三相正弦波永磁同步电机实验

永磁同步电机实验指导书目录1．三相永磁同步电机交流伺服装置 (3)2．安川交流伺服驱动常用实验参数 (6)3．安川伺服驱动器sigma软件的使用 (7)4．JOG方式实验 (11)5．转矩与速度关系的实验 (13)6．PI参数对电机运动特性影响的实验 (16)7．运动控制卡软件操作实验 (19)8．电子齿轮实验 (20)9．开环增益与跟随误差之间关系的实验 (22)10．进给速度与跟随误差之间关系的实验 (24)11．前馈补偿与跟随误差之间关系的实验 (28)三相永磁同步电机交流伺服实验装置1 实验装置结构三相永磁同步电机交流伺服系统的结构图如图1-1,。

图1-1 三相永磁同步电机实验装置结构图2 交流伺服电机型号安川交流伺服电机型号为：SGMGH-09ACA61，SGMGH后面第一+第二位“09”的意思是额定输出功率为0.85KW；第三位“A”的意思电压为200V；第四位“C”的意思是17位增量式编码器；第五位“A”的意思是标准规格；第六位“6”是轴端规格为平直、带键，带螺纹孔；第七位“1”的意思是不带制动器。

3 伺服电机与驱动器的接口及配线4 驱动器IO口图1-3 驱动器IO口介绍安川交流伺服驱动常用实验参数安川伺服驱动器sigma软件的使用1．计算机开始菜单，点击SigmaWin+English Edition菜单，打开如图2-1，Connect 窗口。

图2-1 Connect窗口2．选择图2-1中Axis NO. 下面的“0”，再点击Connect按钮，这样Sigma 软件就跟驱动器通过串口连接起来。

图2-2 Sigma Win 窗口3．打开图2-2 SigmaWin 窗口中的Parameters(U)菜单，双击Edit Parameters(U)菜单，出现图2-3，读入伺服驱动器参数。

等伺服启动器参数传送完后，就出现如图2-4，Pn参数编辑窗口。

修改参数后，通过图2-4中的Write按钮写进伺服驱动器，并给启动器重先上电，这样新写进去的参数才能有效。

图2-3读入伺服驱动器参数窗口图2-4 Pn参数编辑窗口4．打开图2-2中Trace&Tuning菜单，双击Trace(T)菜单，就出现了如图2-5，Trace Axis 窗口。

图2-5 Trace Axis5．点击图2-5中SETUP按钮，进入如图2-6 ，Trace Seting窗口。

图2-6窗体主要是采集伺服电机的运动特征参数，Data1和Data2可以设定需要采集的数据种类。

如速度环的转矩和实际速度，或者位置环的位置误差等。

Sampling Time 是采集数据的时间，我们一般设定为2500 毫秒，也就是2.5秒。

图2-6 Trace Seting6．点击如图2-5中的START按钮，就可以进行数据采集了，在点击START按钮的同时，我们让伺服点击启动两次，在2.5秒内我们就可以获得两次启动停止的曲线。

图2-7是2.5秒数据采集过程。

图2-8 是采集好了以后的数据传送过程。

图2-7 数据采集过程图2-8 数据传送过程7．图2-9 是伺服电机启动过程的数据显示。

8、．点击如图2-5中的TestRun菜单，双击Jog(J)菜单，出现2-10窗口，JOG 方式的实验。

图2-10 JOG 方式永磁同步电机速度控制实验1 JOG方式实验1.1实验目的1) 了解并掌握交流伺服电机JOG方式的设定；2) 了解并掌握JOG功能的使用。

1.2实验仪器全数字伺服系统实验装置1.3实验步骤1) 按下DSPL/SET键(MODE/SET键)，进入辅助功能执行模式Fn000。

2) 按下UP键或DOWN键，设定Fn002，直到可操作位闪烁为止。

3) 按下DATA/ENTER键(DATA/SHIFT键1秒以上)，出现“-..JOG”字样，就进入了运行模式，在此状态下，可用操作器进行运行。

4) 按下SVON键(MODE/SET键)，进入伺服ON(伺服电机通电)状态。

5) 按下UP键，电机正转，按下DOWN键，伺服电机反转。

在按键期间，伺服电机转动。

JOG速度的设定是在参数Pn304中设定，出厂是设定500。

6) 按下DSPL/SET键(MODE/SET键)，进入伺服OFF(伺服电机非通电)状态，即使按下SVON键(即使按下DATA/SHIFT键1秒以上)，也可以进行伺服OFF。

