新编运动控制系统试验指导1

实验三 恒压频比控制的变频调速系统实验 一．实验目的：
1．了解恒压频比控制的变频调速系统的组成。

2．掌握微处理器控制的变频器与电机特性相关的一些重要参数的设定。

3．了解PWM 波形形成的原理，观察电压空间矢量波形。

4．深入了解恒压频比控制的机理。

通过实验初步学会使用变频器。

二．系统的组成及工作原理：
（一） 系统的组成
图3 恒压频比控制的变频调速系统原理图
（二）工作原理
1．由异步电动机转速公式：)1(601
s n f n p
-=
可知，如果均匀地改变其定子供电频率f 1，就可平滑地调节其转速n ，同时希望保持电机中每极磁通量为额定值。

在额定转速下调速，若磁通下降：则电磁转矩将减小，另外随着最大电磁转矩的下降，则可造成堵转；若使磁通上升：则会使磁极磁路饱和，励磁电流迅速上升，导致铁损大量增加，铁心严重过热，效率大大降低，绕组绝缘降低，甚至烧毁电机。

因此调速过程中，不仅要改变f 1，而且要保持（控制）磁通恒定。

2．异步电动机每相电动势的有效值：m N g K N f E Φ=11144.4。

其中：N 1：定子每相绕组匝数，K N 1：基波绕组系数，Φm ：每极气隙磁通量。

由前面的公式可知，只要保持E g /f 1为常数，即可达到控制磁通Φm 的目的。

三．实验所需设备：
1． 交流电动机 （732 04） 2． PWM 控制单元 （735 291 ） 3． 变频器主电路单元 (735 297 )
4． 转速、转矩测控单元 （731 85） 5． 四通道隔离放大器 （735 261）
6．数字示波器（DS-1042C）
7．磁粉制动器（731 84）
8．多功能电流、电压表（727 01）
9. 给定信号发生器 (734 02)
四．实验内容及步骤：
（一）认识设备，接线组成恒压频比控制的变频调速系统
参照图3、4进行接线、组成恒压频比控制的变频调速系统，（注意：连接导线应该注意颜色搭配，仅安全接地线用黄/绿颜色导线。

经指导教师检查后，方可通电）。

并将一块(727 01)电流、电压表设为交流电压表接于变频器的U、V相间，而另一块(727
01)设为交流电流表串接于U相，再将测速机电压引人731 85的TACHO口。

图4 恒压频比控制的变频调速实验系统接线图
（二）设置变频器参数
735 291单元通电后用DISPLAY MODE键选择参数菜单,用↑,↓键按下表对各参数进行设置。

（注意：系统参数设置后逆变器不要轻易断电，因为一旦断电后一些参数保持不住，需要重新设置。

）
（三）测绘V/F 曲线
（四）观察记录变频器输出波形和电压空间矢量波形 1． 观察记录变频器输出的PWM 波形 a 观察记录局部PWM 波形
设置：示波器：设为双信道方式,选Display 钮，设显示类型为点方式。

扫描频率为50s ， Y 轴增益为2V ；。

四通道隔离放大器（735 261）：下方的开关MULIPLIEXER 设为上
方向。

示波器CH2通道接于四通道隔离放大器（735 261）的下方第二个输出口
观察并记录F ＝25Hz 左右时变频器三相输出的载波频率下的波形、注意三相瞬
态脉宽波形是否等宽，在示波器扫描频率微调旋钮顺时针归零后，用示波器测量载波频率的周期并计算出载波频率f 。

B 观察整体PWM 波形
先将示波器CH1、CH2两通道分别接于四通道隔离放大器（735 261）的A.B 输出口，示波器扫描时间设为5ms 。

观察并记录F ＝40HZ 左右变频器三相输出的调制波周期下的波形、注意观察调制波周期内载波脉宽按正弦波规律分布情况（用长、短线段、点表示波形亮暗的过度，注意亮暗过渡和三相PWM 波形的相位差）。

最后从示波器上读出调制波的近似周期。

U U V U V
f = T =
载波周期下的PWM 波形 调制波周期下PWM 的波形 1． 观察并记录变频器参数b 分别为11（正弦PWM ）、41(方波PWM)两种模式下的电压
空间矢量波形：
X X
正弦PWM电压空间矢量图方波PWM电压空间矢量图
设置：F＝40HZ左右、示波器：选MENU键时基设为设为X-Y输入方式；四通道隔离放大器(735 261)：下方的开关SPACE VECTER设为下方向；CH1、CH2分别接于四通道隔离放大器(735 261)下方的第1、2两个端口。

