速转矩波动增大，尖叫音提高。26 撰写实验报告3. 转速电流双闭环零启动及稳态加载实验31实验目的1） 掌握无刷电机双闭环调速系统起动时转速与电流的关系2） 掌握无刷电机双闭环调速系统稳态运行突加负载时转速与电流变化关系3) 掌握无刷电机双闭环调速系统加速时转速与电流变化关系32 实验原理nn*IIIIIIotIdIdmIdLt2t3t4tt1o双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。双闭环调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如图2所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分成三段，在图中分别以、和表示。图3.1 双闭环调速系统起动过程的转速和电流波形第阶段（0t1）：是电流的上升阶段。突加给定电压后，通过两个调节器的控制作用，使Uct、Udo、Id都上升，当IdIdL后，电动机开始转动。由于直流电动机的机械惯性（机电时间常数）的作用，转速的增长不可能很快，因而转速调节器ASR的输入偏差电压数值较大，输出很快达到限幅值，强迫电流Id迅速上升。当IdIdm时，电流调节器的作用使Id不再迅速增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，由于转速的上升是一个机械运动的过程，其机电时间常数较大，故ASR由不饱和很快达到饱和，而电流的上升是一个电磁过程，其电磁时间常数较小，故ACR一般不会饱和，以保证电流环的调节作用。第阶段（t1t2）：是恒流升速阶段。从电流上升到最大值Idm开始，到转速升到给定值n*（即静特性上的n0）为止，属于恒流升速阶段，是起动过程中的主要阶段。在这个阶段中，ASR一直是饱和的，转速环相当于开环，系统表现为在恒值电流给定电压作用下的电流调节系统，从而基本上保持电流Id恒定（电流可能超调，也可能不超调，取决于电流调节器的结构参数），因而调速系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电动机的反电动势E也线性增长。对电流调节系统来说，这个反电动势是一个线性增长的扰动量（图3-46），为了克服这个扰动，Udo和Uct也就必须基本上按照线性增长，才能保持Id恒定。由于ACR是PI调节器，要使它的输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持恒定，也就是说，Id应略低于Idm。此外还应指出的是，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中电流调节器是不能饱和的，同时整流装置的最大电压Udom也必须留有余地，即PWM装置也不应饱和，这些都是在设计中必须注意的。第阶段（t2以后）：是转速调节阶段。这个阶段开始时，转速已经达到给定值，转速调节器的给定电压与反馈电压相平衡，输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在加速，使转速超调。转速超调以后，ASR的输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其输出电压即ACR的给定电压立即从限幅值降下来，主电流Id也下降。但是，由于Id仍大于负载电流IdL，在一段时间内，转速仍继续上升。到IdIdL时，转矩TeTL，则，转速n达到峰值（tt3时）。此后，电动机才开始在负载的阻力下减速，与此相应，电流Id也出现一段小于IdL的过程，直至稳定。在这最后的转速调节阶段内，ASR与ACR都不饱和，同时起调节作用。由于转速调节在外环，因而ASR处于主导地位，而ACR的作用则力图使Id尽快地跟随ASR的输出量，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。33 实验设备及仪器1) 全数字伺服系统实验装置。2) 双踪示波器一台。34 实验步骤1）打开驱动电源。