运动控制系统实验指导书
施火泉张伟
江南大学物联网学院
2020年3月
目录
实验的基本要求..........................................................................................................................................................实验安全操作规程......................................................................................................................................................实验一晶闸管直流调速系统环节特性及单元调试..............................................................................................实验二转速单闭环不可逆直流调速系统................................................................................................................实验三双闭环不可逆直流调速系统实验................................................................................................................实验四双闭环可逆直流脉宽调速系统..................................................................................................................实验五交流异步电机调速系统实验........................................................................................................................
实验的基本要求
运动控制系统是电气工程及其自动化、自动化等专业重要的专业课。涉及面广，内容包括电力、电子、控制、计算机技术等，而实验环节是课程的重要组成部分。通过实验，可以加深对理论的理解，培养和提高学生独立动手能力和分析、解决问题的能力。
1，实验的特点和要求
运动控制系统实验的内容较多、较新，实验系统也比较复杂，系统性较强。是课程理论教学的重要的补充和继续，而理论教学则是实验教学的基础。学生在实验中应学会运用所学的理论知识去分析和解决实际系统中出现的各种问题，提高动手能力；同时通过实验来验证理论，促使理论和实践相结合，使认识不断提高、深化。具体地说，学生在完成指定的实验后，应具备以下能力:
(1)掌握电力电子变流装置主电路、触发或驱动电路的构成及调试方法，能初步设计和应用这些电路。
(2)掌握交、直流电机控制系统的组成和调试方法，系统参数的测量和整定方法。
(3)能设计交、直流电机控制系统的具体实验线路，列出实验步骤。
(4)熟悉并掌握基本实验设备、测试仪器的性能及使用方法。
(5)能够运用理论知识对实验现象、结果进行分析和处理，解决实验中遇到的问题。
(6)能够综合实验数据，解释实验现象，编写实验报告。
2，实验前的准备
实验准备即为实验的预习阶段，是保证实验能否顺利进行的必要步骤。每次实验前都应先进行预习，从而提高实验质量和效率，否则就有可能在实验时不知如何下手，浪费时间，完不成实验要求，甚至有可能损坏实验装置。因此，实验前应做到：
(1)复习教材中与实验有关的内容，熟悉与本次实验相关的理论知识。
(2)阅读本实验指导，了解本次实验的目的和内容；掌握本次实验系统的工作原理和方法；明确实验过程中应注意的问题。
(3)写出预习报告，其中应包括实验系统的详细接线图、实验步骤、数据记录表格等。
(4)进行实验分组，共10组，实验分组为每组3～4人。
3，实验实施
在完成理论学习、实验预习等环节后，就可进入实验实施阶段。实验时要做到以下几点：
(1)实验开始前，指导教师要对学生的预习报告作检查，要求学生了解本次实验的目的、内容和方法，只有满足此要求后，方能允许实验。
(2)指导教师对实验装置作介绍，要求学生熟悉本次实验使用的实验设备、仪器，明确这些设备的功能与使用方法。
(3)按实验小组进行实验，实验小组成员应进行明确的分工，以保证实验操作协调，记录数据准确可靠，各人的任务应在实验进行中实行轮换，以便实验参加者能全面掌握实验技术，提高动手能力。
