智能机器人与运动控制-第12讲-电机模型辨识实验

智能机器人与运动控制12.电机模型辨识实验实验套件简介实验套件硬件组成实验套件由运动控制实验底板、运动控制核心板、运动控制功放板、直流有刷电机及其编码器组成；套件配有DC连接线；套件使用时需用USB转Type-C线与PC连接。实验套件硬件框图实验套件硬件组成1运动控制核心板运动控制功放板运动控制实验底板运动控制核心板：搭载STM32F429VET6芯片，负责运行数据采集、电机控制及串口通信等功能；运动控制功放板：用于放大核心板的电机控制信号功率，以驱动电机；运动控制实验底板：作为套件底座，将核心板与功放板连接为整体；搭载电流、电压传感器，将采集到的电机电枢电流与电压以模拟信号形式发送至核心板。实验套件电路板连接核心板与功放板背面排针印有“X2”与“X5”丝印，与底板插座位置对应。实验套件硬件组成2电机：空心杯直流有刷，待辨识与待控制对象，额定电压为12V；编码器：增量式，分辨率300脉冲/转，输出两路正交脉冲信号（A相与B相），支持四倍频；旋转质量块：安装于电机输出轴、增加电机转动惯量；实验套件搭载的直流电机存在多款型号，各项参数均有所差异，因此后续实验中给出的辨识结果及控制参数仅供参考。实验套件硬件组成3须配备一台Windows系统的PC机，用于编写运动控制与辨识程序；PC机通过USB转Type-C线缆与套件的串口连接、通信；辨识实验时，PC机收集实验套件采集的电机运行数据；控制实验时，PC机向实验套件发送电机控制指令，完成电机的运动控制。实验套件硬件架构传感器表示：电流/电压传感器连接方式相似，图中合并为单一模块；信号适配：传感器输出（0–5V）经5V转3.3V稳压模块降压后接入核心板模拟量输入接口，避免CPU过压；接地要求：编码器、传感器、稳压模块及核心板CPU共地，确保检测准确性。实验套件接口简介1上图包含实验套件的电气接口与通信接口。实验套件与PC的通信通过串口A实现，该串口已封装为Type-C形式。核心板上方四根引脚用于程序烧录，与SWD烧录器连接，烧录程序至核心板STM32芯片中。下方三根引脚为串口B，输出信号为TTL协议形式。实验套件接口简介2运动控制核心板SWD烧录器实验套件-PC机软件软件MotionCtrlSys，可执行文件运行于PC（上位机），与实验套件之间通过串口A通信；软件通过可视化界面展示电机数据、控制电机转动并保存必要数据。实验套件-下位机核心板程序下位机核心板程序在PC上编写，烧录到并运行于核心板STM32芯片（下位机）中；包含电机模型辨识和电机位置、速度控制等程序，并与PC机软件通过串口进行通信。实验套件-MATLAB程序MATLAB程序根据采集的电机运行数据进行电机模型辨识；在辨识结果基础上，计算下位机核心板控制程序所需的控制参数。文件名说明Ce_R_identification.m辨识电机和参数J_identification.m辨识电机参数motor_model.m电机状态空间灰箱模型input_output_identification.m使用电机状态空间灰箱模型辨识电机其他参数positon_control.m利用电机模型辨识结果，计算电机位置控制所需参数speed_control.m利用电机模型辨识结果，计算电机速度控制所需参数电机模型辨识实验实验简介

下位机控制框图进行电机模型辨识实验时，系统对电机进行开环控制；PC机发送电机目标电压，套件采集电机实时数据，并通过串口发回PC机；在PC机进行离线辨识，辨识得到的电机参数用于计算电机控制参数。

确保套件各接口（电机、编码器、电源、PC机串口）已正确连接；运行PC机软件“MotionCtrlSys”，选择串口编号，设置波特率为115200，点击“连接串口”按钮。连接成功后，界面右上角显示当前电机运行的实时数据，界面右下角显示软件运行日志；

数据保存格式选择“CSV”，并设置保存路径；点击“手动控制”标签页，点击“开始”按钮，此时程序可以向实验板发送目标PWM信号占空比，通过滑动滑块调节，调节范围是-100%到100%；点击“+5%”按钮，将滑块移动到5%，此时观察电机是否开始旋转，若没有旋转，可再调整至10%；

待电机稳定运行（即电机的转速、电压变化≤5%）2-3s时间，点击“停止”按钮，电机停止旋转，滑块归“0”位，实验数据保存完成；重复实验步骤(5)~(6)，每次将滑块位置相较上一次增加5%，直至100%并结束实验；

在最后一次实验，即滑块达到100%时，待电机稳定运行2-3s后，按下套件盖版上的船型开关，使之处于断开状态（“O”一侧压下）。此开关用于控制功放板向电机供电线路的通断。

使用Excel软件依次打开保存的csv文件，筛选出稳态运行数据（电压与转速变化≤5%），如右图红框内；

利用Excel的AVERAGE函数计算稳态运行数据的平均值，将各稳态运行平均数据保存至单独文件，如右图；平均转速、平均电流和平均电压的数据走势大致如下图所示；

打开实验数据记录中最后一组，即PWM占空比为100%的实验数据记录，选取其中按下电机电源开关后、电机逐渐停止旋转部分的数据，即惯性旋转数据，保存至单独文件；

确保套件各接口（电机、编码器、电源、PC机串口）已正确连接；运行PC机软件“MotionCtrlSys”，设置串口号并完成串口连接，设置实验数据保存路径；

修改界面上的“测试电压”，将其设为12V；点击界面“开始自动测试”按钮，程序将自动控制电机在±12V之间反复切换，每次切换持续2-4s的随机时间；在切换10次后，点击界面“停止测试”按钮，完成数据保存。

观察实验数据，可看到，每当电机旋转方向发生改变时，电机电流就会急剧上升，这是电机在克服惯性做功的正常表现