2) 把调速旋钮旋至一定位置，（一般旋至较大值）， 3）打开PC端伺服控制软件，点击速度电流双闭环零速按钮，设置速度环Kp=0.15、Ki=0.05, 电流环Kp=0.9、Ki=0.1,点击启动，观察速度电流响应曲线。图3.2 双闭环零启动实验界面3） 点击稳态加载按钮，速度电流环PI参数不变，接通或断开磁粉制动器，相当于给电机加减外负载，观察并记录PC端速度电流曲线变化，若绘制曲线时间要求较长，则可以点击设置按钮，将绘制曲线时间选3秒或4秒或5秒，分析实验结果图3.3 双闭环稳态加载或减载实验界面4）改变速度环、电流环的参数，观察运行曲线。35 实验结论根据电机起动时，记录的速度电流响应曲线，较好地验证了速度电流双闭环起动过程中速度和电流的变化关系，在稳态运行时突加负载时，速度电流变化曲线也较好地说明了负载加大，则电流变大，转速降低，但其在速度闭环作用下又很快恢复到给定值，反之突减负载时，则电流变小，转速加大，同样在速度闭环作用下又很快恢复到给定值，。36 撰写实验报告4PI参数对电机运动特性影响的实验41实验目的1） 了解比例系数在控制系统所起的作用；2） 了解积分系数在控制系统所起的作用。42 实验原理电机闭环调速控制系统可以用图4.1所示结构图表示，n0(t)为给定转速，n(t)为实际转速，其差值e(t)经过PID调节后输出电压控制信号u(t)，再经过功率放大驱动电机转动，PID控制算法驱动器电机u(t)n0(t)n(t) 图4.1 闭环调速系统结构框图PID控制规律可以表示为上式中，KP为比例系数，KI为积分系数，TI 为积分时间常数，Kd为微分系数，Td 为微分时间常数。一般调速系统中电流环、速度环都采用PI调节，本实验就是通过改变P、I参数，来验证这两个参数的作用。比例环节的作用是对偏差作出快速反应，偏差一旦产生，控制器立刻产生控制作用，使控制量向减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数Kp，Kp越大，控制越强，但过大的Kp会导致系统振荡，破坏系统的稳定性。只有当存在偏差时，才会有控制量输出，因此纯粹P调节控制系统在本质上是有静差系统。积分的作用就是把偏差的积累作为输出，在控制过程中，只要有偏差存在，积分环节的输出就会不断增大，直到偏差e(t)=0,输出的u(t)才可能维持在某一常量，使系统在给定值不变的情况下趋于稳态，因此积分可以消除系统的稳态误差。积分环节的调节作用虽然会消除稳态误差，但会降低系统的响应速度，增加系统的超调量，积分时间常数TI 越大，积分的积累作用就越弱。需要注意的是，通常在验证比例系数作用的时候，必须保持积分时间常数TI不变，而不是保持积分系数不变，在验证积分作用的时候，须保持比例系数Kp不变，改变积分时间常数TI。43 实验设备及仪器全数字伺服系统实验装置44 实验步骤1）点击PI运动特性按钮，如图4.2所示图4.2 PI参数对运动特性影响实验界面2）设置速度环参数Kp0.15,Ki=0.05,点击启动，观察比较速度给定曲线与实际响应曲线。3）保持积分时间常数Ti不变，即保持积分的累计作用一致，改变Kp的值，设置Kp0.75，Ki=0.25, 点击启动，观察比较速度给定曲线与实际响应曲线。4）分析比较两次实验速度响应时间。5) 重复3）实验6）保持比例系数不变，设置Kp0.15，Ki=0, 点击启动，观察比较速度给定曲线与实际响应曲线。7） 分析比较两次实验速度稳态误差。45 实验结论 比例环节的作用是改变系统的快速响应能力，Kp越大则系统的快速响应能力越强，积分的作用是可以减小系统的稳态误差，纯粹的P调节本质上是一个有静差的系统。46 撰写实验报告5伺服系统进给运动加减速实验51 实验目的1） 了解实际位置进给运动的工作过程；2） 了解常见的位置进给加减速方式。3） 了解常见的位置进给信号指令形式。52 实验原理位置控制指令信号可以采用多种形式，可以采用数据输入的方式，也可以采用高速脉冲指令输入的方式。