运动控制实验讲义自动化.docx
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运动控制实验讲义自动化
运动控制系统实验
实验
晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定
一．实验目的
1．熟悉晶闸管直流调速系统的组成结构；
2．掌握晶闸管直流调速系统参数与环节特性的测定方法。
二．实验内容
1．测定晶闸管整流装置的外特性；
2．测定晶闸管触发及整流装置的放大系数；
3．用直流伏安法测量直流电动机的电枢电阻和电抗器电阻；
4．直流电动机电势常数Ce和转矩常数CM的测定；
5．测定晶闸管直流调速系统机电时间常数TM（选做）；
6．测定直流电动机－发电机－测速发电机组的飞轮惯量GD2；
7．绘制自由停车曲线n=f（t）（选做）；
8．测速发电机特性UTG=f（n）的测试；
9．用交流伏安法测量直流电动机电枢回路的电感；
10．计算主电路电磁时间常数测定。
三．实验系统组成和工作原理
晶闸管直流调速系统由三相交流电路、晶闸管整流调速装置、平波电抗器，电动机——发电机组等组成。
本实验中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制回路可直接由给定电压Ug作为触发器的移相控制电压，改变Ug的大小即可改变控制角，从而获得可调的直流电压和转速，以满足实验要求。
四．实验设备及仪器
见表3－1
五．注意事项
为防止电枢过大电流的冲击，每次增加Ug须缓慢，且每次起动电动机前给定电位器应调回零位，以防过流。
表3－1实验设备及仪器
序号
型号
备注
1
DJK01电源控制屏
该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。
2
DJK02晶闸管主电路
3
DJK02-1三相晶闸管触发电路
该挂件包含“触发电路”,“正反桥功放”等几个模块。
4
DJK04电机调速控制实验
该挂件包含“给定”，模块。
5
DD03-2电机导轨﹑测速发电机及转速表
6
DJ13-1直流发电机
7
DJ15直流并励电动机
8
D42 三相可调电阻
9
示波器
自备
10
万用表
自备
六．实验方法
1．测定整流装置的外特性u＝f（I），并确定其内阻r。
⑴实验原理
见图3－1
图3－1整流装置外特性测试原理图
⑵数据测定及处理
每次实验前，都应将负载电阻R的阻值置于最大。
由于考虑到整流装置内阻的非线性关系，因此在实验中应测定不同的α角时的外特性曲线u＝f（I），α值可取三种不同的角度，对于每个不同的α值，通过改变R的大小，可测取其4个左右的相应参数，并描述u＝f（I）曲线（应为直线簇），该直线的斜率即为r。
r＝△u/△I（合理选择△u、△I的值）
在实验中，应注意负载电流不得超过其额定值0.6A；每次重新改变α时，R应置于最大位置。
2．触发－整流装置放大系数KS的测定。
实验原理图见图3－1
实验前，将负载电阻Rd的阻值置于最大。
对于不同的UCT，测出对应的输出电压Ud。
根据KS=△Ud/△UCT，即可求出相应的放大系数。
⑶由于KS为空载放大系数，且又要保持系统的电流连续，故在实验中Id的值不能太小。
同时，也不能超过额定值。
3．用直流伏安法测定直流电动机电枢电阻Ra、电抗器电阻RL
⑴实验原理框图
见图3－2
⑵按图接线。
注意：
此时电动机不加励磁，使其堵转。
将给定电位器RP1逆时针调到底，使UCT＝0。
⑶合上电源，逐步缓慢地增大UCT，使负载电流增大至一定值（如0.3A）时，记下此时的U1、U2与Id的数据，根据公式：
Ra＝U2/Id、RL=U1/Id即可求出所需值。
在测试过程中，由于电机处于堵转状态，因此测量时间要短，以防电机过热。
图3－2直流电动机电枢电阻、电抗器电阻测试原理图
If＝0
4．电动机电势常数Ce和转矩常数CM的测定
⑴实验原理框图
参见图3－2。
通电测试前，将电动机励磁线圈加额定励磁。
⑵合上电源，使电动机空载运行。
改变UCT，即可改变电动机电枢电压Ua，从而可得到相应的转速n，由下列公式可求出Ce。
Ce＝Keφ＝（Ua2－Ua1）/（n2－n1）
Ce的单位为V/（r/min）
转矩常数（额定磁通时）CM的单位为N.m/A，可由Ce求出
CM=9.55Ce
5．系统机电时间常数Tm的测定
系统的机电时间常数可由下式计算
由于Tm>>Td，也可以近似地把系统看成是一阶惯性环节，即
当电枢突加给定电压时，转速n将按指数规律上升，当n到达63.2%稳态值时，所经过的时间即为拖动系统的机电时间常数。
将给定电位器RP1逆时针调到底，使UCT=0，电动机M加额定励磁。
合上主电路电源开关，调节UCT，将电机空载起动至稳定转速1000r/min。
然后保持UCT不变，断开主电路开关，待电机完全停止后，突然合上主电路开关，给电枢加电压，用光线示波器拍摄过渡过程曲线，即可由此确定机电时间常数。
图3－3系统机电时间和常数转动惯量的测定
6．直流电动机—发电机—测速发电机组的飞轮惯量GD2的测定。
电力拖动系统的运动方程式为
T－TZ=（GD2/375）dn/dt
式中T—电动机的电磁转矩，单位为N.m;
TZ：
负载转矩，空载时即为空载转矩TK，单位为N.m;
n：
电机转速，单位为r/min;
电机空载自由停车时，运动方程式为：
TK=－（GD2/375）dn/dt
故
式中GD2的单位为Nm2.
