运动控制实验指导书

运动控制实验指导书
华南农业大学工程学院
2009.2
实验的基本要求
本实验课的目的在于培养学生掌握基本的实验方法与操作技能。

培养学生学会根据实验目的，实验内容及实验设备拟定实验线路，选择所需仪表，确定实验步骤，测取所
需数据，进行分析研究，得出必要结论，从而完成实验报告。

在整个实验过程中，必须集中精力，及时认真做好实验。

现按实验过程提出下列基本要求。

一、实验前的准备
实验前应复习教科书有关章节，认真研读实验指导书,了解实验目的、项目、方法与步骤，明确实验过程中应注意的问题(有些内容可到实验室对照实验预习，如熟悉组件的编号，使用及其规定值等)，并按照实验项目准备记录抄表等。

实验前应写好预习报告,经指导教师检查认为确实作好了实验前的准备，方可开始作实验。

认真作好实验前的准备工作，对于培养同学独立工作能力，提高实验质量和保护实验设备都是很重要的。

二、实验的进行
1、建立小组，合理分工
每次实验都以小组为单位进行,每组由3人组成，实验进行中的接线、调节负载、保持电压或电流、记录数据等工作每人应有明确的分工，以保证实验操作协调，记录数据准确可靠。

2、选择组件和仪表
实验前先熟悉该次实验所用的组件，记录电机铭牌和选择仪表量程，然后依次排列组件和仪表便于测取数据。

3、按图接线
根据实验线路图及所选组件、仪表、按图接线，线路力求简单明了，按接线原则是先接串联主回路，再接并联支路。

为查找线路方便，每路可用相同颜色的导线或插头。

4、起动电机，观察仪表
在正式实验开始之前，先熟悉仪表刻度，并记下倍率，然后按一定规范起动电机，观察所有仪表是否正常(如指针正、反向是否超满量程等)。

如果出现异常，应立即切断电源，并排除故障；如果一切正常，即可正式开始实验。

5、测取数据
预习时对实验方法及所测数据的大小作到心中有数。

正式实验时,根据实验步骤逐次测取数据。

6、认真负责，实验有始有终
实验完毕，须将数据交指导教师审阅。

经指导教师认可后，才允许拆线并把实验所用的组件、导线及仪器等物品整理好。

三、实验报告
实验报告是根据实测数据和在实验中观察和发现的问题，经过自己分析研究或分析讨论后写出的心得体会。

实验报告要简明扼要、字迹清楚、图表整洁、结论明确。

实验报告包括以下内容：
1) 实验名称、专业班级、学号、姓名、实验日期、室温℃。

2) 列出实验中所用组件的名称及编号，电机铭牌数据(P N、U N、I N、n N）等。

3) 列出实验项目并绘出实验时所用的线路图，并注明仪表量程，电阻器阻值，电源端编号等。

4) 数据的整理和计算
5) 按记录及计算的数据用坐标纸画出曲线，图纸尺寸不小于8cm×8cm，曲线要用曲线尺或曲线板连成光滑曲线,不在曲线上的点仍按实际数据标出。

6) 根据数据和曲线进行计算和分析，说明实验结果与理论是否符合，可对某些问题提出一些自己的见解并最后写出结论。

实验报告应写在一定规格的报告纸上，保持整洁。

实验安全操作规程
为了按时完成电机实验，确保实验时人身安全与设备安全，要严格遵守如下规定的安全操作规程：
1) 实验时，人体不可接触带电线路。

2) 接线或拆线都必须在切断电源的情况下进行。

3) 学生独立完成接线或改接线路后必须经指导教师检查和允许，并使组内其他同学引起注意后方可接通电源。

实验中如发生事故，应立即切断电源，经查清问题和妥善处理故障后，才能继续进行实验。

4) 电机如直接起动则应先检查功率表及电流表的电流量程是否符合要求，有否短路回路存在，以免损坏仪表或电源。

5) 总电源或实验台控制屏上的电源接通应由实验指导人员来控制，其他人只能由指导人员允许后方可操作，不得自行合闸。

目录
实验晶闸管直流调速系统主要单元的试 (1)
实验单闭环调速统 (4)
实验双闭环调速统 (7)
实验1 晶闸管直流调速系统主要单元的调试
一、实验目的
(1)熟悉直流调整系统主要单元部件的工作原理及调速系统对其提出的要求。