如果采用高速脉冲指令输入方式，则脉冲个数表示位移，脉冲的频率表示进给速度，脉冲频率的变化率表示加速度，本实验装置采用数据输入的方式，伺服系统通常要指定进给位移、最大的进给速度以及进给加速度，在连续轮廓进给控制的应用场合，位置进给指令中既包含了位移的信息，同时也包含了速度的信息，系统应当能够根据输入的进给位移、最大进给速度和加速度，形成位置和速度控制指令曲线，有时因为进给位移较小，系统来不及达到最大速度就进入减速段，有时进给位移较大，系统系统可以达到最大速度，从而进入匀速运行段，如下图所示， 图5.1 位置进给运动速度位移曲线图上图表示的是梯形加速度方式，现在一些伺服驱动器采用S加速度方式，具体可以查阅相关资料。53 实验设备及仪器全数字伺服实验装置。54 实验步骤1）点击位置环加减速实验界面，如图5.2所示，速度环、电流环参数取默认值，即速度环Kp=0.15、Ki=0.05, 电流环Kp=0.9、Ki=0.1，位置给定设置为20000（4倍频后一转为4000个脉冲），位置调节器增益设置为20，最大进给速度设置为300r/min，进给加速度设置为10r/min/s2,前馈系数设置为0。图5.2位置环加减速实验界面图2）点击启动，观察位移与速度曲线；3）位移给定值设置为其它值，其它参数保持不变，点击启动，观察位移与速度曲线；4）分别改变最大速度及加速度，观察位移与速度曲线；5）改变速度环、电流环参数，观察其对位置控制的影响，即先进入速度电流双闭环模式，比如点击零速启动按钮，改变速度环、电流环参数，然后进入位置环模式，即点击加减速按钮，观察运行效果。55 实验结论1） 当进给位移较小，系统来不及达到最大速度就进入减速段，有时进给位移较大，系统可以达到最大速度，进入匀速运行段。只有很好地控制系统地加减速过程，才能提升伺服性能，比如位置精度等。2） 速度环、电流环参数设置不当，将影响位置控制的效果。56 撰写实验报告6 跟随误差与开环增益之间关系的实验61 实验目的1） 了解并掌握伺服系统跟随误差与开环增益之间的关系；2） 了解并掌握直线插补时伺服系统输入信号的给定形式。62 实验原理典型的位置伺服系统属于型系统。根据线性系统理论，型系统对于直线插补时的斜坡位置输入信号是有差跟随的，这个误差就是我们要讨论的跟随误差。所谓的“伺服滞后时间”也就是伴随着位置跟随误差而产生的。对于单位斜坡输入的位置指令，跟随误差有：Kh是伺服系统的开环增益，其倒数就是系统的误差系数。对于非单位斜坡输入的位置指令信号，跟随误差和位置输入指令信号的变化率成正比，也就是和进给速度成正比。其中，v是位置输入斜坡信号的斜率，即进给速度。由此可以看出，位置环开环增益Kh越高，系统的位置跟随误差越小。但是位置环开环增益Kh也不能过大，过大会导致系统不稳定，这将在下一个实验讨论。63 实验设备及仪器全数字伺服系统实验装置。64 实验步骤1）点击位置环跟随误差与开环增益关系界面，如图6.1所示，速度环、电流环参数取默认值，即速度环Kp=0.15、Ki=0.05, 电流环Kp=0.9、Ki=0.1，位置给定设置为20000（4倍频后一转为4000个脉冲），位置调节器增益设置为10，最大进给速度设置为300r/min，进给加速度设置为10r/min/s2,前馈系数设置为0。2）点击启动，观察给定位移与实际响应位移曲线，记录其跟随误差；3）位置调节器增益设置为20，其他参数保持不变，点击启动，观察给定位移与实际响应位移曲线，记录其跟随误差；4）重复4，改变位置调节器增益，观察给定位移与实际响应位移曲线，记录其跟随误差；图6.1 位置环跟随误差与开环增益关系实验界面65 实验结论 通过实验可以看出，位置环开环增益Kh越大，系统的位置跟随误差越小，两者成反比关系。66 撰写实验报告7开环增益与系统稳定性之间关系的实验71 实验目的1）了解并掌握伺服系统开环增益与稳定性之间的关系；2）了解并掌握开环增益取值范围。72 实验原理对于非单位斜坡输入的位置指令信号，跟随误差和位置输入指令信号的变化率成正比，也就是和进给速度成正比。其中，v是位置输入斜坡信号的斜率，即进给速度。 可以看出，位置环增益Kp越高，系统的位置跟随误差越小。