运动控制综合实验报告.docx

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运动控制综合实验报告

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指导老师：

实验一不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究

一．实验目的

1．研究晶闸管直流电动机调速系统在反馈控制下的工作。

2．研究直流调速系统中速度调节器ASR的工作及其对系统静特性的影响。

3．学习反馈控制系统的调试技术。

二．预习要求

1．了解速度调节器在比例工作与比例—积分工作时的输入—输出特性。

2．弄清不可逆单闭环直流调速系统的工作原理。

三．实验线路及原理

见图4-7。

四．实验设备及仪表

1．MCL系列教学实验台主控制屏。

2．MCL—31A组件（适合MCL—Ⅲ）。

3．MCL—33（A）组件

4．MEL-11挂箱

5．MEL—03三相可调电阻（或自配滑线变阻器）。

6．电机导轨及测速发电机、直流发电机M01（或电机导轨及测功机、MEL—13组件）。

7．直流电动机M03。

8．双踪示波器。

五．注意事项

1．直流电动机工作前，必须先加上直流励磁。

2．接入ASR构成转速负反馈时，为了防止振荡，可预先把ASR的RP3电位器逆时针旋到底，使调节器放大倍数最小，同时，ASR的“5”、“6”端接入可调电容（预置7μF）。

3．测取静特性时，须注意主电路电流不许超过电机的额定值（1A）。

4．三相主电源连线时需注意，不可换错相序。

5．电源开关闭合时，过流保护发光二极管可能会亮，只需按下对应的复位开关SB1即可正常工作。

6．系统开环连接时，不允许突加给定信号Ug起动电机。

7．起动电机时，需把MEL-13的测功机加载旋钮逆时针旋到底，以免带负载起动。

8．改变接线时，必须先按下主控制屏总电源开关的“断开”红色按钮，同时使系统的给定为零。

9．双踪示波器的两个探头地线通过示波器外壳短接，故在使用时，必须使两探头的地线同电位（只用一根地线即可），以免造成短路事故。

六．实验内容

1．移相触发电路的调试（主电路未通电）

（a）用示波器观察MCL—33的双脉冲观察孔，应有双脉冲，且间隔均匀，幅值相同；观察每个晶闸管的控制极、阴极电压波形，应有幅值为1V～2V的双脉冲。

（b）触发电路输出脉冲应在30°～90°范围内可调。

可通过对偏移电压调节单位器及ASR输出电压的调整实现。

例如：

使ASR输出为0V，调节偏移电压，实现α=90°；再保持偏移电压不变，调节ASR的限幅电位器RP1，使α=30°。

2．求取调速系统在无转速负反馈时的开环工作机械特性。

a．断开ASR的“3”至Uct的连接线，G（给定）直接加至Uct，且Ug调至零，直流电机励磁电源开关闭合。

b．合上主控制屏的绿色按钮开关，使Uuv、Uvw、Uwu=200V。

c．调节给定电压Ug，使直流电机空载转速n0=1500转/分，调节测直流发电机负载电阻，在空载至额定负载的范围内测取7～8点，读取整流装置输出电压Ud，输出电流id以及被测电动机转速n。

