运动控制系统实验.docx

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运动控制系统实验

运动控制系统实验讲义

实验一不可逆单闭环直流调速系统

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．实验内容

1．系统开环工作机械特性。

2．转速负反馈有静差系统工作静特性。

3．转速调节器ASR输出限幅调节。

4．转速反馈信号强度整定及极性判别。

三．实验线路及原理

实验线路参见图6-3.2。

四．实验设备及仪器

1．MCL—Ⅲ教学实验台主控制屏

2．MCL—32T组件

3．MCL—31组件

4．MCL—33组件

5．可调电阻器900Ω/0.4A×2

6．电机导轨及测速发电机

7．直流电动机M03

8．直流发电机M01

9．双踪示波器

10．万用表

五．实验方法

1．按图接线，触发电路检查及调试（主电路电源未通电）

依次打开实验台主控制屏上的自动开关、中央锁控开关、低压直流开关、激磁电源开关，有正常的电压LED指示。

参见第四章实验七：

（1）同步电源相序、触发电路脉冲检查。

（2）如图6-3.1所示,调节脉冲初始相位α=90°。

2．系统开环工作机械特性。

（1）G（给定）输出直接加至相移控制电压Uct端。

给定电位器RP1左旋到底，使Uct=0。

电机空载。

（2）合上主电路电源，逐渐调节给定电压Ug，使电机空载转速n0=1500转/分，调节发电机负载电阻Rd，在空载至额定负载的范围内（0.8A）测取7～8点，读取电机电枢电流Id以及对应转速n。

求取系统开环工作机械特性曲线n=ƒ（Id）。

Id（A）

0.8A

n（r/min）

1500

（3）在电机额定状态下（同时满足n=1500r/min、Id=0.8A），调节FBS的RP电位器使转速反馈输出为+5V，同时，用万用表测取给定电压输出作为Ugmax。

3．转速负反馈有静差系统工作静特性

（1）断开主回路电源，ASR的输入“1”端与FBS转速反馈的输出“3”端相连（另外注意转速反馈输出“4”端与给定单元共地），输入“2”端与G（给定）的输出Ug端相连，输出“3”端与相移控制电压Uct端相连，“4”端与DZS零速封锁的输出“3”端相连，短接ASR的“5”与“6”端，构成比例调节器。

S1开关打至“负给定”。

DZS的输入“1”端与G（给定）输出Ug端相连，S3开关打至“封锁”。

（2）主电路未通电。

分别加上足够大的正负给定电压（>5V），对应调节ASR的RP1、RP2（正、负限幅电位器），使“3”端输出电压正、负限幅值为Ugmax+0.3V及–0.7V。

（3）给定电位器RP2左旋到底，使Ug=0。

电机空载。

（4）合上主电路电源，逐渐调节给定电压Ug，使电机空载转速n0=1500转/分，调节ASR的增益调节电位器RP3、RP4，使电机稳定运行。

调节发电机负载电阻Rd，在空载至额定负载范围内（0.8A）测取7～8点，。

求取转速负反馈有静差系统工作静特性曲线n=ƒ（Id）。

Id（A）

0.8

n（r/min）

1500

六．重点、难点及注意事项

1．整流主电路与三相电源连接时，注意相序对应。

2．在主电路电源未接通时，调试触发电路，使之正常工作。

3．触发电路初始相位调试α=90°。

4．Uk输出功率时始终为正，故调节器反向输入时有给定Ug为负电压，转速反馈信号强度整定及极性为+5V/1500rpm，即转速反馈整定输出负端接地。

5．转速调节器ASR积分电容端短接，构成有静差比例调节系统。

6．调节器输出限幅值调节时不开通主回路，大于5V的正、负给定直接加在调节器的反向输入端，短接积分电容。

7．转速调节器ASR输出限幅值为开环满载情况下的Ugmax+0.3V及-0.7V。

8．发电机输出空载时理解为电动机机械空载。

9．构成转速负反馈时，为了防止振荡，可预先把ASR的RP3、RP4电位器左旋到底，使调节器放大倍数最小。

10．系统在电流开环情况下不允许突加给定快速启动电机，以防过电流。

即在控制电压Uct=0时接通主电路电源，然后逐渐增大Uct，使整流电路投入工作。

11．注意直流电机工作前必须先加有励磁。

12．注意双踪示波器两个探头使用中的共地问题。

13．任何电路改接不能带电操作,必须首先按下主电路电源开关的红色“断开”按钮,确保人机安全。

七．实验报告

绘制实验所得静特性曲线，并进行分析、比较。

八．思考

1．系统在开环、有静差闭环工作时，速度调节器ASR各工作在什么状态？

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Ud，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？