(2)掌握直流调速系统主要单元部件的调试步骤和方法。

二、实验所需挂件及附件
三、实验内容
(1)触发电路的调试
(2)电流调节器的调试
四、实验方法
(1)DJK02上“触发电路”的调试
①打开DZ01总电源开关，操作“电源控制屏”上的“三相电网电压指示”开关，观察输入的三相电网电压是否平衡。

②打开DJK02电源开关，拨动“触发脉冲指示”处的钮子开关，使“窄”发光管亮。

③观察A、B、C三相的锯齿波，并调节A、B、C三相锯齿波斜率调节电位器（在各观测孔左侧），使三相锯齿波斜率尽可能一致。

④将DJK04上的“给定”输出U
g 直接接到DJK02上的移相控制电压U
ct
处，将
给定的开关S
2拨到停止位置（即U
ct
=0时），调节DJK02上的偏移电压电位器R P，
用双踪示波器观察“同步信号观察孔”处a相正弦波信号和“双脉冲观察孔”处 VT1的输出波形，使触发角α=90°。

⑤适当增加给定U
g
的正电压输出，观测DJK02上“触发脉冲观察孔”6个孔处的波形，此时应观测到双窄脉冲。

⑥将DJK02面板上的U
lf
端接地，将“正桥触发脉冲”的六个开关拨至“通”的位置。

⑦移相控制电压U
ct
调节范围的确定
直接将DJK04“给定”电压U g 接入DJK02移相控制电压U ct 的输入端，“三相全控整流”输出接电阻负载R(用滑线变阻器接成串联形式)，用示波器观察U d 的波形。

当给定电压U g 由零调大时，U d 将随给定电压的增大而增大，当U g 超过某一数值U g ＇时，U d 的波形会出现缺相现象，这时U d 反而随U g 的增大而减少。

一般可确定移相控制电压的最大允许值为U ctmax =0.9U g ＇，即U g 的允许调节范围为0～U ctmax 。

如果我们把输出限幅定为U ctmax 的话，则“三相全控整流”输出范围就被限定，不会工作到极限值状态，保证六个晶闸管可靠工作。

记录U g ＇于下表中：
将给定退到零，再按“停止”按钮，结束步骤。

(2)调节器的调试
A 、电流调节器和速度调节器的调零
将DJK04中“电流调节器”的所有输入端接地，将串联反馈网络中的电容短接（即将“电流调节器”的“8”，“9”两端用导线直接短接），使“电流调节器”成为P (比例)调节器，并将调节放大倍数的电位器RP3顺时针转到底（即放大倍数最小）。

调节面板上的调零电位器RP4，用万用表的直流毫伏档测量“电流调节器”的“10”端，使调节器的输出电压尽可能接近于零。

B 、调整电流调节器的限幅值
将电流调节器的输入端接地线和反馈电路电容短接线去掉，使调节器成为PI (比例积分)调节器，然后将DJK04的“给定”输出端接到“电流调节器”的“4”端，当加一定的正给定时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为最小值即可，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1，使电流调节器的输出正限幅为前面触发电路调试部分所测的值U ctmax 。

C 、电流反馈系数的整定
直接将给定电压U g 接入移相控制电压U ct 的输入端，整流桥接电阻负载（用滑线变阻器接成并联接法，通过最大电流为1.3A ，最大的电阻为500
），测
量负载电流值和电流反馈电压，调节“电流反馈与过流保护”上的电流反馈电位器RP1，使得负载电流I d=l.3A 时，“电流反馈与过流保护”“2”端电流反馈电压U fi =6V ，这时的电流反馈系数β= U fi /I d = 4.615V/A 。

D 、转速反馈系数的整定
直接将“给定”电压U g 接入移相控制电压U ct 的输入端，“三相全控整流”电路接直流电动机作负载：具体做法是将整流电路的输出电源接至直流并励电动机的电枢绕组两端，直流并励电动机的励磁绕组外串一个450欧可调电阻后接入DZ01电源控制屏上的220V 励磁电压做励磁电源。

测量直流电动机的转速和转速反馈电压值，调节DJKO4上“转速变换（FBC ）单元”上的转速反馈电位器RP1，使得n =150Orpm 时，转速反馈电压U fn =6V （即转速变换（FBC ）单元上2端和3端间的电压），这时的转速反馈系数α =U fn /n =0.004V/(rpm)。

五、实验报告
简述各单元的调试要点
实验2单闭环不可逆直流调速系统实验
一、实验目的
(1)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。