TK可由空载功率PK（单位为W）求出。
而PK＝UaIa－Ia2Ra
其中：
Ua为电动机电枢电压；
Ra为电动机电枢电阻。
dn/dt可由自由停车时所得曲线n=f（t）求得，其实验线路如图3－3所示。
电动机加额定励磁。
给定电位器RP1逆时针调到底，使UCT=0。
合上主电路电源开关，调节UCT，将电机空载起动至稳定转速后，测取电枢电压Ua和电流Id，然后断开UCT，用记忆示波器拍摄曲线，即可求取某一转速时的TK和dn/dt。
由于空载转矩不是常数，可以转速n为基准选择若干个点（如1000r/min，1200r/min），测出相应的TK和dn/dt，以求取GD2的平均值。
电机为1000r/min。
Ua（v）
Ia（A）
dn/dt
PK
TK
GD2
电机为1200r/min。
Ua（v）
Ia（A）
dn/dt
PK
TK
GD2
7．测绘自由停车曲线n＝f（t）
将电动机在空载下加速至额定转速，待转速稳定后保持励磁电流不变，突然切断主回路电源，电动机将在空载制动力矩的作用下自由停车，利用慢扫描示波器描出自由停车曲线n＝f（t）。
8．测速发电机特性UTG=f（n）的测定
实验线路如图3－3所示。
电动机加额定励磁，逐渐增加触发电路的控制电压UCT，分别读取对应的UTG、n的数值若干组，即可描绘出特性曲线UTG=f（n）。
n（r/min）
600
700
800
900
1000
1200
UTG（V）
9．用交流伏安法测量电枢回路电感L
电枢回路总电感包括电机的电枢电感La，平波电抗器电感Ld和整流变压器漏感LB，由于LB的数值很小，因此可忽略。
故电枢回路的等效总电感为：
L＝La＋Ld
电感的数值可用交流伏安法测定。
此时，电动机应加额定励磁使其堵转。
实验线路如图3－4所示。
合上主电路电源开关，调节主控制屏输出电压。
用电压表和电流表分别测出通入交流电压后电枢两端和电抗器上的电压值Ua和UL及电流I，从而可得到交流阻抗Za和ZL，计算出电感值La和Ld。
实验时，交流电压的有效值应小于电机直流电压的额定值，
Za=Ua/I
ZL=UL/I
图3－4电枢回路电感L的测定
10．主电路电磁时间常数的计算
主电路电磁时间常数也可由下列公式计算
Td＝L/R∑
R∑＝r＋Ra+RL
七．实验报告
1．作出实验所得各种曲线，计算有关参数；
2．实验心得体会。
实验二闭环控制及逻辑无环流可逆直流调速系统
一、实验目的
1．掌握闭环直流调速系统、逻辑无环流可逆直流调速系统的组成及各主要单元部件的工作原理；
2．认识闭环反馈控制系统的基本特性；
3．掌握晶闸管直流调速系统的一般设计与调试步骤以及相关参数的整定方法；
4．掌握闭环控制直流调速系统的静态特性与动态特性；
5．研究相关调节器参数对系统动态特性的影响；
6．熟悉逻辑无环流可逆直流调速系统的原理和组成；
7．掌握逻辑无环流可逆直流调速系统中各控制单元的原理、作用及调试方法；
8．掌握逻辑无环流可逆直流调速系统的调试步骤和方法；
9．掌握逻辑无环流可逆直流调速系统的静态特性和动态特性。
为培养提高学生的自主创新与动手能力，通过实验的手段使学生掌握晶闸管-直流电动机系统的组成与工作原理、控制单元的工程设计方法以及参数的测试等。
该实验除包含运动控制课程直流调速系统的核心环节外，同时还涉及到《电力电子技术》、《自动控制原理》、《电子技术基础》（模拟、数字）等相关课程，要圆满完成本实验内容，学生必须在熟练掌握本课程理论知识的基础上，还需结合所学的其它专业理论，并在课外查阅相关技术资料，作出初步设计方案，经老师认可后，在实验室完成相应的实验，予以调试且最终完成任务。
二、实验内容
1、直流电机开环外特性的测定；
2、基本单元部件（速度调节器、电流调节器）的调试；
⑴调节器的调整
①调节器的调零；
②正负限幅值的调整
⑵转速反馈系数的整定
⑶电流反馈系数的整定
3、转速单闭环直流调速系统静特性的测试；
4、电流单闭环直流调速系统静特性的测试；
5、双闭环不可逆直流调速系统静特性的测试；
⑴机械特性的测定
⑵闭环控制特性的测定
6、双闭环不可逆直流调速系统动态特性的观察；
7、逻辑无环流可逆直流调速系统单元测试；
⑴“转矩极性鉴别”单元的调试
⑵“零电平检测”单元的调试
⑶“反号器”单元的调试
⑷“逻辑控制”单元的调试
8、逻辑无环流可逆直流调速系统机械特性的测定；
9、逻辑无环流可逆直流调速系统闭环控制特性的测定；