(4)按预习报告上的实验系统详细线路图进行接线，一般情况下，接线次序为先主电路，后控制电路；先串联，后并联。也可由2人同时进行主电路和控制电路的接线。
(5)完成实验系统接线后，必须进行自查。串联回路从电源的某一端出发，按回路逐项检查各仪表、设备、负载的位置、极性等是否正确;并联支路则检查其两端的连接点是否在指定的位置。距离较远的两连接端必须选用长导线直接跨接，不得用2根导线在实验装置上的某接线端进行过渡连接。
(6)实验时，应按实验教材所提出的要求及步骤，逐项进行实验和操作。系统启动前，应使负载电阻值最大，给定电位器处于零位（除作阶跃启动试验外）；测试记录点的分布应均匀；改接线路时，必须断开主电源方可进行。实验中应观察实验现象是否正常，所得数据是否合理，实验结果是否与理论相一致。
(7)完成本次实验全部内容后，应请指导教师检查实验数据、记录的波形。经指导教师认可后方可拆除接线，整理好连接线、仪器、工具，使之物归原位。
4，实验总结
实验的最后阶段是实验总结，即对实验数据进行整理、绘制波形和图表、分析实验现象、撰写实验报告。每位实验参与者都要独立完成一份实验报告，实验报告的编写应持严肃认真、实事求是的科学态度。如实验
结果与理论有较大出入时，不得随意修改实验数据和结果，不得用凑数据的方法来向理论靠拢，而是用理论知识来分析实验数据和结果，解释实验现象，找出引起较大误差的原因。
实验报告的一般格式如下:
(1)实验名称、专业、班级、实验学生姓名、同组者姓名和实验时间。
(2)实验目的、实验线路、实验内容。
(3)实验设备、仪器、仪表的型号、规格、铭牌数据及实验装置编号。
(4)实验数据的整理、列表、计算，并列出计算所用的计算公式。
(5)画出与实验数据相对应的特性曲线及记录的波形。
(6)用理论知识对实验结果进行分析总结，得出明确的结论。
(7)对实验中出现的某些现象、遇到的问题进行分析、讨论，写出心得体会，并对实验提出自己的建议和改进措施。
(8)实验报告应写在一定规格的报告纸上，保持整洁。
(9)每次实验每人独立完成一份报告，按时送交指导教师批阅。
实验安全操作规程
为了顺利完成实验，确保实验时人身安全与设备可靠运行要严格遵守如下安全操作规程：
(1)在实验过程时，绝对不允许实验人员双手同时接到主电路的两个输出端，将人体作为负载使用。
(2)为了提高学生的安全用电常识，任何接线和拆线都必须在切断主电源后方可进行。
(3)为了提高实验过程中的效率，学生独立完成接线或改接线路后，应仔细再次核对线路，并使组内其他同学引起注意后方可接通电源。
(4)如果在实验过程中发生过流告警，应仔细检查线路以及电位器的调节参数，确定无误后方能重新进行实验。
(5)在实验中应注意所接仪表的最大量程，选择合适的负载完成实验，以免损坏仪表、电源或负载。
(6)电源控制屏以及各挂件所用保险丝规格和型号是经我们反复实验选定的，不得私自改变其规格和型号，否则可能会引起不可预料的后果。
(7)在完成电流、转速闭环实验前一定要确保反馈极性是否正确，应构成负反馈，避免出现正反馈，造成过流。
(8)系统起动前负载电阻必须放在最大阻值，给定电位器必须退回至零位后（阶跃起动试验除外），才允许合闸起动并慢慢增加给定，以免元件和设备过载损坏。
(9)在直流电机启动时，要先开励磁电源，后加电枢电压。在完成实验时，要先关电枢电压，再关励磁电源。
实验一晶闸管直流调速系统环节特性及单元调试
一、实验目的
(1)熟悉晶闸管直流调速系统的组成及其基本结构。(2)掌握晶闸管直流调速系统及反馈环节测定方法。(3)掌握晶闸管直流调速系统的主要单元的调试方法。二、实验所需挂件及附件序号型
号
备
注
1DJK01电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。
2DJK02晶闸管主电路3
DJK02-1三相晶闸管触发电路
该挂件包含“触发电路”,“正反桥功放”等几个模块。
4DJK04电机调速控制实验I 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”等模块。
5DJK08可调电阻、电容箱
6DD03-3电机导轨﹑光码盘测速及数显转速表7DJ13-1直流发电机8DJ15直流并励电动机9D42
三相可调电阻10数字存储示波器DS1072E-EDU数字示波器(普源)11
万用表
VC9801A+数字万用表(胜利)
三、实验线路及原理
晶闸管直流调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、电动机-发电机组等组成。在本实验中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制电路可直接由给定电压U g 作为触发器的移相控制电压U ct ，改变U g 的大小即可改变控制角α，从而获得可调的直流电压，以满足实验要求。实验系统的组成原理图如图1-1所示。