id（A）

0.1

0.4

0.45

0.5

0.6

0.7

0.8

1.1

Ud（V）

226

224

222

220

215

210

206

196

n（r/min）

1500

1294

1289

1283

1268

1230

1208

1130

3．带转速负反馈有静差工作的系统静特性

a．断开G（给定）和Uct的连接线，ASR的输出接至Uct，把ASR的“5”、“6”点短接。

b．合上主控制屏的绿色按钮开关，调节Uuv，Uvw，Uwu为220伏。

c．调节给定电压Ug至2V，调整转速变换器RP电位器，使被测电动机空载转速n0=1500转/分，调节ASR的调节电容以及反馈电位器RP3，使电机稳定运行。

调节直流发电机负载电阻，在空载至额定负载范围内测取7～8点，读取Ud、id、n。

id（A）

0.1

0.4

0.45

0.5

0.6

0.7

0.8

1.1

Ud（V）

227

218

225

218

220

220

220

221

n（r/min）

1500

1400

1390

1380

1365

1344

1331

1320

4．测取调速系统在带转速负反馈时的无静差闭环工作的静特性

a．断开ASR的“5”、“6”短接线，“5”、“6”端接MEL—11电容器，可预置7μF，使ASR成为PI（比例—积分）调节器。

b．调节给定电压Ug，使电机空载转速n0=1500转/分。

在额定至空载范围内测取7～8个点。

id（A）

0.1

0.45

0.5

0.6

0.7

0.8

1.0

1.1

Ud（V）

230

235

237

241

244

246

248

250

n（r/min）

1493

1490

1490

1491

1491

1490

1492

1493

七．实验报告

绘制实验所得静特性，并进行分析、比较。

根据测得的数据绘制上图。

图中的三条曲线由上到下分别是转速负反馈无静差静特性曲线、转速负反馈有静差静特性曲线、开环静特性曲线。

（1）从图中可以明显看出，系统开环工作时，机械特性较软，随着负载的增大，转速明显下降。

理论上，开环工作时，直流电机转速方程：

其中

易知，转速

与电流

为线性关系，且转速

随

的增大而减小。

可见，实验结果与理论预期相符。

（2）闭环有静差工作时，由图可知，随着负载增大，转速降低，但比开环时转速降低的要小一些。

理论上，闭环工作时加入了反馈环节，系统结构变为如下

转速方程变为：

其中

可见，在相同的空载转速下，闭环系统的转速降是开环系统的

实验结果与理论预期相符。

（3）闭环无静差工作时，从实验所得的图像上已看不出转速的变化。

理论上，因加入积分负反馈环节，故而系统结构图变为

当且仅当

，PI调节器输出不变（稳态），

达到稳态，导致

达到稳态，转速

达到稳态。

即无论负载

如何变化，始终有：

可见实验结果与理论预期相符。

八．思考题

1．系统在开环、有静差闭环与无静差闭环工作时，速度调节器ASR各工作在什么状态？

实验时应如何接线？

答：

开环时，ASR不用接入控制回路，给定信号直接作为脉冲移相控制器的输入，此时ASR工作于闲置状态。

有静差闭环时，ASR相当于一个比例调节器，工作于放大状态。

实验时按图4-7连线，同时短接“5”、“6”两点。

无静差闭环时，ASR相当于一个比例积分调节器，工作于不饱和状态。

实验时按图4-7连线，同时“5”、“6”两点间接电容。

2．要得到相同的空载转速n0，亦即要得到整流装置相同的输出电压U，对于有反馈与无反馈调速系统哪个情况下给定电压要大些？

为什么？

答：

有反馈时给定电压要大些。

无反馈时：

有反馈时：

令

，则

K>0，则

3．在有转速负反馈的调速系统中，为得到相同的空载转速n0，转速反馈的强度对Ug有什么影响？

为什么？

答：

转速反馈的强度越强，给定电压Ug就越大。

由

和

，得：

当转速反馈强度

增大，K就增大，为了使

不变，给定电压Ug必须增大。

