步进电动机交流伺服电动机实验讲诉.docx
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步进电动机交流伺服电动机实验讲诉
实验一步进电动机
步进电动机又称脉冲电机，是数字控制系统中的一种重要的执行元件，它是将脉冲信号变换成转角或转速的执行电动机，其角位移量与输入电脉冲数成正比。
在负载能力范围内，这些关系将不受电源电压、负载、环境、温度等因素的影响，还可在很宽的范围内实现调速、快速启动、制动和反转。
随着数字技术和电子计算机的发展，使步进电动机的控制更加简便、灵活和智能化。
现已广泛用于各种数控机床、绘图机、自动化仪表、计算及外设，数、模变换等数学控制系统中作为元件。
一、使用说明
D54步进电动机实验装置由步进电机智能控制箱和实验装置两部分构成。
（一）步进电机智能控制箱
本控制箱用以控制步进电机的各种运行方式，它的控制功能是由单片机来实现的。
通过键盘的操作和不同的显示方式来确定步进电机的运行情况。
本控制箱可适用于三相、四相、五相步进电动机各种运行方式的控制。
因实验装置又提供三相反应式步进电机，故控制箱只提供三相步进电动机的驱动电源，面板上也只装有三相步进电动机的绕组接口。
1、面板示意图（见实验台）
2、技术指标
功能：
能实现单步运行、连续运行和预置数运行；能实现单拍、双拍及电机的可逆运行。
电脉冲频率：
50Hz~1KHz
工作条件：
供电电源AC220V±10%，50Hz
环境温度-5℃~40℃
相对湿度≥80%
重量：
6Kg
尺寸：
390×200×230mm3
3、使用说明
（1）开启电源开关，面板上的三位数字频率计将显示“000”；由六位LED数码管组成的步进电机运行状态显示器自动进入“9999→8888→7777→6666→5555→4444→3333→2222→1111→0000”动态自检过称，而后停显在系统的初态“╣.3”。
（2）控制键盘功能说明
设置键：
手动单步运方式和连续运行方式的选择。
拍数键：
单三拍、双三拍、三相六拍等运行方式的选择。
相数键：
电机相数（三相、四相、五相）的选择。
转向键：
电机正、反转选择。
数位键：
预置步数的数据位设置。
数据健：
预置步数位的数据位设置。
执行键：
执行当前运行状态。
复位键：
由于意外原因导致系统死机时可按此键，经动态自检过程后返回系统初态。
（3）控制系统试运行
暂不接步进电机绕组，开启电源进入系统初态后，即可进入运行操作。
1）单步操作运行：
每按一次“执行键”，完成一拍的运行，若连续按执行键，状态显示器的末位将依次循环显示“B→C→A→B………”；由五只LED发光二极管组成的绕组通电状态指示器B、C、A、将依次循环点亮，以示电脉冲分配规律。
2）连续运行：
按设置键，状态显示器显示“╣3000”，称此状态为连续运行状态。
此时，可分别操作“拍数”、“转向”和“相数”三个键，以确定步进电机当前所需运行方式。
最后按“执行”键，即可实现连续运行。
三个键具体操作如下（注：
在状态显示器显示“╣3000”状态下操作）：
a、按“拍数”键：
状态显示首位数码管显示“╣”、“］”、“”之间切换，分别表示三相单拍、三相六拍和三相双三拍运行方式。
b、按“相数”键：
状态显示器的第二位，在“3、4、5”之间切换，分别表示为三相、四相、五相步进电机运行。
c、按“转向”键：
状态显示器的首位在“╣”与“┠”之间切换，“╣”表示正转，“┠”表示反转。
3）预置数运行：
设定“拍数”、“转向”和“拍数”后，可进行预置数设定，其步骤如下：
a、操作“数位”键，可使状态显示器逐位显示“0”，出现小数点的位即为选中位。
b、操作“数据”键，写入该位所需的数字。
c、根据所需的总步数，分别操作“数位”键和“数据”键，将总步数的各位写入显示器的相应位。
至此，预置数设定操作结束。
d、按“执行”键，状态显示器做自动减1运算，直减至0后，自动返回连续运行的初态。
4）步进电机转速的调节与电脉冲频率显示
调节面板上的“速度调节”电位器旋钮，即可改变电脉冲的频率，从而改变了步进电机的转速。
同时，由频率器显示出输入序列脉冲的频率。
5）脉冲波形观测
在面板上设有序列脉冲和步进电机三相绕组驱动电源的脉冲波形观测点，分别将各观测点接到示波器的输入端，即可观测到相应的脉冲波形。
经控制系统试运行无误后，即可接入步进电机的实验装置，以完成实验指导书所规定的各项内容。
（二）BSZ—1型步进电机实验装置
该装置系统由步进电机、刻度盘、指针以及弹簧测力钜机构组成。
1、步进电动机技术数据
型号：
70BF10C
相数：
三相
每相绕组电阻：
1.2Ω
每相静态电流：
3A
直流励磁电压：
24V
最大静电矩：
6Kgf.cm
2、装置结构
（1）本装置已将步进电动机紧固在实验架上，步进电动机的绕组已按星行（“Y“行）接好并以将四个引出线接在装置的四个接线端上。