(2)掌握晶闸管直流调速系统的一般调试过程。

(3)认识闭环反馈控制系统的基本特性。

二、实验所需挂件及附件
三、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。

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。

在本装置中，转速单闭环实验是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“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UCt，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，电机最高转速由电流调节器的输出限幅所决定，电流调节器采用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
，控制整流桥的“触发电路”，改变“三相全控整流”的电到移相控制电压U
Ct
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。

图1 转速单闭环系统原理图
图2 电流单闭环系统原理图
四、预习要求
(1)复习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)根据实验原理图，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。

五、实验内容
(1)转速单闭环直流调速系统
为负给定，转速反馈
①按图1接线，在本实验中，DJK04的“给定”电压U
g
为正电压，将“电流调节器”接成P（比例）调节器或PI（比例积分）调节器。

用DJK02上200mH，直流发电机接负载电阻R (将滑线变阻器接成串联形式)，L
d
给定输出调到零。

②直流发电机先轻载，从零开始逐渐调大“给定”电压U
，使电动机的转
g
速接近n=l200rpm。

③由小到大调节直流发电机负载R，测出电动机的电枢电流I
d
，和电机的
转速n，直至I
d =I
ed
，即可测出系统静态特性曲线n =f(I
d
)。

(2)电流单闭环直流调速系统
①按图2接线，在本实验中，给定U
g
为负给定，电流反馈为正电压，将“电流调节器”接成比例（P）调节器或PI（比例积分）调节器。

直流发电机接负
载电阻R (将滑线变阻器接成串联形式)，L
d
用DJK02上200mH，将给定输出调到零。

②直流发电机先轻载（即电阻负载阻值调到最大位置），从零开始逐渐调
大“给定”电压U
g
，使电动机转速接近n=l200rpm。

③由小到大调节直流发电机负载R，测定相应的I
d 和n，直至电动机I
d
=I
ed
，
即可测出系统静态特性曲线n =f(I
d
)。

六、实验报告
(1)根据实验数据，画出转速单闭环直流调速系统的机械特性。

(2)根据实验数据，画出电流单闭环直流调速系统的机械特性。

七、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?
八、注意事项
(1) 双踪示波器有两个探头，可同时观测两路信号，但这两探头的地线都与示波器的外壳相连，所以两个探头的地线不能同时接在同一电路的不同电位的两个点上，否则这两点会通过示波器外壳发生电气短路。

为此，为了保证测量的顺利进行，可将其中一根探头的地线取下或外包绝缘，只使用其中一路的地线，这样从根本上解决了这个问题。

当需要同时观察两个信号时，必须在被测电路上找到这两个信号的公共点，将探头的地线接于此处，探头各接至被测信号，只有这样才能在示波器上同时观察到两个信号，而不发生意外。

(2)并励电动机做它励接法，启动前，应先给电动机加励磁，才能使其机启动。

在电动机启动前必须将移相控制电压调到零，使整流输出电压为零，这时才可以逐渐加大给定电压;不能在开环或速度闭环时突加给定，否则会引起过大的启动电流，使过流保护动作，告警，跳闸。

(3)通电实验时，可先用电阻作为整流桥的负载，待确定整流电路能正常工作后，再换成电动机作为负载。

(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，确保为负反馈，否则会造成失控。

(5)直流电动机的电枢电流不要超过额定值使用，转速也不要超过1.2倍的额定值。

以免影响电机的使用寿命，或发生意外。

(6)复励发电机做它励发电机接法。

实验三双闭环晶闸管不可逆直流调速系统实验
一、实验目的
(1)了解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)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、实验所需挂件及附件
1DJK01 电源控制屏
该控制屏包含“三相电源输出”，“励
磁电源”等几个模块。

2DJK02 三相变流桥路
该挂件包含“触发电路”,“正桥功放”，
“三相全控整流”等几个模块。

3DJK04 电机调速控制该挂件包含“给定”，“电流调节器”，“速度变换”，“电流反馈与过流保护”等几个模块。

5DD03-2电机导轨﹑测速发电机及转速表或DD03-3电机导轨、光码盘测速系统及数显转速表
6DJ13 直流复励发电机
7DJ15 直流并励电动机
8滑线变阻器
串联形式 0.65A /2k
并联形式 1.3A /500
10万用表自备
三、实验线路及原理
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。

为缩短这一部分时间，仅采用PI调节器的转速负反馈单闭环调速系统，其性能还不很令人满意。

双闭环直流调速系统是由电流和转速两个调节器进行综合调节，可获得良好的静、动态性能（两个调节器均采用PI调节器），由于调整系统的主要参量为转速，故将转速环作为主环放在外面，电流环作为副环放在里面，这样可以抑制电网电压扰动对转速的影响。