观察并绘出：当模式分别为11(正弦PWM)和41(方波PWM)时，电压空间矢量波形应分别为园形和正六边形。

（五）测绘恒压频比控制的变频调速系统的负载特性
先将模式选为11、设定F=50，并启动转速、转矩测控单元（731 85）。

当负载以0.1Nm为单位从小到大逐点增加直至堵转时，逐点记录转矩及对应的转数值
并绘出n =f ( T ) 曲线。

（六）观察、分析启动电压在低频启动时对系统的影响：
负载为轻载，F设置为5 Hz左右时，由于电动机定子绕组压降的影响，造成电机启动困难。

此时应增加启动电压（参数9）进行低频电压补偿，提升低频段
的转矩，同时观察电机的连轴节处至电机可以运转为止。

分析低频启动困难的原
因、理解启动电压这一参数的作用，并绘出这条增加启动电压后的V/F曲线（方
法、要求同三，为了便于对照，可把两条V/F曲线画在同一个坐标上）。

U START =
五．思考题
1．实验中观察的载波频率下的U、V、W三相PWM波形是否应该等宽?为什么？
2．设置或提高起始电压U START的目的是什么?
实验四 转速闭环的交流调速系统
一．实验目的
（一） 了解转速闭环PID 控制的变频调速系统的组成。

（二） 进一步了解PID 控制单元在转速闭环系统中的作用。

（三） 进一步了解系统在突加给定启动过程中及在受负载扰动时的动态特性。

（四） 初步掌握转速闭环的交流调速系统速度环节的调试及参数整定方法。

二．系统的组成及工作原理
（一）系统的组成
由恒压频比变频器、PID 控制单元、给定单元、测速发电机和转速、转矩控制单元组成了转速闭环的交流调速系统。

图5 转速闭环的交流调速系统原理图
（二）工作原理
1．系统的运动方程：dt
d n J T T P L
e ω
⋅
=
-，由公式得：动态性能取决于控制e T 的能力。

2．交流异步电动机电磁转矩方程：22cos ϕI C T m m e 'Φ=→2
12222
2)
(L R R K T s s m
m e '+''Φ=ωω 其中：1123N p m K N n C =
，1ωωs s =，112
1
N m m K N C K =。

稳定运行时，s 很小，ωs 很小，一般为ω1的2%~5%，即212
R L s '<<'ω，这时，2
2
R K T s
m m e 'Φ≈ω，则：s 很
小，维持m Φ不变，s e T ω∝，即控制s ω即控制e T 。

3．工作原理
①起动过程：转速调节器的输出使ω1上升。

恒压频比控制保证在起动过程中m Φ恒
定；当ω上升到*
≥ωω，ASR 退出饱和，*s ω由*max s ω下降到L e T T =的对应值上
（0≠s ω）电机稳定运行在对应*
ω的转速ω上。

②负载变化：突加负载L T 则引起电机转速ω下降，使*
<ωω，ASR 输出开始上升，
只要*
<ωω，则ASR 一直正向积分，致使电机很快加速，直到**=max s s ωω，使ma x e e T T =。

当转速恢复到*≥ωω时，ASR 开始反向积分，*max s ω下降，
最终达到*
=ωω重新进入稳态，实现了转速无静差调节。

三．实验所需设备
1．交流电动机 （732 04） 2．PWM 控制单元 (735 291)
3．变频器主电路单元 (735 297) 4．PID 控制器 （734 061） 5．数字示波器 （DS-1042C ） 6．转速、转矩测控单元 （731 85） 7．磁粉刹车装置 （731 84） 8．多功能电流、电压表 （727 01） 9. 给定信号发生器 (734 02) 10. 四通道隔离放大器 (735 261) 11. 放大器 （734 19）
四．实验内容
（一）连线组成转速闭环的交流调速系统并设置部分变频器参数
按图6连线。

接线经过检查无误后合闸通电，再按参数表内所列参数对变频器行设置。

注意：一旦变频器通电后，无特殊情况不要轻易关掉其电源，因为重新上电后一些参数不
能保持需重新设置。

图6 转速闭环的交流调速实验系统接线图
（二）调整转速反馈系数α
调整转速给定U n*至最大，电机运行至n = 2000r/min时，通过调整放大器（734 19）的放大系数，使得U nm=U nm*=10V。