10、逻辑无环流可逆直流调速系统动态波形的观察。
三、实验设备与仪器
序号
型号
备注
1
DJK01电源控制屏
该控制屏包含“三相电源输出”等模块。
2
DJK02晶闸管主电路
3
DJK02-1三相晶闸管触发电路
该挂件包含“触发电路”,“正反桥功放”等模块。
4
DJK04电机调速控制实验I
该挂件包含“给定”，“电流调节器”，“速度变换”，“逻辑控制”等模块。
5
DJK08可调电阻、电容箱
6
DD03-2电机导轨﹑测速发电机及转速表
7
DJ13-1直流发电机
8
DJ15直流并励电动机
9
D42 三相可调电阻
10
慢扫描示波器
11
万用表
四、实验线路及原理
为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统（包括单闭环系统和多闭环系统）。
对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。
按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。
在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。
在转速单闭环中，将反映转速变化的电压信号作为反馈信号，经“速度变换”后接到“速度调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较经放大后，得到移相控制电压UCt，用作控制整流桥的“触发电路”，触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间，以改变“三相全控整流”的输出电压，这就构成了速度负反馈闭环系统。
电机的转速随给定电压变化，电机最高转速由速度调节器的输出限幅所决定，速度调节器采用P（比例）调节对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差，则需将调节器换成PI（比例积分）调节。
这时当“给定”恒定时，闭环系统对速度变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的转速能稳定在一定的范围内变化。
在电流单闭环中，将反映电流变化的电流互感器输出电压信号作为反馈信号加到“电流调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较，经放大后，得到移相控制电压UCt，控制整流桥的“触发电路”，改变“三相全控整流”的电压输出，从而构成了电流负反馈闭环系统。
电机的最高转速也由电流调节器的输出限幅所决定。
同样，电流调节器若采用P（比例）调节，对阶跃输入有稳态误差，要消除该误差将调节器换成PI（比例积分）调节。
当“给定”恒定时，闭环系统对电枢电流变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的电枢电流能稳定在一定的范围内变化。
许多生产机械，由于加工和运行的要求，使电动机经常处于起动、制动、反转的过渡过程中，因此起动和制动过程的时间在很大程度上决定了生产机械的生产效率。
为缩短这一部分时间，仅采用PI调节器的转速负反馈单闭环调速系统，其性能还不很令人满意。
双闭环直流调速系统是由电流和转速两个调节器进行综合调节，可获得良好的静、动态性能（两个调节器均采用PI调节器），由于调整系统的主要参量为转速，故将转速环作为主环放在外面，电流环作为副环放在里面，这样可以抑制电网电压扰动对转速的影响。
在某些场合下，既要求电动机能正转，同时也能反转，并要求在减速时产生制动转矩，加快制动时间。
要改变电动机的转向有以下方法，一是改变电动机电枢电流的方向，二是改变励磁电流的方向。
由于电枢回路的电感量比励磁回路的要小，使得电枢回路有较小的时间常数。
可满足某些设备对频繁起动，快速制动的要求。
本实验的主回路由正桥及反桥反向并联组成，并通过逻辑控制来控制正桥和反桥的工作与关闭，并保证在同一时刻只有一组桥路工作,另一组桥路不工作，这样就没有环流产生。
由于没有环流,主回路不需要再设置平衡电抗器，但为了限制整流电压幅值的脉动和尽量使整流电流连续，仍然保留了平波电抗器。
该控制系统主要由“速度调节器”、“电流调节器”、“反号器”、“转矩极性鉴别”、“零电平检测”、“逻辑控制”、“速度变换”等环节组成。
五、预习要求