四、实验内容
(1)晶闸管直流调速系统基本组成及连接，晶闸管直流调速系统开环运行。(2)测定晶闸管触发及整流装置调节特性Ud=f(Uct)。(3)测定测速发电机特性UTG=f(n)。(4)调节器I(速度调节器)的调试。(5)调节器II(电流调节器)的调试。
五、预习要求：学习教材中有关晶闸管直流调速系统及组成原理，图1-1为实验系统原理框图。
图1-1实验系统原理图
六、实验方法
(1)实验系统组成及连接
三相全控桥式整流电路供给直流电动机M可调的电枢电压（经平波电抗器Ld=50-700mH，取100mH），直流发电机G作为电动机的负载，通过测速发电机TG测量转速，并获得转速反馈电压。直流电动机、发电机的励磁绕组接220V励磁电源。给定器G输出可调的移相控制电压Uct，触发器输出的六路脉冲经过功放级AP1驱动输出（Ulf必须接地，才有输出），六路脉冲已连结到对应的六只晶闸管。
发电机负载电阻R由三相可调电阻R D42串并联组合实现，以满足负载功率和调节范围要求，R（最大）=3*（900/2）=1350Ω。发电机负载电路中的电压和电流表实际不接，因实验设备上没有安排多余的电表。
实验设备上实际是由旋转编码器替代了测速发电机TG，通过数字计数电路得到转速并数字显示，通过转换电路得到与转速成正比的直流电压UTG，经过调节后可作为转速反馈电压。
直流电动机额定值：额定电压：220V，额定电流：0.8A,额定转速：1200rpm，额定励磁电压：220V。
(2)DJK02和DJK02-1上的“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（选较低的三相输入电压）。
③用10芯的扁平电缆，将DJK02的“三相同步信号输出”端和DJK02-1“三相同步信号输入”端相连,打开DJK02-1电源开关，拨动“触发脉冲指示”钮子开关，使“窄”的发光管亮。
④观察A、B、C三相的锯齿波，三相锯齿波斜率应相同。（可通过调节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。注意：调节不当会影响工作对称性！所以实验时只观测不调节！
⑤初始移相控制角α0调节：将DJK06上的“给定”输出U g接至DJK02-1上的移相控制电压U ct端，将给定电
位器逆时针旋到底或将给定开关S
2拨到接地位置（即U
ct
=0），用双踪示波器观察A相同步电压信号和VT1的触
发脉冲输出波形相位关系（一路接A相同步电压，另一路接1#触发脉冲的双脉冲观察孔），调节DJK02-1上的偏移电压Ub电位器，使α=90°。感性负载α=90°时输出约等于0，对于阻性负载有很小的输出。（脉冲出现的位置刚好对应于A相同步电压的180°位置，即A相的负过零电点）。触发脉冲的相位关系如图所示，图1-2中移相控制角α=90°：
图1-2触发脉冲和同步信号波形
注意：
1、示波器两路输入的横轴必须重合，否则将会产生观测误差。
2、此处的α表示三相晶闸管触发电路中的移相角，它的0°（初始控制角α0）是从自然换流点开始计算。以A 相相电压（a相同步信号）为参考，测定触发VT1晶闸管的第一路双窄脉冲Vg1的位置角即可得α。从同步信号过零点开始计算，α0滞后30°。
⑥适当增加给定U
g
的正电压输出，观测DJK02-1上“脉冲观察孔”的波形，此时应观测到单窄脉冲和双窄脉冲。
⑦用8芯的扁平电缆，将DJK02-1面板上“触发脉冲输出”和“触发脉冲输入”相连，使得触发脉冲加到正反桥功放的输入端。
⑧将DJK02-1面板上的U
lf
端接地，用20芯的扁平电缆，将DJK02-1的“正桥触发脉冲输出”端和DJK02“正桥触发脉冲输入”端相连，并将DJK02“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。
(3)晶闸管直流调速系统开环运行
控制电压Uct由给定器直接接入，反馈电压未引入控制的系统为开环系统。应先接通励磁电源，并调节控制电压Uct为零，然后才能接通三相交流主电源，否则电动机起动电流过大引起过流冲击。调节给定电压Uct，即可调节直流电动机转速。调节发电机负载电阻R，即可改变直流电动机的负载电流。
(4)晶闸管触发及整流装置特性Ud=f(Ug)和测速发电机特性UTG=f(n)的测定
从零开始逐渐增加控制电压Uct，转速不超出额定转速（1200rpm）的1.2倍，分别读取对应的Uct、Ud、UTG、n的数值若干组，即可描绘出特性Ud=f（Uct）和UTG=f（n），填入表格1-1，1-2。
表1-1晶闸管触发及整流装置特性
Uct
Ud
表1-2测速发电机特性
n1200
UTG
由Ud=f(Uct)曲线可求得晶闸管整流装置的放大倍数曲线Ks=f(Uct):
K s =ΔU
d
/ΔU
g.