运行时只需将四个接线端与智能控制箱的对应输入端相连接即可。
（2）步进电动机转轴上固定有红色指针及力矩测量盘，底面是刻度盘（刻度盘的最小分度为1°）
（3）本装置门型支架的上端，装有定滑轮和一固定支点（采用卡簧结构），20N的弹簧秤通过丝线与下滑轮、测量盘、棘轮结构等连接。
装置的下方设有棘轮结构。
整套系统由丝绳把棘轮结构、定滑轮、弹簧秤、力矩测量盘等连接起来构成一套完整的力矩测量系统。
二、步进电动机实验
（一）实验目的
1、通过实验加深对步进电动机驱动电源和电机工作情况的了解。
2、掌握步进电动机基本特性的测定方法。
（二）预习要点
1、了解步进电动机的工作情况和驱动电源。
2、步进电动机有哪些基本特性？
怎样测定？
（三）实验项目
1、单步运行状态
2、角位移和脉冲数的关系
3、空载突跳频率的测定
4、空载最高连续工作频率的测定
5、转子震荡状态的观察
6、定子绕组中电流和频率的关系
7、平均转速和脉冲频率的关系
8、矩频特性的测定及最大静力矩特性的测定
（四）试验线路及操作步骤
1、实验设备
序号
型号
名称
数量
1
D54（BSZ—1）
步进电机控制箱
1台
2
BSZ—1
步进电机试验装置
1台
3
D41
三相可调电阻器
1件
4
D31
直流电压、毫安、安培表
1件
5
双踪示波器（另购）
1台
2、屏上挂件排列顺序
D54、D31、D41
3、基本实验电路的外部接线
4、步进电机组件的使用说明及实验操作步骤
（1）单步运行状态
接通电源，将控制系统设置与单步运行状态，或复位后，按执行键，步进电机走一步距角，绕组相应的发光管发亮，再不断按执行键，步进电机转子也不断做步进运动。
改变电机转向，电机做反向步进运动。
（2）角位移和脉冲数的关系
控制系统接通电源，设置好预置步数，按执行键，电机运转，观察并记录电机偏转角度于表7—3、表7—4中，并利用公式计算电机偏转角度与实际值是否一致。
表7—3步数=＿＿＿步
序号
实际电机偏转角度
理论电机偏转角度
表7—4步数=＿＿＿步
序号
实际电机偏转角度
理论电机偏转角度
（3）空载突跳频率的测定
控制系统连续运行状态，按执行键，电机连续运转后，调节速度调节旋钮使频率提高到某频率（自动指示当前频率）。
按设置键让步进电机停转，再重新启动电机（按执行键），观察电机能否运行正常，如正常，则继续提高频率，直至电机不失步启动的最高频率，则该频率为步进电机的空载突跳频率。
记为＿＿＿Hz。
（4）空载最高连续工作频率的测定
步进电机空载连续运转后缓慢调节旋钮使频率提高，仔细观察电机是否不失步，如不失步，则缓慢提高频率，直至电机能连续运转的最高频率，则该频率为步进电机空载最高连续工作频率。
记为＿＿＿Hz。
（5）转子震荡状态的观察
步进电机空载连续运转后，调节并降低脉冲频率，直至步进电机声音异常或出现电机转子来回偏摆即为步进电机的振荡状态。
（6）定子绕组中电流和频率的关系
在步进电机电源的输出端串接一支直流电流表（注意+、-端）使步进电机连续运转，由低到高逐渐改变步进电机的频率，读取并记录5—6组电流表的平均值、频率值于表7—5中，观察示波器波形，并作好记录。
表7—5
序号
f（Hz）
I（A）
（7）平均转速和脉冲频率的关系
接通电源，将控制系统设置于连续运行状态，在按执行键，电机连续运转，改变速度调节旋钮，测量频率f与对应的转速n，即n=f（f）。
记录5—6
2、有实验数据作出直流伺服电动机的三条机械特性和三条调节特性曲线。
3、求该直流伺服电动机的传递函数。
实验二交流伺服机电动机
（一）实验目的
1、观察交流伺服电动机的自制动过程
2、掌握用实验方法配圆形磁场
3、掌握交流伺服电动机的机械特性及调节特性的测量方法
（二）预习要点
1、对交流伺服电动机有什么技术要求？
2、交流伺服电动机有几种控制方式？
3、何谓交流伺服电动机的机械特性和调节特性？
（三）实验项目
1、用实验方法配堵转圆形磁场
2、测交流伺服电动机幅值控制时的机械特性和调节特性
3、测交流伺服电动机幅值——相位控制时的机械特性
4、观察自转现象
（四）试验方法
1、实验设备
序号
型号
名称
数量
备注
1
D57
交流伺服电机控制箱
1件
2
JSZ—1
交流伺服电机实验装置
1件
圆盘半径为3cm
3
D32
交流电流表
1件
4
D33
交流电压表
1件
5
D41
三相可调电阻器
1件
6
示波器
1台
另配
2、屏上挂件排列顺序
D57、D33、D32、D41
3、幅值控制
1）实验交流伺服电动机α=1（即Uc=Un=220V）时的机械特性
（1）关断三相交流电源，按图7—7连线。
图中T1、T2选用D57挂件，V1、V2选用D33挂件。
（2）启动三相交流电源，调节调压器，使Uf=220V，再调节单相调节器T2使Uc=Un=220V.