（1）复习自动控制系统（直流调速系统）等教材中有关晶闸管直流调速系统、闭环反馈控制系统、逻辑无环流可逆调速系统的内容，熟悉系统的原理图和逻辑无环流可逆调速系统工作原理的内容。
（2）掌握有关调节器的基本工作原理。
（3）根据直流调速系统的工作原理，最终能画出相应单元的实验原理图、实验系统的详细接线图，并理解各控制单元在调速系统中的作用。
在充分预习的基础上，今老师检查认可后，方可进入实验环节。
六、实验方法
1、DJK02和DJK02-1上的“触发电路”调试
①打开DJK01总电源开关，操作“电源控制屏”上的“三相电网电压指示”开关，观察输入的三相电网电压是否平衡。
②将DJK01“电源控制屏”上“调速电源选择开关”拨至“直流调速”侧。
③用10芯的扁平电缆，将DJK02的“三相同步信号输出”端和DJK02-1“三相同步信号输入”端相连,打开DJK02-1电源开关，拨动“触发脉冲指示”钮子开关，使“窄”的发光管亮。
2、Uct不变时的直流电机开环外特性的测定
①按接线图分别将主回路和控制回路接好线。
DJK02-1上的移相控制电压Uct由DJK04上的“给定”输出Ug直接接入，直流发电机接负载电阻R，Ld用DJK02上200mH，将给定的输出调到零。
②先闭合励磁电源开关，按下DJK01“电源控制屏”启动按钮，使主电路输出三相交流电源，然后从零开始逐渐增加“给定”电压Ug，使电动机逐步启动并使转速n达到1200rpm。
③改变负载电阻R的阻值，在空载至额定负载的范围内测取5～6点，即可测出在Uct不变时的直流电动机开环外特性n=f（Id），测量并记录数据于下表：
表3－6
n（rpm）
Id（A）
3、基本单元部件的调试
⑴速度调节器的调试
①速度调节器调零
将DJK04中“速度调节器”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻120K接到“速度调节器”的“4”、“5”两端，用导线将“5”、“6”短接，使“电流调节器”成为P（比例）调节器。
调节面板上的调零电位器RP3，用万用表的毫伏档测量电流调节器“7”端的输出，使调节器的输出电压尽可能接近于零。
（3mv以下即可）
②调整输出正、负限幅值
把“5”、“6”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“5”、“6”两端，使调节器成为PI（比例积分）调节器，然后将DJK04的给定输出端接到转速调节器的“3”端，当加一定的正给定时，调整负限幅电位器RP2，观察输出负电压的变化，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1，观察调节器输出正电压的变化。
（限6V以下）
（2）电流调节器的调试
①调节器的调零
将DJK04中“电流调节器”所有输入端（1、2、4、6脚）接地，再将DJK08中的可调电阻13K接“速度调节器”的“8”、“9”两端，用导线将“9”、“10”短接，使“电流调节器”成为P（比例）调节器。
调节面板上的调零电位器RP3，用万用表的毫伏档测量电流调节器的“11”端，使调节器的输出电压尽可能接近于零。
（3mv以下即可）
②调整输出正、负限幅值
把“8”、“9”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“8”、“9”两端，使调节器成为PI（比例积分）调节器，然后将DJK04的给定输出端接到电流调节器的“4”端，当加正给定时，调整负限幅电位器RP2，观察输出负电压的变化，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1，观察输出正电压的变化。
（限6V以下）
⑶转速反馈系数的整定
直接将“给定”电压Ug接DJK02-1上的移相控制电压Uct的输入端，“三相全控整流”电路接直流电动机负载，Ld用DJK02上的200mH，输出给定调到零。
按下启动按钮，接通励磁电源，从零逐渐增加给定，使电机提速到n=150Orpm时，调节“速度变换”上转速反馈电位器RP1，使得该转速时反馈电压Ufn=-6V，这时的转速反馈系数α=Ufn/n=0.004V/（rpm）。
⑷电流反馈系数的整定
直接将“给定”电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，整流桥输出接电阻负载R，负载电阻放在最大值，输出给定调到零。