(5)调节器I的调试（选做）
(调节器I一般作为速度调节器使用，调节器II一般作为电流调节器使用，调试方法类似。)
①调节器调零
将DJK04中“调节器I”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻120K接到“调节器I”的“4”、“5”两端，用导线将“5”、“6”端短接，使“调节器I”成为P(比例)调节器。用万用表的毫伏档测量“调节器I”的“7”端的输出，调节面板上的调零电位器RP3，使之输出电压尽可能接近于零。
②调整输出正、负限幅值
将“5”、“6”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“5”、“6”两端，使调节器成为PI(比例积分)调节器，将“调节器I”的所有输入端上的接地线去掉，将DJK04的给定输出端接到“调节器I”的“3”端，当加+5V的正给定电压时，调整负限幅电位器RP2，观察调节器负电压输出的变化规律；当调节器输入端加-5V的负给定电压时，调整正限幅电位器RP1，观察调节器正电压输出的变化规律。
③测定输入输出特性
再将反馈网络中的电容短接（将“5”、“6”端短接），使“调节器I”为P（比例）调节器，同时将正负限幅电位器RP1和RP2均顺时针旋到底，在调节器的输入端分别逐渐加入正负电压，测出相应的输出电压变化，直至输出限幅值，填入表1-3并画出绘制传输特性曲线。图1-3为理想的输入输出特性曲线。
表1-3比例调节器传输特性
Vi00.1
Vo
图1-3比例调节器输入输出传输特性
④观察PI 特性拆除“5”、“6”短接线，给调节器输入端突加一个较小的给定电压（-0.1V～-1V），用慢扫描示波器观察输入和输出电压的变化规律。也可以用设置示波器单次触发功能捕捉输入输出波形。改变调节器的外接电阻和电容值（改变放大倍数和积分时间），观察输出电压的波形变化。图1-4是给定阶跃信号，理想情况下比例积分调节器的输出波形。
图1-4给定阶跃信号的比例积分调节器的输出波形
七、实验报告
(1)简述各电路单元的调试要点，作出实验所得曲线，分析实验结果。(2)由K s =f(U g )特性，分析晶闸管装置的非线性现象。八、注意事项
(1)双踪示波器两根探头地线，应避免连接不当，发生短路。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)避免突加给定电压，系统过流冲击。电机启动前，应先加上电动机的励磁，才能使电机启动。在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)在接通主电路电源之前，应先调整好三相触发器，并使初始控制角α=90°（调DJK02上的偏移电压），具体方法见单闭环直流调速。
实验二转速单闭环不可逆直流调速系统
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
序号型号备注
1DJK01电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。
2DJK02晶闸管主电路
3DJK02-1三相晶闸管触发电路该挂件包含“触发电路”、“正反桥功放”等几个模块。
4DJK04电机调速控制实验I该挂件包含“给定”、“调节器I”、“调节器II”、“转速变
换”、“电流反馈与过流保护”、“电压隔离器”等几个模块。
5DJK08可调电阻、电容箱
6DD03-3电机导轨﹑光码盘测速
系统及数显转速表
7DJ13-1直流发电机
8DJ15直流并励电动机
9D42三相可调电阻
10数字存储示波器DS1072E-EDU数字示波器(普源)
11万用表VC9801A+数字万用表(胜利)
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(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“转速变换”后接到“速
，用作控制整流桥的“触发度调节器”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
图2-1转速单闭环系统原理图
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。
四、实验内容
(1)DJK04上的基本单元的调试。
(2)U ct 不变时直流电动机开环特性的测定。(3)转速单闭环直流调速系统。五、预习要求
(1)复习运动控制系统(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，正确理解负反馈的作用。
(2)掌握调节器的基本工作原理。
(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。
(4)转速负反馈的极性如果接反会产生什么现象?实验中怎样判断反馈的极性，如何确定调节器输入信号的极性？
(5)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?六、实验方法
(1)DJK02和DJK02-1上的“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用10芯的扁平电缆，将DJK02的“三相同步信号输出”端和DJK02-1“三相同步信号输入”端相连,打开DJK02-1电源开关，拨动“触发脉冲指示”钮子开关，使“窄”的发光管亮。