（三）设置合适的PID参数（参数整定）
1．调整U n*、U n两个量在示波器上的位置和幅值
首先应先调整好四通道隔离放大器和示波器的位移。

即先在U n*=0、n=0时用A、B两个通道的位移旋钮将两条扫描线调重合、并且放置于示波器屏幕下方的栅格上。

启动电机闭环运行在n=1000r/min后，再用四通道隔离放大器的A、B两个通道的增益旋钮调整，使得U n*、U n的幅值为5个栅格、两条线重合（此时示波器的
Y 通道增益一般应在2V 档）。

2. 调整P 、I 参数
然后先暂将PID 控制单元（734 061）的微分环节关掉，关掉给定后再做突加
给定启动，观察U n *
和U n 的动态波形，并通过反复仔细调整K p （比例）和T N （（积分）的粗调和细调旋钮、突加给定启动后观察速度曲线，直至系统具有加速快、超调量较小、基本无振荡为止。

3．调整微分参D
将PID 控制单元（734 061）的微分环节的开关设为ON ，调节微分参数至基本无超调。

（四）观察记录加、减速速度曲线和突加负载扰动时的动态响应过程
1．阶跃给定，U n *
=5V 左右使n=1000r/min 、轻载启动。

观察记录：○1速度给定Un*和速度反馈U n 的动态波形及调节时间。

○2以万用表测量稳态时转速给定U n *
和转速反馈U n 的电压值。

2．突减给定至0V 、电机转速由1000r/min 减至零。

观察记录：速度给定Un*和速度反馈U n 的波形及调节时间。

U n *＝
U n ＝ 系统的加、减速速度曲线
3．在转速
为
1000r/min 稳定运行条件下，突加0.5Nm 左右的负载。

观察记录：速度给定、速度反馈动态波形、动态速降和调节时间。

t
U n */U Δn=Δt=
突加负载扰动时系统的动态波形
t
U n *
具体操作：先把负载在原来轻载(空载)的基础上增加0.5Nm，然后关掉731 85电源后重新合上，在按(731 85)的RESET键的同时观察示波器上突加负载扰动时
U n*、U n的动态波形的波形，应该多次操作、仔细观察、记录恢复时间和动态转
速降落值。

（五）测绘开环、闭环两条特性曲线n=f ( T )
1．首先将系统设为开环（把变频器735 291的给定输入模式设为按键模式即可）轻载运行在n=1000r/min，负载按每次0.1Nm由最小逐点增至1.2Nm,记录各点的
T、n值，绘出n=f (T )曲线。

2．把负载退回至最小，系统恢复为闭环，以与上同条件下测绘一条闭环特性曲线，并与开环曲线比较之。

（六）测绘控制特性曲线
负载轻载状态下，U n*从零开始逐点增加，并以万用表监测其电压值，U n*每次增加
0.5V，记录不同U n*下对应的n值（最高转数到1500r/min）绘出n=f（U n*）曲线。

五．分析与思考
1．P、I、D各参数在系统中主要各起何主要作用？
2．本次转速闭环的交流调速是否做到了转速无静差？哪项实验结果可以证明？
3．转速环在系统中都起何主要作用？
交流永磁伺服电动机驱动系统实验
一．实验目的：
1.了解交流永磁伺服电动机的原理、结构、用途。

2.了解交流永磁伺服驱动系统的组成。

3.进一步了解交流永磁伺服驱动系统中常用的各种传感器以及
在系统中的作用。

二. 实验仪器：
交流永磁伺服电动机（731 994）变频器主电路单元（735 297）
永磁伺服控制单元（734 10）旋转变压器单元（731 094）
数字存储示波器（DS-1042C）
三．实验原理图
交流永磁伺服驱动系统原理图
四．实验步骤：
1. 结合对工业用交流永磁伺服电动机的观察，了解永磁伺服电动机的组成、结构。

2. 观察交流永磁伺服驱动系统的各种运行状态，如快速启动、停止，低速运行、可逆运行、伺服进给等。

3. 了解和分析各种相关的传感器及在系统中的作用。

4. 了解直线交流永磁伺服电动机及伺服驱动系统。

五．分析与思考：
1. 交流永磁伺服系统都应用在哪些领域?（写出三个以上）
2. 交流永磁伺服系统中的转子位置检测的目的是什么？
3. 交流永磁伺服驱动系统中是如何实现矢量控制的？
4．交流永磁伺服驱动系统中常用的电流传感器是哪一种？
5．交流永磁伺服驱动系统中乘法器的作用是什么？
六．实验要求：
1.仔细观察交流永磁伺服电动机的结构，了解它的工作原理。

2.认真进行实验总结，写出对交流永磁伺服电动机及伺服驱动系统的认识和了解，写
出本次实验的收获。