运动控制

实验一单闭环晶闸管直流调速系统实验

一、实验目的

(1)熟悉DJDK-1型电机控制系统实验装置主控制屏DJK01的结构及调试方法;

(2)了解单闭环直流调速系统的原理、组成及各主要单元部件的原理;

(3)掌握晶闸管直流调速系统的一般调试过程;

(4)认识闭环反馈控制系统的基本特性。

二、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，可以采用闭环系统。图5-7所示的是单闭环直流调速系统。在转速反馈的单闭环直流调速系统中，将反映转速变化情况的测速发电机电压信号经速度变换器后接至速度调节器的输入端，与负给定电压相比较，速度调节器的输出用来控制整流桥的触发装置，从而构成闭环系统。而将电流互感器检测出的电压信号作为反馈信号的系统称为电流反馈的单闭环直流调速系统。

G:给定器 ASR:速度调节器 ACR:电流调节器 GT:触发装置

FBS:速度变换器 FA:过流保护器 FBC:电流变换器 API:I组脉冲放大器

图5-7 单闭环直流调速系统原理图

三、实验内容

(1)主控制屏DJK01的调试;

(2)基本控制单元调试;

(3)Uct不变时的直流电动机开环特性的测定;

(4)Ud不变时的直流电动机开环特性的测定;

(5)转速反馈的单闭环直流调速系统;

(6)电流反馈的单闭环直流调速系统。

四、实验设备

(1)主控制屏DJK01;(2)直流电动机-直流发电机-测速发电机组;

(4)双臂滑线电阻器;(5)双踪慢扫描示波器;(6)万用表.

五、预习要求

(1)复习电机控制(直流调速系统)教材中有关晶闸管直流调速系统、闭环反馈控制系统的内容;

(2)掌握调节器的工作原理;

（3）根据图5-7，能画出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。

六、思考题

(l)P调节器和PI调节器在直流调速系统中的作用有什么不同?

（2）实验中，如何确定转速反馈的极性并把转速反馈正确地接入系统中?调节什么元件能改变转速反馈的强度?

(3)实验时，如何能使电动机的负载从空载(接近空载)连续地调至额定负载?

七、实验方法

1．触发控制电路调试及开关设置

（1）打开总电源开关，观察各指示灯与电压表指示是否正常。

（2）“调速电源选择开关”拨至“直流调速”挡。“触发电路脉冲指示”应显示“窄”；“Ⅱ桥工作状态指示”应显示“其他”，如不满足这个要求，拨动DJK02面板上的钮子开关，使之符合上述要求。

（3）触发电路的调试方法：用示波器观察触发电路双脉冲是否正常，观察三相的锯齿波并调整a、b、c三相的锯齿波斜率调节电位器，使三相锯齿波斜率尽可能一致;观察6个触发脉冲，应使其间隔均匀，相互间隔60°。

（4）将给定器输出Ug直接接至触发电路控制电压Uct处，调节偏移电压U b，使U ct=0时，α=90°。

（5）将面板上的U lf端接地，将I组触发脉冲的六个开关拨至"接通”，观察正桥SCR1～SCR6晶闸管的触发脉冲是否正常。

2．Uct不变时的直流电机开环外特性的测定

(1)控制电压Uct由给定器的输出Ug直接接入，直流发电机接负载电阻R G。

(2)逐渐增加给定电压Ug，使电机启动，升速；调节Ug和RG使电动机电流I d=I ed、转速n＝n ed。

（3）改变负载电阻R G即可测出Uct不变时的直流电机开环外特性n = f(I d)，记录于下表中。

(1)控制电压U ct由给定器的输出Ug直接接入，直流发电机接负载电阻R G。

(2)逐渐增加给定电压Ug，使电机启动，升速；调节U g和R G，使电动机电流I d=I ed、转速n = n ed。

(3)改变负载电阻R G，同时保持Ud不变(可通过调节Uct来实现)，测出Ud不变时

(1)移相控制电压Uct的调节范围确定直接将给定电压Ug接入移相控制电压U ct的输入端，整流桥接电阻负载，用示波器观察u d的波形。当U ct由零调大时，U d 随U ct的增大而增大，当Uct超过某一数值Uct＇时，u d出现缺少波头的现象，这时U d反而随U ct的增大而减少。一般可确定移相控制电压的最大允许值U ctmax=0.9U ct＇，即U ct的允许调节范围为0～U ctmax。