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 直接与DJK02-1上的移相控制电压U ct 相接，将给定开关S 2拨到接地位置（即U ct =0），调节DJK02-1上的偏移电压电位器，用双踪示波器观察A相同步电压信号和“双脉冲观察孔”VT1的输出波形，使α=90°(注意此处的α表示三相晶闸管电路中的移相角，它的0°是从自然换流点开始计算，而单相晶闸管电路的0°移相角表示从同步信号过零点开始计算，两者存在相位差，前者比后者滞后30°)。
⑥适当增加给定U g 的正电压输出，观测DJK02-1上“脉冲观察孔”的波形，此时应观测到单窄脉冲和双窄脉冲。
⑦用8芯的扁平电缆，将DJK02-1面板上“触发脉冲输出”和“触发脉冲输入”相连，使得触发脉冲加到正反桥功放的输入端。
⑧将DJK02-1面板上的U lf 端接地，用20芯的扁平电缆，将DJK02-1的“正桥触发脉冲输出”端和DJK02“正桥触发脉冲输入”端相连，并将DJK02“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)U ct 不变时的直流电机开环外特性的测定
①按图5-1的接线图接线，DJK02-1上的移相控制电压U ct 由DJK04上的“给定”输出U g 直接接入，直流发电机接负载电阻R，L d 用DJK02上200mH，将给定的输出调到零。
②先闭合励磁电源开关，按下DJK01“电源控制屏”启动按钮，使主电路输出三相交流电源，然后从零开始逐渐增加“给定”电压U g ，使电动机慢慢启动并使转速n 达到1200rpm。减小负载电阻R的阻值，使电动机的电枢电流I ed =0.8A，并调整“给定”电压U g ，使电动机转速n 保持1200rpm。保持额定工作（I ed =0.8A，n=1200rpm）对应的“给定”电压U g 不变。
③改变负载电阻R的阻值，使电动机的电枢电流从空载直至I ed =0.8A的1.2倍。即可测出在U ct 不变时的直流电动机开环外特性n =f(I d )，测量并记录数据于下表2-1：
表2-1U ct 不变时的直流电动机开环外特性
n（rpm）1200I d （A）
0.8
0.96
(3)基本单元部件调试
①移相控制电压U ct 调节范围的确定
取使移相控制角α=15°～30°时的移相控制电压为Uctmax （注意上面已调节DJK02-1上的偏移电压电位器，使Uct=0时，α=90°，即初始控制角α0=90°）。
参考图1-2触发脉冲和同步信号波形，用双踪示波器测定移相控制角α，以a相同步信号为参考，测定第一路双窄脉冲的位置角，调节给定电压改变Uct，记录移相控制角α=15°～30°时的移相控制电压为Uctmax。将给定退到零，，结束步骤。
②调节器的调整A、调节器的调零
将DJK04中“调节器I”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻40K 接到“调节器I”的“4”、“5”两端，用导线将“5”、“6”短接，使“调节器I”成为P (比例)调节器。用万用表的毫伏档测量“调节器I”的“7”端的输出，调节面板上的调零电位器RP3，使之输出电压尽可能接近于零。
将DJK04中“调节器II”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻13K 接到“调节器II”的“8”、“9”两端，用导线将“9”、“10”短接，使“调节器II”成为P（比例）调节器。用万用表的毫伏档测量调节器II的“11”端的输出，调节面板上的调零电位器RP3，使之输出电压尽可能接近于零。
B、正负限幅值的调整
把“调节器I”的“5”、“6”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF 接入“5”、“6”两端，使调节器I成为PI (比例积分)调节器，将“调节器I”的所有输入端的接地线去掉，将DJK04的给定输出端接到调节器I的“3”端。当加+5V的正给定电压时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压尽可能接近于零；当调节器输入端加-5V的负给定电压时，调整正限幅电位器RP1，使调节器I的输出正限幅为U ctmax 。
③转速反馈系数的整定
直接将“给定”电压U g 接DJK02-1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 =120Orpm 时，调节“转速变换”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 =0.005V/(rpm)。（对调转速反馈引线即可改变反馈电压极性。）
(4)转速单闭环直流调速系统
①按图2-1接线，在本实验中，DJK04的“给定”电压U g 为负给定，转速反馈为正电压，将“调节器I”接成P（比例）调节器或PI（比例积分）调节器。直流发电机接负载电阻R，L d 用DJK02上200mH，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 g ，使电动机的转速接近n=l200rpm。减小负载电阻R的阻值，使电动机的电枢电流I ed =0.8A，并调整“给定”电压U g ，使电动机转速n 保持1200rpm。保持额定工作（I ed =0.8A，n=1200rpm）对应的“给定”电压U g 不变。
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 ed =0.8A的1.2倍，填入表2-2，即可测出系统静态特性曲线n=f(I d )。
表2-2闭环静态特性曲线n=f(I d )
n（rpm）1200I d （A）
0.8
0.96
七、实验报告
(1)根据实验数据，画出U