4．如何确定转速反馈的极性与把转速反馈正确地接入系统中？

又如何调节转速反馈的强度，在线路中调节什么元件能实现？

答：

因转速调节器ASR的输入、输出端符号相反，欲使输出为正，则输入

需为负。

故给定电压Ug采用负给定的形式，而

则从FBS的“3”直接接到ASR的“1”。

利用转速变换器FBS可以调节转速反馈的强度，具体到线路中通过调节电位器RP来实现。

图4-7

实验二双闭环晶闸管不可逆直流调速系统

一．实验目的

1．了解双闭环不可逆直流调速系统的原理，组成及各主要单元部件的原理。

2．熟悉电力电子及教学实验台主控制屏的结构及调试方法。

3．熟悉MCL-18,MCL-33的结构及调试方法

4．掌握双闭环不可逆直流调速系统的调试步骤，方法及参数的整定。

二．实验内容

1．各控制单元调试

2．测定电流反馈系数。

3．测定开环机械特性及闭环静特性。

4．闭环控制特性的测定。

5．观察，记录系统动态波形。

三．实验系统组成及工作原理

双闭环晶闸管不可逆直流调速系统由电流和转速两个调节器综合调节，由于调速系统调节的主要量为转速，故转速环作为主环放在外面，电流环作为付环放在里面，这样可抑制电网电压波动对转速的影响，实验系统的组成如图4-8所示。

系统工作时，先给电动机加励磁，改变给定电压的大小即可方便地改变电机的转速。

ASR,ACR均有限幅环节，ASR的输出作为ACR的给定，利用ASR的输出限幅可达到限制起动电流的目的,ACR的输出作为移相触发电路的控制电压，利用ACR的输出限幅可达到限制min和min的目的。

当加入给定Ug后，ASR即饱和输出，使电动机以限定的最大起动电流加速起动，直到电机转速达到给定转速（即Ug=Ufn），并出现超调后，ASR退出饱和，最后稳定运行在略低于给定转速的数值上。

四．实验设备及仪器

1．MCL系列教学实验台主控制屏。

2．MCL—31组件（适合MCL—Ⅲ）。

3．MCL—33组件。

4．MEL-11挂箱

5．MEL—03三相可调电阻（或自配滑线变阻器）。

6．电机导轨及测速发电机、直流发电机M017．直流电动机M03。

8．双踪示波器。

五．注意事项

1．三相主电源连线时需注意，不可换错相序。

2．电源开关闭合时，过流保护、过压保护的发光二极管可能会亮，只需按下对应的复位开关SB1、SB2即可正常工作。

3．系统开环连接时，不允许突加给定信号Ug起动电机

4．起动电机时，需把MEL-13的测功机加载旋钮逆时针旋到底，以免带负载起动。

5．改变接线时，必须先按下主控制屏总电源开关的“断开”红色按钮，同时使系统的给定为零。

6．进行闭环调试时，若电机转速达最高速且不可调，注意转速反馈的极性是否接错。

7．双踪示波器的两个探头地线通过示波器外壳短接，故在使用时，必须使两探头的地线同电位（只用一根地线即可），以免造成短路事故。

六.实验方法

1．按图接线，未上主电源之前，检查晶闸管的脉冲是否正常。

（1）用示波器观察双脉冲观察孔，应有间隔均匀，幅度相同的双脉冲

（2）检查相序，用示波器观察“1”，“2”脉冲观察孔，“1”脉冲超前“2”脉冲600，则相序正确，否则，应调整输入电源。

（3）将控制一组桥触发脉冲通断的六个直键开关弹出，用示波器观察每只晶闸管的控制极，阴极，应有幅度为1V—2V的脉冲。

（4）将Ublr接地,可观察反桥晶闸管的触发脉冲。

2．双闭环调速系统调试原则

（1）先部件，后系统。

即先将各单元的特性调好，然后才能组成系统。

（2）先开环，后闭环，即使系统能正常开环运行，然后在确定电流和转速均为负反馈时组成闭环系统。

（3）先内环，后外环。

即先调试电流内环，然后调转速外环。

3．开环外特性的测定

（1）控制电压Uct由给定器Ug直接接入，直流发电机所接负载电阻RG断开。

（2）使Ug=0，调节偏移电压电位器，使α稍大于90°，合上主电路电源，使Uuv，Uvw，Uwu为200V，逐渐增加给定电压Ug，使电机起动、升速，调节Ug使电机空载转速n0=1500r/min，再调节负载电阻RG，改变负载，在直流电机空载至额定负载范围，测取7～8点，读取电机转速n，电机电枢电流Id，即可测出系统的开环外特性n=f（Id）。