(2)调节器的调整

a)调节器的调零将调节器输入端接地，将串联

反馈网络中的电容短接，使调节器成为比例(P)调节

器。调节面板上的调零电位器RP4，用万用表的mV

档测量，使调节器的输出电压为零。

b)正、负限幅值的调整将调节器的输入端接地

线和反馈电路短接线去掉，使调节器成为比例积分

(PI)调节器，然后将给定器输出“1”端接到调节器

的输入端，当加正给定时，调整负限幅电位器RP2，

使之输出电压为零(调至最小值即可);当调节器输

入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1，使正限幅

值符合实验要求。在本实验中，电流调节器和速度

调节器的输出正限幅均为Uctmax，负限幅均调至零。

5．转速反馈的单闭环直流调速系统

按图5-7接线，在本实验中，给定电压Ug为负给定，转速反馈电压为正电压，速度调节器接成比例(P)调节器。

调节给定电压Ug和直流发电机负载R G，使电动机运行在额定点，固定Ug，由轻载至满载调节直流发电机的负载，记录电动机的转速n和电枢电流I d于下表中。

6．电流反馈的单闭环直流调速系统

按图5-7接线，在本实验中，给定Ug为负给定，电流反馈电压为正电压，电流调节器接成比例（P）调节器。

调节给定电压Ug和直流发电机负载电阻R G，使直流电动机运行在额定点，固定Ug，由轻载至满载调节直流发电机的负载，记录电动机的转速n和电枢电流I d于下表中。

八、实验报告

(1)根据实验数据，画出Uct不变时的直流电动机开环机械特性;

(2)根据实验数据，画出Ud不变时的直流电动机开环机械特性;

(3)根据实验数据，画出转速反馈的单闭环直流调速系统的机械特性;

(4)根据实验数据，画出电流反馈的单闭环直流调速系统的机械特性;

(5)比较以上各种机械特性，并作出解释。

九、注意事项

(1)双踪慢扫描示波器的两个探头的地线通过示波器外壳接地，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;

(2)系统开环运行时，不能突加给定电压而启动电机，应逐渐增加给定电压，避免电流冲击;

(3)通电实验时，可先用电阻作为整流桥的负载，待电路正常后，再换接电动机负载;

(4)在连接反馈信号时，给定信号的极性必须与反馈信号的极性相反。

实验二 三相异步电机变频调速

一 变频调速原理简介

异步电机转速基本公式为：

其中n 为电机转速，f 为电源频率，p 为电机极对数，s 为电机运行滑差。滑差固定在最佳值时，改变 f 可以改变转速n 。为使电机在不同转速下运行在额定磁通，改变频率的同时必须成比例地改变输出电压的基波幅值。这就是所谓的V V V F 控制变频器。工频50HZ 电源整流后可以得到一个直流电压源。对此直流电压进行P W M 逆变控制，使变频器输出的P W M 波形中的基波为予先设定的电压/频率比曲线所规定的电压频率数值。因此，这个P W M 的调制方法是其中的关键技术。

目前常用的变频器调制方法为S P W M ，马鞍波P W M ，和电压空间矢量P W M 方式。

1、S P W M 变频调速方式

正弦波脉宽调制法（S P W M ）是最常用的一种调制方法，S P W M 信号是通过用三角载波信号与正弦信号相比较的方法产生，当改变正弦参考信号的幅值时，脉宽随之改变。从而改变了主回路输出电压的大小。当改变正弦参考信号的频率时，输出电压的频率即随之改变 。在变频器中，输出电压的

)

1(*60s p

f n -=

调整和输出频率的改变是同步协调地完成的，这称为V V V F（变压变频）。

S P W M调制方式的特点是半个周期内脉冲中心线等距，脉冲等幅，调宽，各脉冲面积之和与正弦波下的面积成正比例，因此，其调制波形接近于正弦波。在实际运用中对于三相逆变器，是由一个三相正弦波发生器产生三相参考信号，与一个公用的三角载波信号相比较，而产生三相调制波。如图1所示：

