姓名：学号：课程名称：实验序号：实验日期：实验室名称：同组人：实验成绩：总成绩：教师评语：教师签字：年月日二角位置伺服系统频域特性测试与分析实验2.1实验目的熟悉直流伺服电动机角位置控制系统的组成及各环节工作原理，包括：电机参数、增量式码盘精度、机械负载惯量、信号采样频率、死区、控制方法等与角位置伺服系统控制性能指标的关系，针对该典型机电对象或系统，掌握输入信号的设置与离散方法，输出信号的采集与归一化方法，通过速度阶跃响应进行系统参数辨识，通过扫频法，测试系统的频域特性的相位特性和幅频特性曲线，分析系统的稳定性、快速性并掌握系统PID 控制的离散方法，主要目的是培养学生进行基本性能实验和综合设计实验的能力。

1、掌握各环节的设计方法；2、掌握机电系统基本调试方法；3、通过扫频法，绘出系统的对数频率特性曲线，从实验数据曲线上，分析系统的稳定性、稳定裕度、快速性、频带宽、校正环节的形式与基本离散化方法。

2.2 实验原理2.2.1 直流电动机角位置伺服系统组成直流电动机角位置伺服系统，由直流减速电机、膜片联轴器、磁滞制动器、增量式空心轴码盘组成的角位置反馈闭环系统。

码盘感知的角位置信号通过采集卡的I/O 传给计算机，由计算机的控制模型计算输出位置信号，通过采集卡的DA、驱动电路，使直流电动机转动，组成的计算机控制的角位置伺服系统示意图如图2.2.2.2.2 电动机及其驱动电路直流减速电动机采用惠城区日松菱五金电气商行的 Z2D15-24GN，电动机额定电压24V，额定电流1A，额定转速60rpm，额定转矩2.4Nm，减速比为50。

直流减速电动机的电枢接驱动电路板，当电动机的电枢电压从1.8v 升高至7.5v 时，电机转速从4.763671875 度/秒（约0.79rpm）升高至243.28125 度/秒（约40.5rpm），而且呈线性关系y = 42.797* x − 77.48，式中x 为给定电压（伏），y为电机正转转速（度/秒），死区电压0 ∼1.81伏，线性相关系数为 1，用码盘测得电动机正转转速与电枢电压的关系如图2.5直流电动机的电枢接驱动电路板，当电动机的电枢电压从0.7v减小至-4.7v 时，电机转速从12.19921875 度/秒(约2rpm)升高至244.9863281 度/ 秒（约40.1rpm ），而且呈线性关系y = 42.436* x − 45.277，式中 x 为给定电压（伏），y 为电机反转转速（度/秒），死区电压0 ∼1.067伏，线性相关系数为 1，用码盘测得电动机反转转速与电枢电压的关系如图2.6。

2.2.3 输入信号实验采用扫频方法获得实验系统的幅频特性和相频特性，系统输入为电机电枢电压V =V0 cosωt，式中，ω为输入信号的角频率，由图 2.5 和图 2.6知，电动机转速与电枢控制电压成线性关系，故其对应的电机的角速度余弦，如图2.12(a)，电机的角位置正弦0 A = A sinωt，如图 2.12(b)。

考虑正反转死区电压以及转速和电压的线性度，电压幅值 0 V 推荐范围为2.5V～6V，余弦电枢电压的频率ω推荐范围为0.1Hz ∼ 12Hz，其中输入的余弦电枢电压每个周期被离散为100 个点，点击“启动”，生成 c:\testdata\inputfile (*Hz-*V).txt 文件，文件中共保存2 个周期的离散点，共200 个数据点，第一列为离散点时刻，第二列为离散后该时刻的电压值。

2.2.4 参数设置当完成输入信号设置，即电动机余弦电枢电压的幅值和频率设置，需要在系 统主界面进行电机角位置采样周期的设置（系统默认为1ms ），其中采样周期的 选择，必须满足采样定理。

参数设置完成后，点击“启动”，电机角度自动由码 盘采集，并生成数据文件c:\testdata\outputdata(*Hz-*V).txt ，点击“暂停”，数据 记录结束。

2.2.5 输出信号对于线性系统，系统输入正弦信号，输出一定是正弦信号，输入/输出如图 2.16。

如图 2.16(b)，当输入位置信号角频率c ωω<时(c ω为穿越零分贝线的角频率，即开环剪切频率），输出位置正弦信号的幅值010B V > ，即在对数幅频特性曲线零分贝线之上；反之，如图2.16(c)，当输入位置正弦角频率c ωω> 时，输出位置正弦信号的幅值020B V > ，即在对数幅频特性曲线零分贝线之下。

同理可知，当输入位置正弦角频率c ωω=时，输出位置正弦信号的幅值等于输入信号幅值。

值得注意的是，无论输入位置正弦角频率ω 是多少，输出信号相对输入信号都存在时间的滞后0201t t t ∆=-，对应的滞后相角360t γω=∆⨯⨯。

针对图 2.1 所示角位置伺服系统，输出角位置信号由码盘直接检测，输出曲线如图2.16（d ）和（e ），分别为输出信号曲线发生零点漂移和无零点漂移两种情况。

根据在如图2.13（a ）控制系统主界面中输入的采样周期，并且自动生成c:\testdata\inputdata(*Hz-*V).txt 文件，文件的第一列为采样时刻，第二列为在该采样时刻由码盘检测得到的角度值。

c:\testdata\inputdata(*Hz-*V).txt 文件，文件的第一列为采样时刻，第二列为在该采样时刻由码盘检测得到的角度值。

2.2.6 数据处理在每个频率和输入电枢电压下得到一组输入和输出文inputdata.txt,outputdata.txt ，将数据文件分别保存。

系统界面如图2.13(a)，单击“启动/暂停”，数据记录结束，保存为输出文件outputdata.txt ，第一列为离散点时刻(秒)，第二列为离散后该时刻的角度。