不变时直流电动机开环机械特性。
ct
(2)根据实验数据，画出转速单闭环直流调速系统的机械特性。
(3)比较2种机械特性，并做出解释。
八、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)改变“调节器I”上可变电阻、电容的参数，对系统有什么影响？
九、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)电机启动前，应先加上电动机的励磁，才能使电机启动。在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)DJK04与DJK02-1不共地，所以实验时须短接DJK04与DJK02-1的地。
实验三双闭环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。(3)研究调节器参数对系统动态性能的影响。二、实验所需挂件及附件序号型
号
备
注
1DJK01电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。
2DJK02晶闸管主电路3DJK02-1三相晶闸管触发电路该挂件包含“触发电路”、“正反桥功放”等几个模块。4DJK04电机调速控制实验I 该挂件包含“给定”、“调节器I”、“调节器II”、“转速变换”、“电流反馈与过流保护”等几个模块。
5DJK08可调电阻、电容箱6DD03-3电机导轨、光码盘测速系统及数显转速表7DJ13-1直流发电机8DJ15直流并励电动机9D42
三相可调电阻10数字存储示波器DS1072E-EDU数字示波器(普源)11
万用表
VC9801A+数字万用表(胜利)
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速度调节器和电流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：
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。“速度调节器”、“电流调节器”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。
在本实验中DJK04上的“调节器I”做为“速度调节器”使用，“调节器II”做为“电流调节器”使用；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。
图3-1双闭环直流调速系统原理框图
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)实验中怎样判断反馈的极性，如何确定各调节器输入信号的极性？
(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)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。④先调整稳态精度，后调整动态指标。(2)DJK02和DJK02-1上的“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用10芯的扁平电缆，将DJK02的“三相同步信号输出”端和DJK02-1“三相同步信号输入”端相连,打开DJK02-1电源开关，拨动“触发脉冲指示”钮子开关，使“窄”的发光管亮。
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 直接与DJK02-1上的移相控制电压U ct 相接，将给定开关S 2拨到接地位置（即U ct =0），调节DJK02-1上的偏移电压电位器，用双踪示波器观察A相同步电压信号和“双脉冲观察孔”VT1的
输出波形，使α=90°(注意此处的α表示三相晶闸管电路中的移相角，它的0°是从自然换流点开始计算，而单相晶闸管电路的0°移相角表示从同步信号过零点开始计算，两者存在相位差，前者比后者滞后30°)。
⑥适当增加给定U g 的正电压输出，观测DJK02-1上“脉冲观察孔”的波形，此时应观测到单窄脉冲和双窄脉冲。
⑦用8芯的扁平电缆，将DJK02-1面板上“触发脉冲输出”和“触发脉冲输入”相连，使得触发脉冲加到正反桥功放的输入端。
⑧将DJK02-1面板上的U lf 端接地，用20芯的扁平电缆，将DJK02-1的“正桥触发脉冲输出”端和DJK02“正桥触发脉冲输入”端相连，并将DJK02“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。
(3)控制单元调试
①移相控制电压Uct调节范围的确定
取使移相控制角α=15°～30°时的移相控制电压为U ctmax 。将给定退到零，结束步骤。②调节器的调零
将DJK04中“调节器I”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻120K接到“调节器I”的“4”、“5”两端，用导线将“5”、“6”短接，使“调节器I”成为P (比例)调节器。用万用表的毫伏档测量调节器I的“7”端的输出，调节面板上的调零电位器RP3，使之电压尽可能接近于零。
将DJK04中“调节器II”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻13K接到“调节器II”的“8”、“9”两端，用导线将“9”、“10”短接，使“调节器II”成为P（比例）调节器。用万用表的毫伏档测量调节器II的“11”端，调节面板上的调零电位器RP3，使之输出电压尽可能接近于零。
③调节器正、负限幅值的调整