但是，由系统频率特性可知，系统的位置环截止频率也将随之提高，如果位置环的截止频率与速度环的截止频率相差不远，速度环在整个位置伺服系统中将不能被减化成一阶惯性环节，使系统阶数升高导致不稳定。为获得高的位置环增益，速度内环的增益（截止频率）就必须足够高。而根据控制系统设计理论，内环增益是与电力电子器件开关时间、系统负载、惯量和伺服电动机最大输出力矩等制约因素有关的量，这使得位置环增益不能随意提高。为了确保系统的稳定性和实现无振荡位置控制，位置调节器仅采用简单的比例调节器。具体结构可参看图 所示的动态结构图。当速度伺服单元以一阶系统近似时，位置闭环传递函数为：与二阶系统标准形比较得：当要求无超调时，Kh应选择为：式中，速度伺服单元的标称角频率，记为。数控机床进给伺服驱动位置伺服系统的设计实践表明，当仅驱动伺服电动机时，位置环增益可达到100500，但带上机械执行机构时，为了保证系统在负载或机械结构变动时能始终保持稳定，Kh值一般被设定在4050左右。若伺服电动机的输出力矩受电力电子器件安全工作电流限制时，位置环增益Kh可按下式设定：Kh=min 40，1/Tm式中，Tm伺服电动机驱动系统的电动机时间常数。式中，n为伺服电动机转速；为换算至电动机轴上的负载等效飞轮矩；为电动机转子飞轮矩；Mm为电动机转矩；ML为负载转矩。73 实验设备及仪器全数字伺服系统实验装置。74 实验步骤1） 点击位置环开环增益与稳定性关系实验界面，如图所示，速度环、电流环参数取默认值，即速度环Kp=0.15、Ki=0.05, 电流环Kp=0.9、Ki=0.1，位置给定设置为20000（4倍频后一转为4000个脉冲），位置调节器增益设置为10，最大进给速度设置为300r/min，进给加速度设置为10r/min/s2,前馈系数设置为0。图7.1 位置环开环增益与稳定性关系实验界面2）点击启动，观察电机是否运行平稳；3）位置调节器增益设置为20，其他参数保持不变，点击启动，观察电机运行是否平稳；4）重复4，增大位置调节器增益，观察电机运行是否平稳；75 实验结论 尽管开环增益增大，其跟随误差减小，两者成反比关系，但是开环增益过大会导致系统不稳定，对于数控机床，系统进给时更是不允许有超调，因此理论上。76 撰写实验报告8 开环增益与伺服刚度之间关系的实验81实验目的1）了解并掌握伺服刚度与开环增益之间的关系2) 了解伺服刚度与低速力矩性能的关系82 实验原理伺服刚度表达的是伺服系统抵抗负载外力，保持在原来静止位置上的能力。可以类比于弹簧的弹性系数来理解。伺服刚度取决于位置环的增益，也取决于速度伺服单元的低速力矩性能。伺服系统刚度应该与外负载连接形式一致，这样能较好地控制位置精度，比如电机与外负载通过滚珠丝杠连接，则系统刚度要求较大，电机与外负载通过皮带连接，则系统伺服刚度相对较小，另外大功率伺服电机在低速时，其伺服刚度比小功率电机伺服刚度大，主要是大功率电机低速时输出力矩比小功率电机大，本实验主要讨论开环增益对伺服刚度的影响。83 实验设备及仪器全数字伺服系统实验装置。84 实验步骤1）点击位置环开环增益与伺服关系实验界面，速度环、电流环参数取默认值，位置给定设置为20000（4倍频后一转为4000个脉冲），位置调节器增益设置为10，最大进给速度设置为300r/min，进给加速度设置为10r/min/s2,前馈系数设置为0。2）点击启动，等电机到达定位位置时，用手转动电机转轴，观察偏离定位位置的最大偏差；3) 位置调节器增益设置为20，其他参数保持不变，重复2），观察偏离定位位置的最大偏差；4）改变位置调节增益，重复3）。85 实验结论 伺服系统开环增益越大，其伺服刚度就越好，伺服刚度取决于电机与外负载的连接形式，负载刚度大，则要求伺服刚度也大，反之，从而保证位置控制精度。86 撰写实验报告9 前馈补偿与跟随误差之间关系的实验91实验目的1）了解并掌握前馈补偿与跟随误差之间的关系2）了解复合控制的结构及其作用92 实验原理采用简单比例控制的位置控制系统，可以很容易地获得稳定、无超调的位置控制和良好的定位精度，在机床进给伺服系统中得到广泛的应用。但由于它不可避免地存在稳态位置跟踪误差会对进给运动轨迹产生一定影响，从而引起加工误差