实验二不可逆双闭环直流调速系统

一．实验目的

1．了解不可逆双闭环直流调速系统的原理，组成及各主要单元部件的原理。

2．掌握不可逆双闭环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．整定转速、电流反馈系数。

3．观察、记录系统动态波形，测定系统工作静特性。

4．测定系统闭环控制特性。

三．实验线路及原理

双闭环晶闸管不可逆直流调速系统由转速和电流两个调节器综合调节，由于调速系统调节的主要量为转速，故转速环作为主环在外面，电流环作为付环在里面，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6-4.2所示。

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。

系统启动时，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—Ⅲ教学实验台主控制屏

2．MCL—32T组件

3．MCL—31组件

4．MCL—33组件

5．MCL—11组件

6．可调电阻器900Ω/0.4A×2

7．电机导轨及测速发电机

8．直流电动机M03

9．直流发电机M01

10．双踪示波器

11．万用表

五.实验方法

1．按图接线，触发电路检查及调试（主电路电源未通电）

依次打开实验台主控制屏上的自动开关、中央锁控开关、低压直流开关、激磁电源开关，有正常的电压LED指示。

参见第四章实验七、本章实验三：

（1）同步电源相序、触发电路脉冲检查。

（2）调节脉冲初始相位α=90°。

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，然后在确定转速和电流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．单元调试

系统开环结构，参见本章实验三相关部分：

（1）整定转速反馈输出为–5V。

（2）测取给定电压输出作为Ugmax。

（3）整定电流反馈输出为+5V。

（4）主电路未通电。

分别加上足够大的正负给定电压（>5V），对应调节ASR调节器的RP1、RP2（正、负限幅电位器）使“3”端输出电压正、负限幅值为±5V。

（5）同上，调节ACR调节器的RP1、RP2电位器使“7”端输出电压正、负限幅值为Ugmax+0.3V及-0.7V。

4．系统调试

（1）电流环调试

（a）断开主电路电源，ACR的输入“1”端接FBC电流反馈输出端，输入“3”端接MCL—31的G（给定）输出Ug端，输出“7”端接至相移控制电压Uct端，“8”端接DZS零速封锁的输出“3”端，“9”、“10”端接MEL—11电容器（预置7μF），即由接成PI方式的ACR调节器构成电流单闭环系统。

调节给定电位器RP2使Ug=–5V，给定输出S2开关打向“0V”。

DZS的输入“1”端接G（给定）输出Ug端，S3开关打至“封锁”。

示波器接至电流反馈输出端。

（b）保持给定电位器合上主电路电源，给定输出S2开关打向“±给定”，即在系统突加阶跃给定电压的同时，观察示波器上的电流波形。

调节ACR的PI参数（RP3、RP4及电容），反复此过程，当无超调（或略有超调但不超过5%）且上升时间较短如图6-4.1中曲线Ⅱ所示时，电流环调试完毕。

（2）速度环调试

（a）断开主电路电源，ASR的输入“1”端接FBS转速反馈输出“4”端（另外注意转速反馈输出“3”端与给定单元共地），输入“2”端接MCL—31的G（给定）输出电压Ug端，输出“3”端接ACR的输入“3”或“5”端，“4”端接DZS零速封锁的输出“3”端，“5”、“6”端接MEL—11电容器（预置7μF），即由接成PI方式的ASR、ACR调节器构成不可逆转速电流无静差双闭环系统。

