运动控制实验讲义(自动化)

运动控制系统实验实验一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C M的测定；5．测定晶闸管直流调速系统机电时间常数T M（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U TG=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U g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U g 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R d的阻值置于最大。

对于不同的U CT，测出对应的输出电压U d。

根据K S=△U d/△U CT，即可求出相应的放大系数。

⑶由于K S为空载放大系数，且又要保持系统的电流连续，故在实验中I d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R L⑴实验原理框图见图3－2⑵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U CT＝0。

⑶合上电源，逐步缓慢地增大U CT，使负载电流增大至一定值（如0.3A）时，记下此时的U1、U2与I d的数据，根据公式：Ra＝U2/I d 、R L=U1 / I d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4．电动机电势常数C e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U CT，即可改变电动机电枢电压U a，从而可得到相应的转速n，由下列公式可求出C e。

C e＝Keφ＝（U a2－U a1）/（n2－n1）I f＝0C e 的单位为V /（r/min ）转矩常数(额定磁通时)C M 的单位为N.m/A ，可由Ce 求出 C M =9.55Ce5．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2()/375M Tm GD R CeL ＝由于T m >>T d ，也可以近似地把系统看成是一阶惯性环节，即 Ud TmS K n )1/(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U CT =0，电动机M 加额定励磁。

U CT6．直流电动机—发电机—测速发电机组的飞轮惯量GD 2的测定。

电力拖动系统的运动方程式为 T －T Z =（GD 2/375）dn/dt式中 T —电动机的电磁转矩，单位为N.m;T Z ：负载转矩，空载时即为空载转矩T K ，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： T K = －（GD 2/375）dn/dt故 2375//K GD T dn dt ＝式中GD 2的单位为Nm 2.T K 可由空载功率P K （单位为W ）求出。

9.55/K K T P n ＝而P K ＝U a I a －I a 2R a其中：U a 为电动机电枢电压；R a 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U CT =0。

合上主电路电源开关，调节U CT ，将电机空载起动至稳定转速后，测取电枢电压U a 和电流I d ，然后断开U CT ，用记忆示波器拍摄曲线，即可求取某一转速时的T K 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T K 和dn/dt ，以求取GD 2的平均值。

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U TG =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U CT ，分别读取对应的U TG 、n 的数电枢回路总电感包括电机的电枢电感La ，平波电抗器电感L d 和整流变压器漏感L B ，由于L B 的数值很小，因此可忽略。

故电枢回路的等效总电感为：L ＝La ＋L d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U a 和U L 及电流I ，从而可得到交流阻抗Z a 和Z L ，计算出电感值L a 和L d 。

实验时，交流电压的有效值应小于电机直流电压的额定值，Z a=U a/IZ L=U L/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T d＝L/R∑R∑＝r＋R a+R L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U Ct，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U Ct，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。