实验系统的原理框图组成如下：
图3 双闭环直流调速系统原理框图
启动时，加入给定电压U g，“速度调节器”和“电流调节器”即以饱和限幅值输出，使电动机以限定的最大启动电流加速启动，直到电机转速达到给定转速(即U g=U fn)，并在出现超调后，“速度调节器”和“电流调节器”退出饱和，最后稳定在略低于给定转速值下运行。

系统工作时，要先给电动机加励磁，改变给定电压U g的大小即可方便地改变电动机的转速。

“电流调节器”、“速度调节器”均设有限幅环节，“速度调节器”的输出作为“电流调节器”的给定，利用“速度调节器”的输出限幅可达到限制启动电流的目的。

“电流调节器”的输出作为“触发电路”的控制电压U ct，利用“电流调节器”的输出限幅可达到限制αmax的目的。

四、实验内容
(1)各控制单元调试。

(2)测定电流反馈系数β、转速反馈系数α。

(3)测定开环机械特性及高、低转速时系统闭环静态特性n=f(I d)。

(4)闭环控制特性n=f(U g)的测定。

(5)观察、记录系统动态波形。

五、预习要求
(1)阅读电力拖动自动控制系统教材中有关双闭环直流调速系统的内容，掌握双闭环直流调速系统的工作原理。

(2)理解PI（比例积分）调节器在双闭环直流调速系统中的作用，掌握调节器参数的选择方法。

(3)了解调节器参数、反馈系数、滤波环节参数的变化对系统动、静态特性的影响。

六、思考题
(1)为什么双闭环直流调速系统中使用的调节器均为PI调节器?
(2)转速负反馈的极性如果接反会产生什么现象?
(3)双闭环直流调速系统中哪些参数的变化会引起电动机转速的改变?哪些参数的变化会引起电动机最大电流的变化?
七、实验方法
(1)DJK02上“触发电路”调试
①打开DJK01总电源开关，操作“电源控制屏”上的“三相电网电压指示”开关，观察输入的三相电网电压是否平衡。

②将DJK01“电源控制屏”上“调速电源选择开关”拨至“直流调速”侧。

③打开DJK02电源开关，拨动“触发脉冲指示”处的钮子开关，使“窄”发光管亮。

④观察A、B、C三相的锯齿波，并调节A、B、C三相锯齿波斜率调节电位器（在各观测孔左侧），使三相锯齿波斜率尽可能一致。

⑤将DJK04上的“给定”输出U g直接接到DJK02上的移相控制电压U ct处，将给定的开关S2拨到接地位置（即U ct=0），调节DJK02上的偏移电压电位器，用双踪示波器观察A相锯齿波和“双脉冲观察孔” VT1的输出波形，使α=120°。

⑥适当增加给定U g的正电压输出，观测DJK02上“触发脉冲观察孔”的波形，此时应观测到双窄脉冲。

⑦将DJK02面板上的U lf端接地，将“正桥触发脉冲”的六个开关拨至“通”，观察正桥VT1～VT6晶闸管门极和阴极之间的触发脉冲是否正常。

(2)双闭环调速系统调试原则
①先单元、后系统，即先将单元的参数调好，然后才能组成系统。

②先开环、后闭环，即先使系统运行在开环状态，然后在确定电流和转速均为负反馈后，才可组成闭环系统。

③先内环，后外环，即先调试电流内环，然后调试转速外环。

(3)控制单元调试
①移相控制电压U ct调节范围的确定
直接将DJK04给定电压U g接入DJK02移相控制电压U ct的输入端，“正桥三相全控整流”输出接电阻负载R (用滑线变阻器接成串联形式)，负载电阻放在最大值，输出给定调到零（对DZSZ-1，将输出电压调至最小位置，当启动后，再将输出线电压调到200V）。

按下启动按钮，给定电压U g由零调大，U d将随给定电压的增大而增大，当U g超过某一数值U g＇时，U d的波形会出现缺相的现象，这时U d反而随U g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 g＇，即U g的允许调
则“三相全控整流”节范围为0～U ctmax。