调节给定电位器RP1使Ug=5V，给定输出S2开关打至“0V”。

示波器接至FBS转速反馈输出“4”端。

（b）保持给定电位器合上主电路电源，给定输出S2开关打至“±给定”，即在系统突加阶跃给定电压的同时，观察示波器上的转速波形。

调节ASR的PI参数（RP3、RP4及电容），反复此过程，当超调量σn≤10%且启动时间最短如图6-4.1中曲线Ⅰ所示时，转速环调试完毕。

5．不可逆双闭环系统工作静特性

（1）机械特性n=f（Id）的测定

调节转速给定电压Ug，使电机空载转速至1500r/min，调节发电机负载电阻Rd，在空载至额定负载范围内（0.8A）分别记录7～8点，读取电机电枢电流Id以及对应转速n。

求取不可逆转速电流双闭环无静差系统静特性曲线n=f（Id）。

Id（A）

0.8

n（r/min）

1500

8．系统动态波形观察

用双踪慢扫描示波器观察系统动态波形，用存储示波器记录动态波形。

（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。

六．重点、难点及注意事项

14．整流主电路与三相电源连接时，注意相序对应。

15．在主电路电源未接通时，调试触发电路，使之正常工作。

16．触发电路初始相位调试α=90°。

17．Uk输出功率时始终为正，故调节器反向输入时有给定Ug为正电压，转速反馈信号强度整定及极性为-5V/1500rpm，即转速反馈整定输出正端接地，电流反馈信号强度整定及极性为+5V/1.2A。

18．转速调节器ASR、电流调节器ACR积分电容端预直7uf，构成无静差调节系统。

19．转速调节器ASR输出限幅值为±5V。

电流调节器ACR输出限幅值为开环满载情况下的Ugmax+0.3V及-0.7V。

20．调节器输出限幅值调节时不开通主回路，大于5V的正、负给定直接加在调节器的反向输入端，短接积分电容。

21．发电机输出空载时理解为电动机机械空载。

22．构成转速负反馈时，为了防止振荡，可预先把ASR的RP3、RP4电位器左旋到底，使调节器放大倍数最小。

23．系统在电流开环情况下不允许突加给定快速启动电机，以防过电流。

即在控制电压Uct=0时接通主电路电源，然后逐渐增大Uct，使整流电路投入工作。

24．注意直流电机工作前必须先加有励磁。

25．注意双踪示波器两个探头使用中的共地问题。

26．任何电路改接不能带电操作,必须首先按下主电路电源开关的红色“断开”按钮,确保人机安全。

七．实验报告

1．根据实验数据，绘出闭环控制特性曲线。

2．根据实验数据，绘出闭环机械特性曲线，计算静差率，并与开环机械特性进行比较。

3．分析由存储示波器记录下来的动态波形。

实验三双闭环可逆直流脉宽调速系统

一．实验目的

1．掌握双闭环可逆直流脉宽调速系统的组成、原理及各主要单元部件的工作原理。

2．熟悉直流PWM专用集成电路SG3525的组成、功能与工作原理。

3．熟悉H型PWM变换器的各种控制方式的原理与特点。

4．掌握双闭环可逆直流脉宽调速系统的调试步骤、方法及参数的整定。

二．实验内容

1．PWM控制器SG3525性能测试。

2．控制单元调试。

3．系统开环调试。

4．系统闭环调试

5．系统稳态、动态特性测试。

6．H型PWM变换器不同控制方式时的性能测试。

三．实验线路及原理

系统原理图如图6-6.2所示。

在中小容量的直流传动系统中，采用自关断器件的脉宽调速系统比相控系统具有更多的优越性，因而日益得到广泛应用。

双闭环脉宽调速系统的原理框图如图6-6.1所示。

图中可逆PWM变换器主电路系采用MOSFET所构成的H型结构形式，UPW为脉宽调制器，DLD为逻辑延时环节，GD为MOS管的栅极驱动电路，FBA为电流反馈环节，FA为瞬时动作的过流保护。