图1

二板面操作与测孔功能说明

挂件面板上清晰地画出了系统的方框图。各框图分别说明如下：

1、电源开关：合上开关之后，可以进行升速/降速等各种运作操作或波形测试。

2、三相逆变器输出开关：用于接通或开断电机供电，电机转动之后切勿开断，输出频率显示为0HZ时才可进行这个开关的通断操作。

3、电压函数选择开关K1、K2、K3、K4：选择K1—K4的不同状态组合，可以选择24=16根V/F曲线。K1—K4置于向上位置时定义为K i=0；置于向下位置时K i=1。

4、转向、增速、减速键：用于逆变器输出频率的增加、减少。按转向可以改变输出电压相序正/反转指示分别指示正转反转。注意：必须等电机停

止后，才可以进行正/反转操作。电机运行时不允许改变转向指令。

5、S、V、P插孔：三孔不作任何联接时为S P W M调制方式。S与V 孔相联时为电压矢量控制方式。V与P孔相联时为三次谐波注入（马鞍波）P W M控制方式。

6、计算机通信接口：用于本设备与计算机联机。可以仿真或由计算机键盘来操作。必须用本公司所提供的插件板，专用软件与联接电缆。

7、P L C控制接口可用P L C实现远程操作。

8、磁通轨迹观察孔X、Y、⊥用于联接到示波器的X、Y输入。

9、三相逆变器功率场效应管栅极控制信号测试孔V

G1—V

G6

。

10、信号波形测试孔1—17

（1）、测试孔1、9，它们的输出为直流电压，其数值正比于变频器输出电压基波分量的幅值。

（2）、测试孔2、3、4在S P W M方式、马鞍波P W M方式下观察参考波形。

（3）、测试孔5、14三角波载波信号波形测孔。

（4）、测试孔6、7、8脉宽调制波形测孔。

（5）、测试孔10、11、12空间电压矢量P W M控制方式下三相逆变器各相的开关状态指示。（不包括零矢量）。三相开关状态组合构成电压空间矢量。（6）、测试孔13在电压空间矢量P W M方式下P W M波形。

（7）、测试孔15、16、17注入零矢量后三相逆变器的各相工关状态。

三正弦波脉冲宽度调制（SPWM）原理实验

（一）实验目的

1、通过实验掌握S P W M的基本原理和实现方法；

2、熟悉与S P W M控制有关的信号波形。

（二）实验设备及仪器

1、 T H M F-1型变频调速实验系统一套；

2、双踪示波器一台。

（三）实验步骤

1、 SVP孔不联线，即设定到S P W M方式下；

2、接通电源，启动电机；

3、将频率设定到此为0.5HZ，观察电机的运行情况；

4、逐步升高频率，直至到达30HZ处

5、通过示波器观测三相正弦波信号（在测试孔2、3、4）；

6、通过示波器，观测三角载波信号，并估算频率（在测试孔5）；

7、通过示波器，观测三相SPWM波信号（在测试孔6、7、8）；

8、改变电机的转动方向，再观测上述信号的相位关系的变化；

9、将频率设定值在0.5HZ—60HZ的范围内不断改变，通过示波器在测试

孔2、3、4中观察正弦波信号的频率和幅值的关系。 （四）实验报告要求

1、 画出与S P W M 调制有关的主要信号波形说明S P W M 的基本原理。

2、 总结在0.5HZ —50HZ 的范围内正弦信号的幅值与频率的关系。

3、 总结在50HZ —60HZ 的范围内正弦信号幅值与频率的关系。

实验三 双闭环三相异步电机调压调速系统实验

一、实验目的

(1)了解并熟悉双闭环三相异步电机调压调速系统的原理及组成;

(2)了解转子串电阻的绕线式异步电机在调节定子电压调速时的机械特性; (3)通过测定系统的静态特性和动态特性，进一步理解交流调压系统中电流环和转速环的作用。 二、实验线路及原理

双闭环三相异步电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(转子回路串电阻从而使电机成为高滑差电机)。控制系统由电流调节器(ACR)、电流变换器(FBC)、速度变换器(FBS)、触发器(GT)、I 组桥脉冲放大器(APl)等组成。其系统原理图如图6-1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，电流环对电网扰动仍有较大的抗扰作用，但在启动过程中电流环仅起限制最大电流的作用，不会出现最佳启动的恒流特性，也不可能是恒转矩启动。