把“调节器I”的“5”、“6”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“5”、“6”两端，使调节器成为PI (比例积分)调节器，将“调节器I”所有输入端的接地线去掉，将DJK04的给定输出端接到调节器I的“3”端，当加+5V的正给定电压时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为-6V ，当调节器输入端加-5V的负给定电压时，调整正限幅电位器RP1，使之输出电压尽可能接近于零。
把“调节器II”的“9”、“10”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“9”、“10”两端，使调节器成为PI（比例积分）调节器，将“调节器II”的所有输入端的接地线去掉，将DJK04的给定输出端接到调节器II的“4”端。当加+5V的正给定电压时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压尽可能接近于零；当调节器输入端加-5V的负给定电压时，调整正限幅电位器RP1，使调节器I的输出正限幅为U ctmax 。
④电流反馈系数的整定
直接将“给定”电压U g 接入DJK02-1移相控制电压U ct 的输入端，整流桥输出接电阻负载R，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 =0.8A 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 =7.5V/A。
⑤转速反馈的整定
直接将“给定”电压U g 接DJK02-1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 =120Orpm时，调节“转速变换”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 =0.005V/(rpm)。（对调转速反馈引线即可改变反馈电压极性。）
(4)U ct 不变时的直流电机开环外特性的测定
①按图5-1的接线图接线，DJK02-1上的移相控制电压U ct 由DJK04上的“给定”输出U g 直接接入，直流发电机接负载电阻R，L d 用DJK02上200mH，将给定的输出调到零。
②先闭合励磁电源开关，按下DJK01“电源控制屏”启动按钮，使主电路输出三相交流电源，然后从零开始逐渐增加“给定”电压U g ，使电动机慢慢启动并使转速n 达到1200rpm。减小负载电阻R的阻值，使电动机的电枢电流I ed =0.8A，并调整“给定”电压U g ，使电动机转速n 保持1200rpm。保持额定工作（I ed =0.8A，n=1200rpm）对应的“给定”电压U g 不变。
③改变负载电阻R的阻值，使电动机的电枢电流从空载直至I ed =0.8A的1.2倍。即可测出在U ct 不变时的直流电动机开环外特性n =f(I d )，测量并记录数据于下表3-1：
表3-1U ct 不变时的直流电动机开环外特性
n（rpm）1200I d （A）
0.8
0.96
(5)系统静特性测试
①按图3-1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，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“调节器I”、“调节器II”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“调节器I”，“调节器II”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。减小负载电阻R的阻值，使电动机的电枢电流I ed =0.8A，并调整“给定”电压U g ，使电动机转速n 保持1200rpm。保持额定工作（I ed =0.8A，n=1200rpm）对应的“给定”电压U g 不变。然后逐渐改变负载电阻，R的阻值从最大直至R=0，改变I d ，即可测出系统静态特性曲线n=f(I d )，并记录于下表中：
表3-2直流电动机闭环外特性
n（rpm）1200I d （A）
0.8
B、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，保持R不变，逐渐降低U g ，记录U g 和n，填入表3-2，即可测出闭环控制特性n =f(U g )。
表3-3闭环控制系统n=f(U g )
n（rpm）U g （V）
(6)系统动态特性的观察
用慢扫描示波器观察动态波形。在不同的系统参数下(“调节器I”的增益和积分电容、“调节器II”的增益和积分电容、“转速变换”的滤波电容)，用示波器观察、记录下列动态波形:
①突加给定U g，电动机启动时的电枢电流I d (“电流反馈与过流保护”的“2”端)波形和转速n(“转速变换”的“3”端)波形。
②突加额定负载(20%I ed ?100%I ed )时电动机电枢电流波形和转速波形。③突降负载(100%I ed ?20%I ed )时电动机的电枢电流波形和转速波形。八、实验报告
(1)根据实验数据，画出闭环控制特性曲线n =f(U g )。
(2)根据实验数据，画出两种转速时的闭环机械特性n =f(I d )。
(3)根据实验数据，画出系统开环机械特性n =f(I d )，计算静差率，并与闭环机械特性进行比较。(4)分析系统动态波形，讨论系统参数的变化对系统动、静态性能的影响。九、注意事项
(1)参见实验一、二的注意事项。