按下启动按钮，从零增加给定，使输出电压升高，当Ud=220V时，减小负载的阻值，调节“电流反馈与过流保护”上的电流反馈电位器RP1，使得负载电流Id=l.3A时，“2”端If的的电流反馈电压Ufi=6V，这时的电流反馈系数β=Ufi/Id=4.615V/A。
4、转速单闭环直流调速系统静特性的测试
实验线路如图3－5所示。
图3-5转速单闭环系统原理图
①按图接线。
在本实验中，DJK04的“给定”电压Ug为负给定，转速反馈为正电压，将“速度调节器”接成P（比例）调节器或PI（比例积分）调节器。
直流发电机接负载电阻R，Ld用DJK02上200mH，给定输出调到零。
②直流发电机接负载（负载电阻阻值置于最大），从零开始逐渐调大“给定”电压Ug，使电动机的转速接近n=l200rpm。
③由小到大调节直流发电机负载R，测出电动机的电枢电流Id（不大于0.9A）与电机的转速n，即可测出系统静态特性曲线n=f（Id），并将结果填于下表。
表3－7P调节器
n（rpm）
Id（A）
表3－8PI调节器
n（rpm）
Id（A）
5电流单闭环直流调速系统静特性的测试
①按图3-6接线。
在本实验中，给定Ug为负给定，电流反馈为正电压，将“电流调节器”接成比例（P）调节器或PI（比例积分）调节器。
直流发电机接负载电阻R，Ld用DJK02上200mH，将给定输出调到零。
图3-6电流单闭环系统原理图
②直流发电机先轻载，从零开始逐渐增加“给定”电压Ug，使电动机转速接近n=l200rpm。
③由小到大调节直流发电机负载R，测定相应的Id和n，即可测出系统静态特性曲线n=f（Id）。
表3－9
n（rpm）
Id（A）
6双闭环不可逆直流调速系统静特性的测试
①按图3-7接线，DJK04的给定电压Ug输出为正给定，转速反馈电压为负电压，直流发电机接负载电阻R，Ld用DJK02上的200mH，负载电阻放在最大值，给定的输出调到零。
图3-7双闭环直流调速系统原理框图
②机械特性n=f（Id）的测定
A、从零开始逐渐调大给定电压Ug，使电动机转速接近n=l200rpm，逐渐改变负载电阻，
即可测出系统静态特性曲线n=f（Id），并记录于下表中：
表3－10
n（rpm）
Id（A）
B、降低Ug，再测试n=800rpm时的静态特性曲线，并记录于下表中：
表3－11
n（rpm）
Id（A）
C、闭环控制特性n=f（Ug）的测定
调节Ug，使n从600rpm逐步调至l200rpm，记录Ug和n，即可测出闭环控制特性n=f（Ug）。
表3－12
n（rpm）
Ug（V）
7双闭环不可逆直流调速系统动态特性的观察
用慢扫描示波器观察动态波形。
突加给定Ug，电动机启动时的电枢电流Id（“电流反馈与过流保护”的“2”端）波形和转速n（“速度变换”的“3”端）波形。
8逻辑无环流可逆直流调速系统单元测试
按图3－8接线。
图3－8逻辑无环流可逆直流调速系统原理图
⑴“转矩极性鉴别”的调试
“转矩极性鉴别”的输出有下列要求:
电机正转，输出UM为“1”态。
电机反转，输出UM为“0”态。
将给定输出端接至“转矩极性鉴别”的输入端，同时在输入端接上万用表以监视输入电压的大小，示波器探头接至“转矩极性鉴别”的输出端，观察其输出高、低电平的变化。
“转矩极性鉴别”的输入输出特性应满足图2-12a所示要求，其中Usr1=-0.25V，Usr2=+0.25V
⑵“零电平检测”的调试
其输出应有下列要求:
主回路电流接近零，输出UI为“1”态。
主回路有电流，输出UI为“0”态。
其调整方法与“转矩极性鉴别”的调整方法相同，输入输出特性应满足图2-12b所示要求，其中Usr1=0.2V，Usr2=0.6V。
⑶“反号器”的调试
A、调零（在出厂前反号器已调零，如果零漂比较大的话，用户可自行将挂件打开调零），将反号器输入端“1”接地，用万用表的毫伏档测量“2”端，观察输出是否为零，如果不为零，则调节线路板上的电位器使之为最小值。
B、测定输入输出的比例，将反号器输入端“1”接“给定”，调节“给定”输出为5V电压，用万用表测量“2”端，输出是否等于-5V电压，如果两者不等，则通过调节RP1使输出等于负的输入。
再调节“给定”电压使输出为-5V电压，观测反号器输出是否为5V。
⑷“逻辑控制”单元的调试
测试逻
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