表7—22Uf=＿＿＿VUc=＿＿＿V
序号
F10（N）
F2（N）
T=（F10-F2）×3（N.cm）
N（r∕min）
（3）调节几轮机构，逐次增大力矩T〔T=（F10-F2）×3〕,将弹簧称读数机电机转速记录于表7—22中。
2）实测交流伺服电动机α=0.75（即Uc=0.75Un=165V）时的机械特性
（1）保持Uf=220V不变，调节单相调节器T2使Uc=0.75Un=165V。
（2）重复上述步骤，将所测数据记录于表7—23中。
表7—23Uf=＿＿＿VUc=＿＿＿V
序号
F10（N）
F2（N）
T=（F10-F2）×3（N.cm）
N（r∕min））
3）实测交流伺服电动机的调节特性
（1）调节三相调压器使Uf=220V,松开棘轮结构，即电机空载。
逐次调节单相调压器T2。
使控制电压Uc从220V逐次减小直到0V。
（2）将每次所测的控制电压Uc与电动机转速n记录于表7—24中。
表7—24Uf=220V
U（V）
n（r∕min）
4、幅值——相位控制
1）用实验方法使电机堵转时的旋转磁场为圆形磁场
（1）关断三相交流电源，按图7—8接线。
图中T1、T2、C选用D57挂件。
A1、A2表选用D32上1A档。
V1、V2、V3选用D33上的300V档。
R1、R2选用D41挂件上90Ω共45Ω阻值并用万用表调节在5Ω阻值。
示波器再探头地线应接图中N线，X踪和Y踪幅值量程一致，并设在迭加状态。
（2）合上三相交流电电源，调节三相调压器使U1=127V，再调节单相调压器T2使Uc=U1=127V，调节棘轮机构使电机堵转。
（3）调节可变电容C，观察A1和A2表；使If=Ic，此时观察示波器轨迹应为圆形旋钮磁场。
并且此时Uf应等于Uc。
2）实测交流伺服电机U1=127V，α=1（即Uc=Un=220V）时的机械特性。
（1）调节单相调压器T2使Uc=Un=220V。
松开棘轮结构，再调节棘轮机构手柄逐次增大力矩。
（2）记录电机从空载至堵转时，10N弹簧称和2N弹簧称读数及电机转速于表7—25中。
表7—25U1=＿＿＿VUc=＿＿＿V
序号
F10（N）
F2（N）
T=（F10-F2）×3（N.cm）
N（r∕min））
3）实测交流伺服电机U1=127V,α=0.75（即Uc=075Un=165V）时的机械特性。
（1）调节三相交流电源和单相调压器使Uc=075Un=165V，重复上面实验，将数据记录于表7—26中。
表7—26Uf=＿＿＿VUc=＿＿＿V
序号
F10（N）
F2（N）
T=（F10-F2）×3（N.cm）
N（r∕min））
5、观察交流伺服电动机“自转“现象
1）接线图同7—8一样，调节调压器使U1=127V，Uc=220V，再将Uc开路，观察电机有无“自转“现象。
2）接线图同7—8一样，调节调压器使U1=127V，Uc=220V，再将Uc调节到0V，观察电机有无“自转“现象。
（五）实验报告
1、作交流伺服电动机幅值控制时的机械特性和调节特性
2、作交流伺服电动机幅值——相位控时的机械特性
3、分析实验数据及试验过程中发生的现象
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