n（r/min）

1500

1315

1259

1237

1211

1183

I（A）

0.1

0.39

0.5

0.6

0.7

0.8

注意，若给定电压Ug为0时，电机缓慢转动，则表明α太小，需后移。

5．单元部件调试

ASR调试方法与实验二相同。

ACR调试：

使调节器为PI调节器，加入一定的输入电压，调整正，负限幅电位器，使脉冲前移300,使脉冲后移=300，反馈电位器RP3逆时针旋到底，使放大倍数最小。

4．系统调试

将Ublf接地，Ublr悬空，即使用一组桥六个晶闸管。

（1）电流环调试

电动机不加励磁

（a）系统开环，即控制电压Uct由给定器Ug直接接入，开关S拨向左边，主回路接入电阻Rd并调至最大（Rd由MEL—03的两只900Ω电阻并联）。

逐渐增加给定电压，用示波器观察晶闸管整流桥两端电压波形。

在一个周期内，电压波形应有6个对称波头平滑变化。

（b）增加给定电压，减小主回路串接电阻Rd，直至Id=1.1Ied，再调节MCL-01挂箱上的电流反馈电位器RP，使电流反馈电压Ufi近似等于速度调节器ASR的输出限幅值（ASR的输出限幅可调为±5V）。

（c）MCL—18（或实验台主控制屏）的G（给定）输出电压Ug接至ACR的“3”端，ACR的输出“7”端接至Uct，即系统接入已接成PI调节的ACR组成电流单闭环系统。

ACR的“5”、“6”端接MEL—11电容器，可预置7μF，同时，反馈电位器RP3逆时针旋到底，使放大倍数最小。

逐渐增加给定电压Ug，使之等于ASR输出限幅值（+5V），观察主电路电流是否小于或等于1.1Ied，如Id过大，则应调整电流反馈电位器，使Ufi增加，直至Id<1.1Ied；如Id

测定并计算电流反馈系数

（2）速度变换器的调试

电动机加额定励磁

（a）系统开环，即给定电压Ug直接接至Uct，Ug作为输入给定，逐渐加正给定，当转速n=1500r/min时，调节FBS（速度变换器）中速度反馈电位器RP，使速度反馈电压为+5V左右，计算速度反馈系数。

（b）速度反馈极性判断：

系统中接入ASR构成转速单闭环系统，即给定电压Ug接至ASR的第2端，ASR的第3端接至Uct。

调节Ug（Ug为负电压），若稍加给定，电机转速即达最高速且调节Ug不可控，则表明单闭环系统速度反馈极性有误。

但若接成转速—电流双闭环系统，由于给定极性改变，故速度反馈极性可不变。

4．系统特性测试

将ASR,ACR均接成PI调节器接入系统，形成双闭环不可逆系统。

ASR的调试：

（a）反馈电位器RP3逆时针旋到底，使放大倍数最小；

（b）“5”、“6”端接入MEL—11电容器，预置5～7μF；

（c）调节RP1、RP2使输出限幅为±5V。

（1）机械特性n=f（Id）的测定

（a）调节转速给定电压Ug，使电机空载转速至1500r/min，再调节测功机加载旋钮（或发电机负载电阻Rg），在空载至额定负载范围内分别记录7～8点，可测出系统静特性曲线n=f（Id）