(2)在记录动态波形时，可先用双踪示波器观察波形，以便找出系统动态特性较为理想的调节器参数，再用数字存储示波器或记忆示波器记录动态波形。
实验四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．实验系统的组成和工作原理
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4－1所示。图中可逆PWM变换器主电路系采用IGBT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，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（Silicon General）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。
实验见图4－1
1)电源控制屏位于NMCL-32/MEL-002T等
2)L平波电抗器位于NMCL-331
3)Rd可调电阻位于NMEL-03/4或NMCL-03等
4)G给定（Ug）位于NMCL-31或NMCL-31A或SMCL-01调速系统控制单中
5)UPW,FBA位于NMCL-22中
6)TG指光电编码器与电机导轨同轴
7)转速显示及输出位于电机导轨上或NMEL-13A/F/C中
8)直流电机励磁电源位于NMCL-32或NMEL-18/2中
9)负载用M01电机或测功机（NMEL-13A）
图4－1系统原理框图
四．实验设备及仪器
1．教学实验台主控制屏
2．现代电力电子及直流脉宽调速组件
3．负载组件
4．直流调速控制单元组件
5．电机导轨及测速发电机（或光电编码器）、直流发电机
6．直流电动机
7．双踪示波器：DS1072E-EDU数字示波器(普源)
8．万用表
五．注意事项
1．直流电动机工作前，必须先加上直流激磁。
2．接入ASR构成转速负反馈时，为了防止振荡，可预先把ASR的RP3电位器逆时针旋到底，使调节器放大倍数最小，同时，ASR的“5”、“6”端接入可调电容（预置7μF）。
3．测取静特性时，须注意主电路电流不许超过电机的额定值（1A）。
4．系统开环连接时，不允许突加给定信号Ug起动电机。
5．改变接线时，必须先按下主控制屏总电源开关的“断开”红色按钮，同时使系统的给定为零。
6．双踪示波器（自备）的两个探头地线通过示波器外壳短接，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。
7．实验时需要特别注意起动限流电路的继电器有否吸合，如该继电器未吸合，进行过流保护电路调试或进行加负载试验时，就会烧坏起动限流电阻。
六．实验方法
1．SG3525性能测试。（合上空气开关，实验台主控屏主电源不要上）
（1）用示波器观察UPW的“1”端的电压波形，记录波形的周期、幅度。（UPW“4”为接地点）
（2）用示波器观察UPW的“2”端的电压波形，调节UPW的RP电位器，使方波的占空比为50%。（UPW“4”为接地点）
（3）用导线将低压单元的“G”给定Ug与“UPW”的“3”相连，同时Ug的地与UPW挂箱中的“8”脚相连接。分别调节Ug的正负给定，记录UPW“2”端输出波形的最大占空比和最小占空比。
注意：UPW的“2“端输出波形的占空比不得超出10%～90%的范围，否则PWM波的一旦消失，将会使电机突然停转，产生瞬间冲击电流，从而击穿功率器件。因此，本实验自始至终需要监视PWM波的脉宽大小。
2．控制电路的测试
（1）逻辑延时时间的测试
在上述实验的基础上，分别将Ug正、负给定均调到零，连接UPW的“2”端和DLD的“1”端，用示波器观察“DLD”的“1”和“2”端的输出波形，并记录延时时间t d=
（2）同一桥臂上下管子驱动信号列区时间测试
用双踪示波器分别测量V VT1.GS和V VT2.GS以及V VT3.GS和V VT4.GS的死区时间：
t dVT1.VT2=
t dVT3.VT4=
3．开环系统调试
主回路按图4－1接线，但闭环调节器不接，控制回路直接将调速控制单元的G给定Ug接至现代电力电子及直流脉宽调速的UPW“3”端，同时Ug的地与UPW的“8”脚连接。并将UPW“2”端和DLD“1”端相连。
（1）电流反馈系数的调试
（a）将正、负给定均调到零，合上主控制屏电源开关，接通直流电机励磁电源。
（b）调节正给定，电机开始起动直至达1000r/min。再调节直流发电机的负载（如采用M01电机做为发电机当负载，先将发电机励磁与电动机励磁并连，电枢输出接负载电阻。采用可调电阻，电阻进行串并连接，最大阻值大于600Ω）如测功机做负载，加载时直接调节加载电位器即可。直至电动机的电枢电流为1A。
（c）调节“FBA”的电流反馈电位器，用万用表测量“9”端电压达2.5V左右。
（2）速度反馈系数的调试
在上述实验的基础上，再次调节电机转速的1200r/min，调节调速控制单元的“FBS”电位器，使速度反馈电压为5V左右。
（3）系统开环机械特性测定
参照速度反馈系数调试的方法，使电机转速达1200r/min，改变直流发电机负载，在空载至额定负载范围内测取3—5个点，记录相应的转速n和直流电动机电流id，填入表4-1。
表4-1开环外特性
n(r/min)1200
i d(A)0.8A0.96
断开主电源，调速控制单元的S1开关拨向“负给定”，然后按照以上方法，测出系统的反向机械特性。
4．闭环系统调试
控制回路可按图4－1接线，将ASR，ACR均接成PI调节器接入系统，形成双闭环不可逆系统。
（1）速度调节器的调试
（a）反馈电位器RP3逆时针旋到底，使放大倍数最小；
（b）“5”、“6”端接入可调电容器，预置5μF；
（c）调节RP1、RP2使输出限幅为±2.5V左右。