脉宽调制器UPW采用美国硅通用公司（SiliconGeneral）的第二代产品SG3525，这是一种性能优良，功能全、通用性强的单片集成PWM控制器。

由于它简单、可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试，

故获得广泛使用。

图6-6.1双闭环脉宽调速系统的原理图

．实验设备及仪器

1．MCL—Ⅲ教学实验台主控制屏

2．MCL—32T组件

3．MCL—31组件

4．MCL—10A组件

5．MCL—11组件

6．可调电阻器900Ω/0.4A×2

7．电机导轨及测速发电机

8．直流电动机M03

9．直流发电机M01

10．双踪示波器

11．万用表

五．实验方法

依次打开实验台主控制屏上的自动开关、中央锁控开关、低压直流开关、激磁电源开关，有正常的电压LED指示。

1．SG3525性能测试

（1）用示波器观察“1”端的电压波形，记录波形的周期、幅度。

（2）用示波器观察“2”端的电压波形，调节RP2电位器，使方波的占空比为50%。

（3）用导线将G（给定）的输出“1”端和UPW脉宽调制器的控制“3”端相连，分别调节正负给定，记录“2”端输出波形的最大占空比和最小占空比。

3．开环系统调试

（1）系统开环机械特性测定

给定电位器RP1左旋到底，使Ug=0，S1开关打向“正给定”，S2开关打向“±给定”。

电机空载。

合上主电路电源，逐渐调节给定电压Ug，使电机空载转速n0=1000转/分，调节发电机负载电阻Rd，在空载至额定负载的范围内（0.7A）测取7～8点，读取电机电枢电流Id以及对应转速n。

求取系统开环工作机械特性曲线n=ƒ（Id）。

n0=1000r/min

Id（A）

0.7

n（r/min）

1500

给定电位器RP2左旋到底，给定单元的S1开关打向“负给定”，然后按照以上方法，测出系统的反向机械特性曲线n=ƒ（Id）。

（2）速度反馈系数的调试

发电机负载电阻Rd为900Ω电阻A1、A2端并联后由A1、A3端接入。

在电机额定状态下（同时满足n=1000r/min、Id=0.7A），调节FBS的RP电位器使转速反馈输出为–5V，同时，用万用表测取给定电压输出作为Ugmax。

（3）电流反馈系数的调试

在上述基础上，继续调节发电机负载电阻Rd，注意电机电枢电流变化，待Id=1.5Ied（1.0A）时，调节FBA的RP1电位器使电流反馈“9”端输出为+2V。

4．闭环系统调试

按图连线，即由接成PI方式的ASR、ACR调节器构成双闭环可逆直流脉宽调速系统。

MCL—10A与MCL—31控制共地。

主电路未通电。

参见本章实验三、四：

（1）ASR速度调节器的调试

调节ASR输出正、负限幅为±2V。

（2）电流调节器的调试

调节ACR输出正、负限幅为±Ugmax+0.3V。

用示波器观察UPW的输出“2”端确认脉冲正常，否则适当减小其输出正、负限幅。

5．闭环系统静特性测试

（1）机械特性n=f（Id）的测定

给定电位器RP1左旋到底，使Ug=0，S1开关打向“正给定”，S2开关打向“±给定”。

电机空载。

合上主电路电源，逐渐调节给定电压Ug，使电机空载转速n0=1500n/min。

参见本章实验四，反复调节系统ASR、ACR调节器的PI参数，使系统稳定，动态品质良好。

电机空载转速至n0=1500n/min,调节发电机负载电阻Rd，在空载至额定负载的范围内（0.7A）测取7～8点，读取电机电枢电流Id以及对应转速n。

求取闭环系统正转时的静特性曲线n=f（Id）。

I（A）

0.7

n（r/min）

1500

给定电位器RP2左旋到底，使Ug=0，S1开关打向“负给定”，S2开关打向“±给定”。

电机空载。

合上主电路电源，逐渐调节给定电压Ug，使电机空载转速n0=1500转/分，调节发电机负载电阻Rd，在空载至额定负载的范围内（0.7A）测取7～8点，读取电机电枢电流Id以及对应转速n。

求取闭环系统反转时的静特性曲线n=f（Id）。

I（A）

0.7

n（r/min）

1500

6．系统动态波形的观察

在不同的调节器参数下，用双踪慢扫描示波器同时观察系统动态转速、电流波形并记录：

（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。

六．重点、难点及注意事项

27．在主电路电源未接通时，调试SG3525电路占控比为50%，使之正常工作。

28．Uk输出功率时始终为正，故调节器反向输入时有给定Ug为正电压，转速反馈信号强度整定及极性为-5V/1500rpm，即转速反馈整定输出正端接地，电流反馈信号强度整定及极性为+2V/1.0A。