异步电动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。

三、实验内容

(1)测定三相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态特性; (3)测定双闭环交流调压调速系统的动态特性。

四、实验设备

(1) 主控制屏DJK01;(2)三相绕线式异步电动机-直流发电机-测速发电机;(3)DJK02、DJK04组件挂箱,DJK08电容挂箱;(4)双臂滑线电阻器;(5)双踪慢扫描示波器;(6)记忆示波器;(7)万用表。

m S SP P

图 6-1 双闭环三相异步电机调压调速系统原理图

五、预习要求

(1)复习电力电子技术、电机控制(交流调速系统)教材中有关三相晶闸管调压电路和异步电机晶闸管调压调速系统的内容，掌握调压调速系统的工作原理;

(2)学习本教材2-2、2-3中有关三相晶闸管触发电路的内容，了解三相交流调压电路对触发电路的要求。

六、思考题

(1)在本实验中，三相绕线式异步电机转子回路串接电阻的目的是什么?不串电阻能否正常运行?

(2)为什么交流调压调速系统不宜用于长期处于低速运行的生产机械和大功率设备上?

七、实验方法

1．主控制屏调试及开关设置

(1)开关设置调速电源选择开关置于“交流调速”;触发电路脉冲指示:“宽”;

Ⅱ桥工作状态指示:任意(U lr悬空)。

(2)用示波器观察触发电路“双脉冲”观察孔，此时的触发脉冲应是后沿固定、

前沿可调的宽脉冲。

(3)将G输出Ug直接接至Uct调节偏移电压U b使Uct=0时，α接近180°。

(4)将面板上的U lf端接地，将正组触发脉冲的六个开关拨至“接通”，观察正桥

SCR1～SCR6。晶闸管的触发脉冲是否正常。

2．控制单元调试

调试方法与5-2相同。

3．人为机械特性n =f(M)测定

(1)系统开环，将G 输出直接接至Uct ，电机转子回路接入每相为3Ω左右的三相电阻。

(2)增大Ug 使电机端电压为额定电压Ue 改变直流发电机的负载，测定机械特性n = f(M)。转矩可按下式计算:

(6-1) 式中，M 为三相异步电机电磁转矩;I G 为直流发电机电流;U G 为直流发电机电压;Rs 为

直流发电机电枢电阻;Po 为机组空载损耗。

(3)调节Ug ，降低电机端电压，在1/3Ue 及2/3Ue 时重复上述实验，以取得一组人为

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)按5-3的调试方式确定ASR 、ACR 的限幅值和电流、转速反馈的极性及反馈系数；

（3)将系统接成双闭环调压调速系统，电机转子回路仍串每组3Ω左右的电阻，逐渐加给定Ug ，观察电机运行是否正常;

(4)调节ASR 、ACR 的外接电容及放大倍数电位器，用双踪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

(1) 调节Ug 使转速至n=1400r/min ，从轻载按一定间隔做到额定负载，测出闭环

(

)

n

P R I U I M S G G G /55.902

++=

(2)测出n=800r/min时的系统闭环静态特性n=f(M)，M可由(6-1)式计算。

6．系统动态特性的观察

用慢扫描示波器观察并用记忆示波器记录:

(1)突加给定启动电机时的转速n(速度变换器“3”端)及电流i(电流变换器“2”

端) 及ASR输出U gi的动态波形;

(2)电机稳定运行，突加、突减负载(20%I e<=>100%I e)时的n、i、U gi的动态波形。

八、实验报告

(1)根据实验数据，画出开环时电机人为机械特性n=f（M）;

(2)根据实验数据画出闭环系统静态特性n=f（M)，并与开环特性进行比较;

(3)根据记录下的动态波形分析系统的动态过程。

九、注意事项

(1)在做实验时，应保证触发器输出的是后沿固定、前沿可调的宽脉冲;

(2)在做低速实验时，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;

(3)转子串接电阻为3Ω左右，可根据需要进行调节，以便系统有较好的性能

（4）计算转矩M时用到的机组空载损耗Po由实验室提供。