如果我们把输出限幅定为U ctmax的话
，
输出范围就被限定，不会工作到极限值状态，保证六个晶闸管可靠工作。

记录U g＇于下表中：
将给定退到零，再按停止按钮切断电源，结束步骤。

②调节器的调零
将DJK04中电流调节器所有输入端接地，将串联反馈网络中的电容短接（即将电流调节器的“8”，“9”两端用导线直接短接），使电流调节器成为P(比例)调节器，并将调节放大倍数的电位器RP3顺时针转到底（即放大倍数最小）。

调节面板上的调零电位器RP4，用万用表的直流毫伏档测量电流调节器的“10”端，使调节器的输出电压尽可能接近于零。

将DJK04中速度调节器所有输入端接地，将串联反馈网络中的电容短接（即将速度调节器的“4”，“5”两端用导线直接短接），使速度调节器成为P(比例)调节器,将调节放大倍数的电位器RP4顺时针转到底（即放大倍数最小）。

调节面板上的调零电位器RP1，用万用表的直流毫伏档测量速度调节器的“6”端，使调节器的输出电压尽可能接近于零。

③调节器正、负限幅值的调整
将电流调节器的输入端接地线和反馈电路电容短接线去掉，使调节器成为PI(比例积分)调节器，然后将DJK04的给定输出端接到电流调节器的“4”端，当加正给定时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为最小值即可，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1，使电流调节器输出正限幅为U ctmax。

将速度调节器的输入端接地线和反馈电路电容短接线去掉，使调节器成为PI(比例积分)调节器，然后将DJK04的给定输出端接到速度调节器的“3”端，当加正给定时，调整负限幅电位器RP3，使之输出电压为-6V，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP2，使之输出电压为最小值即可（接近0）。

④电流反馈系数的整定
直接将“给定”电压U g接入移相控制电压U ct的输入端，整流桥输出接电阻负载R（用滑线变阻器接成并联形式），负载电阻放在最大值，输出给定调到零。

按下启动按钮，从零增加给定，使输出电压升高，当U d=220V时，减小负载的阻值，调节“电流反馈与过流保护”上的电流反馈电位器RP1，使得负载电流I d=l.3A时，“2”端I f的的电流反馈电压U fi=6V，这时的电流反馈系数β= U fi/I d= 4.615V/A。

⑤转速反馈系数的整定
直接将“给定”电压U g接DJK02上的移相控制电压U ct的输入端，“三相全控整流”电路接直流电动机负载，L d用DJK02上的200mH，输出给定调到零。

按下启动按钮，接通励磁电源，从零逐渐增加给定，使电机提速到 n =150Orpm时，调节“速度变换”上转速反馈电位器RP1，使得该转速时反馈电压U fn=6V，这时的转速反馈系数α =U fn/n =0.004V/(rpm)。

(4)开环外特性的测定
①DJK02控制电压U ct由DJK04上的给定输出U g直接接入，“三相全控整流”电路接电动机，L d用DJK02上的200mH，直流发电机接负载电阻R (将滑线变阻器接成串联形式)，负载电阻放在最大值，输出给定调到零。

②按下启动按钮，先接通励磁电源，然后从零开始逐渐增加“给定”电压U g，使电机启动升速，调节U g和R使电动机电流I d=I ed，转速到达1200rpm。

③增大负载电阻R阻值（即减小负载），可测出该系统的开环外特性 n
=f（I d），记录于下表中：
将给定退到零，断开励磁电源，按下停止按钮，结束实验。

(5)系统静特性测试
①按图3接线， DJK04的给定电压U g输出为正给定，转速反馈电压为负电压，直流发电机接负载电阻R (用滑线变阻器接成串联形式)，L d用DJK02上的200mH，负载电阻放在最大值，给定的输出调到零。

将速度调节器，电流调节器都接成P（比例）调节器后，接入系统，形成双闭环不可逆系统，按下启动按钮，接通励磁电源，增加给定，观察系统能否正常运行，确认整个系统的接线正确无误后，将“速度调节器”，“电流调节器”均恢复成PI（比例积分）调节器，构成实验系统。

②机械特性n =f(I d)的测定
A、发电机先空载，从零开始逐渐调大给定电压U g，使电动机转速接近n=l200rpm，然后接入发电机负载电阻R(滑线变阻器接成串联形式)，逐渐改变负载电阻，直至I d=I ed，即可测出系统静态特性曲线n =f(I d)，并记录于下表中：
B、降低U g，再测试n=800rpm时的静态特性曲线，并记录于下表中：
C、闭环控制系统n=f(U g)的测定
调节U g及R，使I d=I ed、n= l200rpm，逐渐降低U g，记录U g和n，即可测出闭环控制特性n = f(U g)。