n（r/min）

1504

1502

1500

1496

1494

1493

I（A）

0.4

0.45

0.5

0.55

0.7

0.9

（2）闭环控制特性n=f（Ug）的测定

调节Ug，记录Ug和n，即可测出闭环控制特性n=f（Ug）。

n（r/min）

185

370

670

975

1260

1530

Ug（V）

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

8．系统动态波形的观察

用二踪慢扫描示波器观察动态波形，用光线示波器记录动态波形。

在不同的调节器参数下，观察，记录下列动态波形：

（1）突加给定起动时，电动机电枢电流波形和转速波形。

（2）突加额定负载时，电动机电枢电流波形和转速波形。

（3）突降负载时，电动机电枢电流波形和转速波形。

注：

电动机电枢电流波形的观察可通过ACR的第“1”端

转速波形的观察可通过ASR的第“1”端

七．实验报告

1．根据实验数据，画出闭环控制特性曲线。

闭环控制特性曲线如下图所示：

2．根据实验数据，画出闭环机械特性，并计算静差率。

闭环机械特性曲线如下图所示：

静差率为s=△nN/（nmin+△nN）=（1504-1493）/1504=0.73%

3．根据实验数据，画出系统开环机械特性，计算静差率，并与闭环机械特性进行比较。

系统的开环外特性如下图所示：

通过比较开环机械特性和闭环机械特性可知，闭环机械特性比开环机械特性硬，闭环系统的静差率比开环系统小得多。

4.分析由光线示波器记录下来的动态波形。

答：

加入给定后，电动机的电枢电流和转速波形上升，并出现超调，最后稳定在一个定值上；加入额定负载后，电动机的电枢电流增加，并出现超调，最后稳定在一个定值上，而转速波形比较平缓地上升；空降负载时，转速波形没什么变化，电枢电流波形下降，并出现超调。

图4-8

实验三双闭环三相异步电动机调压调速系统

一．实验目的

1．熟悉相位控制交流调压调速系统的组成与工作。

2．了解并熟悉双闭环三相异步电动机调压调速系统的原理及组成。

3．了解绕线式异步电动机转子串电阻时在调节定子电压调速时的机械特性。

4．通过测定系统的静特性和动态特性进一步理解交流调压系统中电流环和转速环的作用。

二．实验内容

1．测定绕线式异步电动机转子串电阻时的人为机械特性。

2．测定双闭环交流调压调速系统的静特性。

3．测定双闭环交流调压调速系统的动态特性。

三．实验系统组成及工作原理

双闭环三相异步电动机调压调速系统的主电路为三相晶闸管交流调压器及三相绕线式异步电动机（转子回路串电阻）。

控制系统由电流调节器（ACR），速度调节器（ASR），电流变换器（FBC），速度变换器（FBS），触发器（GT），一组桥脉冲放大器等组成。

其系统原理图如图5-1所示。

整个调速系统采用了速度，电流两个反馈控制环。

这里的速度环作用基本上与直流调速系统相同而电流环的作用则有所不同。

在稳定运行情况下，电流环对电网振动仍有较大的抗扰作用，但在起动过程中电流环仅起限制最大电流的作用，不会出现最佳起动的恒流特性，也不可能是恒转矩起动。

异步电机调压调速系统结构简单，采用双闭环系统时静差率较小，且比较容易实现正，反转，反接和能耗制动。

但在恒转矩负载下不能长时间低速运行，因低速运行时转差功率全部消耗在转子电阻中，使转子过热。

四．实验设备和仪器

1．MCL系列教学实验台主控制屏。

2．MCL—31A组件（适合MCL—Ⅲ）。

3．MCL—33组件

4．电机导轨及测速发电机、直流发电机

5．MEL—03三相可调电阻器（或自配滑线变阻器450，1A）

6．绕线式异步电动机

7．MEL—11组件

8．直流电动机M03

9．双踪示波器。

．

10．万用表

五．注意事项

1．接入ASR构成转速负反馈时，为了防止振荡，可预先把ASR的RP3电位器逆时针旋到底，使调节器放大倍数最小，同时，ASR的“5”、“6”端接入可调电容（预置7μF）。

