计算机控制技术实验指导书2015版
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计算机控制技术实验指导书2015版
实验⼀直流电动机建模及仿真实验 (1)1实验⽬的 (1)
2实验设备 (1)
3实验原理及实验要求 (2)
3.1实验原理 (2)
3.2实验要求 (3)
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 (6)1实验⽬的 (6)
2实验设备 (6)
3实验原理及实验要求 (6)
3.1实验原理 (6)
3.2实验要求 (8)
实验三步进电机控制实验 (9)1、实验⽬的 (9)
2、实验仪器与设备 (9)
3、实验内容 (9)
4、实验原理 (10)
5、实验步骤 (11)
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：ADM Athlon(tm) II X2 245，2.91GHz，1.75GB内存，250GB硬盘；（2）⼯具软件：操作系统：Windows 7；软件⼯具：MATLAB2008a3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：a di
u E iRa La
dt
-=+ (1) 其中，a u 是加到电机两端的电压；
E 是电机反电势；
i 是电枢电流； Ra 是电枢回路总电阻； La 是电枢回路总电感；
l La
T Ra
=
称为电枢回路电磁时间常数。 并且反电动势E 与电机⾓速度m ω成正⽐：e m e m E k k ωθ== (2)
其中，e k 称为反电势系数；m θ为电机轴的转⾓。
对于电机⽽⾔,其转动轴上的⼒矩⽅程为：m l m m m m k i M J J ωθ-== (3)
其中，m k 是电机的⼒矩系数；l M 是负载⼒矩；
m J 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：()()(()())
()()
()()l e m m l m m Ua s E s Ra I s T I s s E s k s k I s M J s s
θθ-=+??
=??
-=? (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：
1/1+s T Ra l m
k s
J
m
1
s
1e
k l
M I
m
θUa
+-E
-+
m
θ 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a u 到转速m θ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 0.27 N.m/A 反电势系数ke 55.3V/(rad/s) 0.42 V/(rad/s) 电机转动惯量J 0.5Kg .m 20.0005 Kg .m 2
电枢部分
表2 电机A 调速特性表
序
电压（V ） 转速（rad/s ）
转速（rad/s ）
转速（rad/s ）
号（空载）（负载⼒矩M f =500Nm）（负载⼒矩M f = 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：ADM Athlon(tm) II X2 245，2.91GHz ，1.75GB 内存，250GB 硬盘； （2）⼯具软件：操作系统：Windows 7；软件⼯具：MATLAB2008a3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。
m
J
a
U a
I m
θ L
θL
J +
-
a
J 12
k a
L a
R
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:a a
a e m di
i R L u K dt
θ+=- （1） m m T i k = （2）
12..
()m m m m m m L J T D k θθθθ=--- （3）
负载：..
L L mL L L J T D θθ=- （4） 12()0m L mL k T θθ--= （5）
其中,m θ和L θ分别表⽰电动机转⼦和负载的转⾓；i 、
a U 、a L 和a R 分别表⽰电动机电枢电流,电枢电压,电枢电感和电枢电阻； m J 、L J 分别为电动机转⼦和负载的转动惯量； mL T 表⽰电机的负载⼒矩；
m K 和e K 分别表⽰电机的电磁⼒矩系数和反电势系数； 12K 表⽰轴的刚度系数；
L D 和m D 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。L
θa
a m
R s L k +e
k a U +
+
-
m
m D s J +1s
112
k L
L D s J +1s
1m T mL
T m
θ-+
-
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a u 到m θ的传递函数模型，并求其
频率特性。
（2）求出从m θ到L θ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a u 到L θ）。 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La21mH
⼒矩系数k m46.32N.m/A
反电势系数k e55.3V/(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J L25 Kg.m2折合到转动轴上D L+Dm 270Nm/(rad/s)
轴刚度k1232000Nm/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keil C51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.keil C51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。
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。
B
C
I
A
I B
I C
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：
m
Z r 360?=
θ
θ —步距⾓ Z r —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
