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实验类型

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第 2 章 运动控制基础实验

第2章 运动控制基础实验
本实验的目的是让实验者熟悉角度编码器的基本原理,掌握利用计算机和运 动控制卡对编码器进行数据采集的方法,以及利用计算机对电机进行控制的基本 原理和方法,了解机电一体化的两个重要内容:传感技术和运动控制技术。以便 顺利的完成倒立摆的各项实验。

2.1 编码器原理及使用实验
2.1.1 编码器原理
旋转编码器是一种角位移传感器,它分为光电式、接触式和电磁感应式三种, 其中光电式脉冲编码器是闭环控制系统中最常用的位置传感器。

图 2-1 光电编码器原理示意图

旋转编码器有增量编码器和绝对编码器两种,图 2-1 为光电式增量编码器示 意图,它由发光元件、光电码盘、光敏元件和信号处理电路组成。当码盘随工作 轴一起转动时,光源透过光电码盘上的光栏板形成忽明忽暗的光信号,光敏元件 把光信号转换成电信号,然后通过信号处理电路的整形、放大、分频、记数、译 码后输出。为了测量出转向,使光栏板的两个狭缝比码盘两个狭缝距离小 1/4 节 距,这样两个光敏元件的输出信号就相差π /2 相位,将输出信号送入鉴向电路, 即可判断码盘的旋转方向。 光电式增量编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度α (分辨角、分 辨率),而这与码盘圆周内所分狭缝的线数有关。 360?? ???? n 其中 n——编码器线数。 由于光电式脉冲编码盘每转过一个分辨角就发出一个脉冲信号,因此,根据 脉冲数目可得出工作轴的回转角度,由传动比换算出直线位移距离;根据脉冲频 率可得工作轴的转速;根据光栏板上两条狭缝中信号的相位先后,可判断光电码 盘的正、反转。 ?Googol 2005
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绝对编码器通过与位数相对应的发光二极管和光敏二极管对输出的二进制 码来检测旋转角度。 与增量编码器原理相同,用于测量直线位移的传感器是光栅尺。 由于光电编码器输出的检测信号是数字信号,因此可以直接进入计算机进行 处理,不需放大和转换等过程,使用非常方便,因此应用越来越广泛。

2.1.2 角度换算
对于线数为 n 的编码器,设信号采集卡倍频数为 m ,则有角度换算关系为: ???? 式中 2?? 3.14 nm N (弧度) 或????? 360??? N (度) nm

? ——为编码器轴转角;

N ——编码器读数 对于电机编码器,在倒立摆使用中需要把编码器读数转化为小车的水平位 置,以下转换关系: l??? 3.14????? N nm 式中 l ——小车位移; ? ——同步带轮直径

2.1.3 编码器使用实验
本实验对象为倒立摆系统上的光电式旋转编码器,在充分理解以上实验原理 的基础上进行下列实验。 实验一 摆杆角度检测实验 按以下实验步骤完成在 MATLAB 下的摆杆角度检测实验,注意,在使用之 前请仔细阅读倒立摆的相关使用手册和熟悉 MATLAB 部分知识,确定 MATLAB 已经安装好实时控制工具箱和 VC 编译环境(参见《固高 MATLAB 实时控制软 件用户手册》)。 1) 打开 MATLAB 以及 Simulink 环境:

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图 2-2 MATLAB Simulink 环境

2) 在窗口的左上角点击“ ”建立一个新窗口:

3) 在 Simulink 窗口中,打开“Googol Education ProductsGT-400-SV Block Library”如下图所示:

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4) 在“Get Current Axis’s Position”上点击鼠标左键并将模块拉到(以下 简称为“拉”)刚才新建的窗口“untitled”中:

5) 双击“GetPos”模块,打开如下窗口,并选择轴号为“2”,即第一级摆 杆连接的编码器,此编码器固定于小车上。

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选择轴号

6) 从“SimulinkSinks”中拉一个“Scope”到“untitled”窗口中:

7) 连接两个模块(移动鼠标到“<“上,鼠标箭头变成“+”,按下鼠标 左键并移动到“>”上,松开鼠标):

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8) 在“Googol Education ProductsGT-400-SV Block Library”中拉一个 “GT400-SV Initialization”模块到窗口中: Here

9) 选择上图中上方的“Normal”为“External”: 10) 将 文 件 保 存 为 “ EncoderTest ”, 点 击 菜 单 “ SimulationSimulation Parameters”设置参数:

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修改“Simulation time”和“Solver options”如上图所示,其中仿真时 间“inf”表示无穷长,步长设置为 0.005s。 点击“Real-Time Workshop”打开如下所示窗口:

11) 点击“Browse”修改设置为”Real-Time Windows Target”

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12) 点击“OK”如下图所示:

13) 点击“ ”编译程序,在 Command 窗口中会有编译信息显示:

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14) 打开电控箱电源; 15) 点击“ ”连接程序; 16) 点击“ ”运行程序; 17) 双击“Scope”模块观察数据:

18) 手动逆时针转动摆杆一圈,观察显示结果,在数据超出显示范围时, 点击“ ”进行缩放。

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从图中可以看出,编码器读数为 2400,等于编码器的线数(600)的四倍 (板卡 4 倍频),顺时针或逆时针转动摆杆,观察读数和摆杆实际角度。 19) 记录实验结果,分析实验数据并完成实验报告。 备注:具体模型请参见 EncoderTest.mdl,其路径如下: “matlabroottoolboxGoogolTechInvertedPendulum”,也可以在 Simulink 环境中 打开模型: 进入 MATLAB Simulink 实时控制工具箱“Googol Education Products”打开 “Inverted PendulumBasic Experiments”中的“Encoder Test Experiment”如下图 所示:

系统模型如下:

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2.2 Matlab Simulink 环境下电机控制实现
本实验对象为倒立摆系统上的交流伺服电机。将运动控制器当前轴设定成速 度控制模式,用户需要设定最大速度和加速度两个参数。在该模式下,开始运动 时将以设定的加速度连续加速到设定的最大速度,运动方向由速度的符号确定, 即正速度产生正向运动,而负速度产生负向运动。在运动过程中,这两个运动参 数可以随时修改。 实验步骤如下: 1) 打开 MATLAB/Simulink 仿真环境;

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