7) 持续按下DATA/SHIFT键1秒以上，返回辅助执行功能模式的Fn002的显示。

2 转矩与速度关系的实验 2．1实验目的1） 掌握永磁同步电机速度控制的实验方法 2） 掌握永磁同步电机速度控制中转矩与速度的关系 3） 掌握永磁同步电机加速时转速与电流变化关系2．2实验原理由于启动过程转矩与电流成正比，我们就讨论速度与电流的关系。

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*nU 由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如图2-1所示。

由于在起动过程中转速调节器ASR 经历了不饱和、图2-1 双闭环调速系统起动过程的转速和电流波形第Ⅰ阶段（0～t 1）：是电流的上升阶段。

突加给定电压*n U 后，通过两个调节器的控制作用，使U ct 、U do 、I d 都上升，当I d ≥I dL 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n n n U U U -=∆*数值较大，输出很快达到限幅值*im U ，强迫电流I d 迅速上升。

当I d ≈I dm 时，i U ≈*imU ，电流调节器的作用使I d 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Ⅱ阶段（t 1～t 2）：是恒流升速阶段。

从电流上升到最大值I dm 开始，到转速升到给定值n *（即静特性上的n 0）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*im U 作用下的电流调节系统，从而基本上保持电流I d 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，U do 和U ct 也就必须基本上按照线性增长，才能保持I d 恒定。

由nn *I I I dL 2 3 4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i im i U U U -=∆*必须维持恒定，也就是说，I d 应略低于I dm 。

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U dom 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Ⅲ阶段（t 2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*im U ，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*i U 立即从限幅值降下来，主电流I d 也下降。

但是，由于I d 仍大于负载电流I dL ，在一段时间内，转速仍继续上升。

到I d ＝I dL时，转矩T e ＝T L ，则0/=dt dn ，转速n 达到峰值（t ＝t 3时）。

此后，电动机才开始在负载的阻力下减速，与此相应，电流I d 也出现一段小于I dL 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I d 尽快地跟随ASR 的输出量*i U ，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。

2．3 实验设备及仪器全数字伺服系统实验装置2．4 实验步骤a) 伺服电机与驱动器的型号、接线以及控制接口。

b) 打开计算机，启动驱动器电源，打开安川伺服驱动串口通信软件(SisMa 软件)，在软件中点击search 按钮找到驱动器的编号：SGDM-10ADA ，在点击connect 按钮，这样SigMa 软件和交流伺服驱动器就连上了。

c) Sigma 软件里我们可以点击parameters 菜单，再点击edit parameters 菜单，选择Pn000参数的第一位设成“0”，为速度控制，这时候点击开始菜单，在所有程序里找到MPC08，在MPC08菜单中找到VBDemo2双击打开，点击常速，设定速度和位移，点击确定。

然后进入SigMa 软件中点击tarce&turning 菜单下的trace 单，进入setup 窗口，在data1和data2选择需要跟踪的信号，我们选择data1为Torque Reference 信号，data2为Feedbak Speed 信号，在右边的Sampline time 为250*10ms ，然后点击Start 按钮，在采集信号的时候，实现伺服电机的两次启动，等信号传到软件中，我们可以进行分析。

d) SigMa 软件里设定速度环增益Pn100为：40，速度环积分时间常熟Pn101为2000，得到如图2-2所示曲线。

图 2-2 速度与转矩关系2．5 实验结论根据电机起动时，记录的速度转矩响应曲线，较好的验证了速度与转矩的关系。

在启动加速时，转矩也有越来越大，当速度到达稳定时，转矩渐渐变为零。

在启动过程中电流与转矩成正比。

2．6 撰写实验报告3 PI 参数对电机运动特性影响的实验 3．1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。

3．2 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，n 0(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，图4.1 闭环调速系统结构框图PID 控制规律可以表示为dtt de K dt t e K t e K t u dtI P )()()()(0++=⎰ ])()(1)([0dtt de T dt t e T t e K DtIP ++=⎰上式中，K P 为比例系数，K I 为积分系数，T I 为积分时间常数，K d 为微分系数，T d 为微分时间常数。