29．转速调节器ASR、电流调节器ACR积分电容端预直7uf，构成无静差调节系统。

30．转速调节器ASR输出限幅值为±2V。

电流调节器ACR输出限幅值为开环满载情况下的±Ugmax+0.3V。

31．调节器输出限幅值调节时不开通主回路，大于5V的正、负给定直接加在调节器的反向输入端，短接积分电容。

32．发电机输出空载时理解为电动机机械空载。

33．构成转速负反馈时，为了防止振荡，可预先把ASR的RP3、RP4电位器左旋到底，使调节器放大倍数最小。

34．系统在电流开环情况下不允许突加给定快速启动电机，以防过电流。

即在控制电压Uct=0时接通主电路电源，然后逐渐增大Uct，使直流脉宽调速电路投入工作。

35．注意直流电机工作前必须先加有励磁。

36．注意双踪示波器两个探头使用中的共地问题。

37．任何电路改接不能带电操作,必须首先按下主电路电源开关的红色“断开”按钮,确保人机安全。

七．实验报告

1．根据实验数据，列出SG3525的各项性能参数、逻辑延时时间、同一桥臂驱动信号死区时间、起动限流继电器吸合时的直流电压值等。

2．列出开环机械特性数据,画出对应的曲线,并计算出满足S=0.05时的开环系统调速范围。

3．根据实验数据，计算出电流反馈系数β与速度反馈系数α。

4．列出闭环机械特性数据，画出对应的曲线，计算出满足S=0.05时的闭环系统调速范围，并与开环系统调速范围相比较。

5．列出闭环控制特性n=f（ug）数据，并画出对应的曲线。

6．画出下列动态波形

（1）突加给定时的电动机电枢电流和转速波形，并在图上标出超调量等参数。

（2）突加与突减负载时的电动机电枢电流和转速波形。

7．试对H型变换器的优缺点以及由SG3525控制器构成的直流脉宽调速系统的优缺点及适用场合作出评述。

8．对实验中感兴趣现象的分析、讨论。

9．实验收获与体会。

八．思考

1．为了防止上、下桥臂的直通，有人把上、下桥臂驱动信号死区时间调得很大，这样做行不行，为什么？

您认为死区时间长短由哪些参数决定？

2．与采用晶闸管的移相控制直流调速系统相对比，试归纳采用自关断器件的脉宽调速系统的优点。

实验四双闭环三相异步电动机调压调速系统

．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。

．实验内容

1．测定绕线式异步电动机转子串电阻时的机械特性。

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．实验线路及原理

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7-1.1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。

．实验设备及仪器

1．MCL—Ⅲ教学实验台主控制屏

2．MCL—32T组件

3．MCL—31组件

4．MCL—33组件

5．MEL—11组件

6．直流电机M03

7．电机导轨及测速发电机

8．绕线式异步电动机M09

9．转子回路负载电阻（自备）

10．可调电阻器900Ω/0.4A×2

11．双踪示波器

12．万用表

五．实验方法

1．按图接线，触发电路检查及调试（主电路电源未通电）

依次打开实验台主控制屏上的自动开关、中央锁控开关、低压直流开关、激磁电源开关，有正常的电压LED指示。

参见第四章实验七：

（1）同步电源相序、触发电路脉冲检查。

（2）调节脉冲初始相位α=150°。

2．系统开环工作机械特性

（1）G（给定）输出直接加至相移控制电压Uct端。

给定电位器RP1左旋到底，使Ug=0。

异步电机转子回路接入每相为10左右的三相电阻。

发电机空载。

（2）合上主电路电源，逐渐调节给定电压Ug，使电机空载转速分别至n0=1000r/min、n0=1200r/min，调节发电机负载电阻Rd，在空载至额定负载的范围内（线电流0.5A）测取7～8点，读取发电机电枢电流IG、电枢电压UG以及对应转速n。

求取系统开环工作机械特性曲线n=f（M）。

n（r/min）

IG（A）

UG（V）

M（N.m）

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