5Hz6V 输入数据如图2.15。

不同频率ω 的输入电枢电压幅值V0 和输出角位置幅值B 关系可以列入表2.1，其中推荐使用信号频率ω 值范围为0.1Hz ∼12Hz ，根据实测数据画出020BlgV 与ω的曲线，即为对数特性曲线中的幅频特性曲线。

输出信号的滞后时间 02 t 根据码盘读出，输出信号相对于输入信号-的时间滞后为011t t t ∆=-秒或者021t t t ∆=-，输出信号相对于输入信号滞后的角度为(0)360t γω=∆⨯⨯，其中不同频率的输出信号滞后输入信号的角度和频率的关系可列入表2.2，画出γ与ω的曲线，即为对数特性曲线中的相频特性曲线。

2.3 绘制同一频率输入/输出信号的时域曲线2.4 绘出系统已知频率点的幅值和相角，用折线作为渐近线逼近幅频特性曲线，给出开环剪切频率 。

开环剪切频率Hz c91.5=ω2.5给出系统的开环增益 K 和系统开环传递函数，各惯性环节的时间常数。

系统的开环增益19.7=K ,转折点处Hz 78.4=ω，系统的开环传递函数为)178.41(19.7)(+=s s s G ,惯性环节的时间常数209.078.41==T 2.6给出控制系统的 simulink 实现图，通过改变开环增益K ，用示波器观察系统输出。

K=2 K=4K=6 K=7.19K=10 K=122.7 思考题1. 电动机选择的依据是什么？械对电机的机械特性、起动性能、调速性能、制动方法、过载能力等方面的要求。

选择电机的翻定功率时，应使所选的电机额定功率等于或稍微大于生产机械所需要的功率，既不能过载，也不能长期轻载。

2. 系统输入余弦电枢电压的幅值和系统参数辨识精度是否有关？为什么？系统输入余弦电枢电压的幅值和系统参数辨识精度无关。

由最后得出的Bode 图得出参数，Bode 图幅频特性曲线为)/lg(200V B 与 关系，幅值变化位置幅度也变化，但比值不变。

因为系统参数辨识精度是系统本身的特性，和输入信号无关，即系统组成器件不发生改变，系统参数辨识精度就不会改变。

3. 采样频率的高低对系统参数辨识精度有何影响？率越高就要求系统的辨识精度越好，采样频率越低低，导致系统参数辨识精度较低，采样频率若高，系统参数辨识精度就会高。

4. 分析输出信号的时域曲线零点漂移的原因。

由于传感器桥路中元件参数本身就不对称，弹性元件和电阻应变计和取感栅材料温度系数，线胀系数不同，组桥引线长度不一致等综合因素，最后导致传感器组成电桥后相邻臂总体温度系数有一定差异，当温度变化时，相邻臂电阻变化量不同，从而使电桥产生输出不平衡，即产生了零点漂移。

5. 分析电机转速和电枢电压之间产生死区的原因？死区如何影响系统的控制性能？在运动控制中如何减小死区的影响？（1）启动和反转时，电机由于惯性，不能对输入信号及时反映，而且电机和零件之间有间隙，也会对死区影响；（2）电压小于死区电压时不能启动，导致系统灵敏度降低系统控制性能降低；（3）减少电压增大的时间，进而减小死区时间，高电机参数，减小各零件的误差。

6. 分析电机的正反转转速与电压的线性系数不同的原因以及如何提高系统辨识精度？（1）原因：由于电机正反转转变时，电机的三相电路要对调两相，在实际中，难以保证电源的三相完全相同。

（2）提高采样频率，调整各相输入电压。

7. 满足相角滞后10°时的频带宽是多少？满足幅值衰减10%的频带宽是多少？同时满足相角滞后10°和幅值衰减10%的频带宽是多少？满足相角滞后10°时的频带宽是2.2Hz，满足幅值衰减10%的频带宽是3.35Hz，同时满足相角滞后和幅值衰减10%的频带宽是1.5Hz。

8. 在绘制对数频率特性图时，为什么将余弦电枢电压幅值作为输入信号，将由码盘检测的角位置信号作为输出信号？并分析输入信号为角位置信号时，对数频率特性的变化。

如何计算输入角位置信号的大小？输入余弦电枢电压幅值是为了获得角速度输入信号，以为码盘检测的是角位置信号，而输入信号经过系统所得到的输出信号为角位置信号，所以用码盘检测得到的角位置信号作为输出信号符合要求。

9. 简述本实验涵盖的基本知识点，以及你建议可扩展实验内容。

（1）角位置伺服系统原理，Bode图幅频特性，相频特性，系统的稳定裕度，相角裕度，频带宽；（2）扩展内容：让学生动手设计搭接多种反馈电路，通过亲身对电路各部分的分析，加深理解。