3．测取静特性时，须注意电流不许超过电机的额定值（0.55A）。

4．三相主电源连线时需注意，不可换错相序。

5．电源开关闭合时，过流保护、过压保护的发光二极管可能会亮，只需按下对应的复位开关SB1、SB2即可正常工作。

6．系统开环连接时，不允许突加给定信号Ug起动电机。

7．起动电机时，需把MEL-13的测功机加载旋钮逆时针旋到底，以免带负载起动。

8．改变接线时，必须先按下主控制屏总电源开关的“断开”红色按钮，同时使系统的给定为零。

9．双踪示波器的两个探头地线通过示波器外壳短接，故在使用时，必须使两探头的地线同电位（只用一根地线即可），以免造成短路事故。

10．低速实验时，实验时间应尽量短，以免电阻器过热引起串接电阻数值的变化。

11．绕线式异步电动机：

PN=100W，UN=220V，IN=0.55A，nN=1350，MN=0.68，Y接。

六．实验方法

1．移相触发电路的调试（主电路未通电）

（a）用示波器观察MCL—33的双脉冲观察孔，应有双窄脉冲，且间隔均匀，幅值相同；

（b）将面板上的Ublf端接地，调节偏移电压Ub,使Uct=0时，接近1500。

将正组触发脉冲的六个键开关“接通”，观察正桥晶闸管的触发脉冲是否正常（应有幅值为1V～2V的双脉冲）。

（c）触发电路输出脉冲应在30°～90°范围内可调。

可通过对偏移电压调节电位器及ASR输出电压的调整实现。

例如：

使ASR输出为0V，调节偏移电压，实现α=90°；再保持偏移电压不变，调节ASR的限幅电位器RP1，使α=30°。

2．控制单元调试

按直流调速系统方法调试各单元

3．求取调速系统在无转速负反馈时的开环工作机械特性。

a．断开ASR（MCL—31A）的“3”至Uct（MCL—33或MCL—53）的连接线，G（给定）直接加至Uct，且Ug调至零。

直流电机励磁电源开关闭合。

电机转子回路接入每相为10左右的三相电阻。

b．合上主控制屏的绿色按钮开关，使Uuv、Uvw、Uwu=230V。

c．调节给定电压Ug，使电机空载转速n0=1300转/分，调节直流发电机负载电阻，在空载至额定负载的范围内测取7～8点，读取测功机输出转矩M（或直流发电机输入电压Ud，输出电流id）以及被测电动机转速n。

n（r/min）

1366

1320

1220

1100

945

834

703

648

id（A）

0.252

0.260

0.264

0.287

0.316

0.354

0.392

0.441

Ud（V）

180

158

132

122

115

111

108

104

M（N.m）

0.04

0.08

0.1

0.12

0.15

0.18

0.22

0.25

注：

若采用直流发电机，转矩可按下式计算

式中：

M——三相异步电动机电磁转矩；

IG——直流发电机电流；

UG——直流发电机电压；

RS——直流发电机电枢电阻；

P0——机组空载损耗。

不同转速下取不同数值：

n=1500r/min，Po=13.5W；n=1000r/min，Po=10W；n=500r/min，Po=6W。

d．调节Ug，降低电机端电压，在!

/3Ue及2/3Ue时重复上述实验，以取得一组人为机械特性。

4．系统调试

（1）调压器输出接三相电阻负载，观察输出电压波形是否正常。

（2）将系统接成双闭环调压调速系统，转子回路仍串每相10左右的电阻，渐加给定Ug至+5V,调节FBS的反馈电位器，使电机空载转速n0=1300转/分，观察电机运行是否正常。

（3）调节ASR.ACR的外接电容及放大倍数调节电位器，用慢扫描示波器观察突加给定的动态波形，确定较佳的调节器参数。

5．系统闭环特性的测定

调节Ug，使转速至n=1300r/min，从轻载按一定间隔做到额定负载，测出闭环静特性n=f（M）。

n（r/min）

1393

1366

1353

1326

1322

1291

1264

1227

id（A）

0.320

0.334

0.336

0.339

0.340

0.35

0.368

0.385

Ud（V）

211

210

211

212

214

214

212

209

M（N