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《运动控制系统》实验指导书

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《运动控制系统》 实 验 指 导 书 实验一 转速单闭环可逆直流脉宽调速系统实验 实验二 双闭环可逆直流脉宽调速系统实验 实验三 异步电机变频调速的实验

控制工程学院自动化教研室 2010-5 《运动控制系统》实验指导书

第 2 页 共 13 页 实验一 转速单闭环可逆直流脉宽调速系统实验 一、实验目的 1. 掌握转速单闭环可逆直流脉宽调速系统的组成及主要单元部件的工作原理。 2. 熟悉直流PWM专用集成电路TL494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. 掌握转速单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。 5. 熟悉转速环在直流调速系统中的作用。 二、实验内容 1. PWM控制器TL494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 三、实验系统的组成和工作原理 组成：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，与给定电压比较，速度调节器的输出用来控制PWM调制器，从而构成速度系统。 转速单闭环可逆直流脉宽调速系统实验线路图如图1-1所示。

图 1-1 转速单闭环可逆直流脉宽调速系统实验线路图 工作原理：图中可逆PWM变换器主电路是采用MOSFET所构成的H型结构形式。《运动控制系统》实验指导书 第 3 页 共 13 页 脉宽调制发生器采用TL494集成芯片。给定值Ug与转速反馈Ufn叠加后经速度调节器ASR的PI调节作为PWM的控制电平Uct，PWM调制器产生一频率不变的矩形脉冲波，其脉冲宽度即占空比将随Uct值的变化而变化，其占空比-1≤ρ≤1。此PWM经逻辑延时、功放、隔离等处理后，送到开关器件IGBT的栅极，外加三相调压电源经H桥逆变电路输出一与占空比ρ相对应的调制电压，经直流电动机RTDJ32，发电机RTDJ45则作为电动机的负载，由同轴上的测速发电机RTDJ47取得速度反馈信号。 本实验可设定不同的给定量，速度反馈量，以完成开环、速度单闭环的调速实验。 四、实验设备及仪器 1. 电力电子实验台； 2. RTDL04电容箱 3. RTDL05A直流调速控制箱； 4. RTDL15直流脉宽调速系统； 5. RTDJ10三相可调电阻； 6. RTDJ32直流并励电动机； 7. RTDJ45校正直流电机； 8. RTDJ47电机导轨及测速发电机； 9. 万用表（自备）； 10. 示波器（自备）。 五、实验方法和要求（由学生在预习报告中补充完成实验步骤的拟定） （一）基本单元部件调试 1、TL494性能测试 （预习时应根据实验要求准备数据记录表） 1) 连接面板上两个“SD”，用示波器观察TL494“5”脚电压波形，记录波形的周期，幅度（条件：5脚接一个电容、两个电容时两种频率） 2) “控制方式选择”选择“双极式”，用示波器观察“CP”端电压波形，调节RP1，使方波的占空比为50%。“UCT”接RTDL05的“给定”分别加正负给定，记录“CP”端输出波形的最大占空比和最小占空比。（条件：分别记录两种频率的波形） 2、ASR调节器的调整 1）ASR的调零 将调节器接成比例（P）调节器，调节面板上的调零电位器RP1，用万用表的mV档测《运动控制系统》实验指导书 第 4 页 共 13 页 量，使调节器的输出电压为零。 2）ASR正、负限幅值的调整 将使调节器接成比例积分（PI）调节器（接入的RTDL04电容预置值可设为5~7μF），加正给定时，调整负限幅电位器RP3，使之输出电压为-6V；加负给定时，调整正限幅电位器RP2，使之输出电压为6V。 （二）控制电路的测试（预习时应根据实验要求准备数据记录表） 1. 逻辑延时时间的测试 RTDL05A给定部分的“S2”开关打向“停止”，用双踪示波器观察“CP”和“PWM1”端、“PWM1”和“PWM2”端、的输出波形。并记录延时时间td。 2. 同一桥臂上下管子驱动信号死区时间测试 分别连接“UFI”，“G1”，“G2”，“G3”，“G4”，用双踪示波器分别测量VT1.GS和VT2.GS

以及VT3.GS和VT4.GS的死区时间tdVT1.VT2，tdVT3.VT4。 注意：测试时主电路不要加电，示波器两个探头地线都要接。 3. 过流保护电路的测试（预习时应了解过电流保护电路的工作原理） 断开两个“UFI”的相连，把RTDL05的正给定加在过流保护部分的“UFI”端。逐渐升高给定电压，用示波器观察“PWM1”，“PWM2”的输出波形。记录使过流保护告警发光二极管亮时的“UFI”端电压值，同时“PWM1”，“PWM2”端的电压应为高电平。给定电压降到零，按下复位按钮，发光二极管应熄灭，同时“PWM1”，“PWM2”输出恢复正常（占空比为50%左右的方波）。 注意：测试完毕后，恢复原来的连接方式。 （三）开环系统调试（预习时应根据实验要求准备数据记录表） 按“停止”按钮，断开实验台电源。在两个“U+”端子之间串入电流表，并在H桥输出端接入一电阻（可选用RTDJ10中四只900欧电阻并联）并调节至最大。 1. 速度反馈系数的测试（预习时应画出本部分的接线图并标注部件名称，应按照所画接线图上标注来说明所操作的部件，如增大正给定，应写成：顺时针调节电位器RP1，增大正给定；下同） 按“停止”按钮，断开实验台电源。断开所接负载，接入直流电动机RTDJ32，测速电机输出同时接至转速表输入和RTDL15的“UFn”端，给电机加励磁电压。“UCT”加正给定，同时将正给定调为零，按实验台“启动”按钮。增大正给定，使电机转速逐渐升高《运动控制系统》实验指导书 第 5 页 共 13 页 达到1000r/min，调节转速变换电位器使速度反馈电压“Ufout”为3V左右。（记录3-4组数据，反馈系数取其平均值） 2. 系统（正转）开环机械特性测 参照速度反馈系数调试的方法，选择“正转”，“正给定”调节“UCT”，使电机转速达

1000r/min，接入负载发电机RTDJ45，在空载至额定负载范围内测取7—8个点，记录相应的转速n和电枢电流Id，可得到电动机的开环机械特性。 （四）闭环系统调试（预习时应根据实验要求准备数据记录表） 按图1-1所示将ASR接成PI调节器接入系统，形成闭环可逆系统。 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积分（PI）调节器，调节给定电压Ug和直流发电机负载RG，使电动机转速达到1000r/min，固定Ug，由轻载至满载调节直流发电机的负载，测取7—8个点，记录相应的转速n和负载电流，即RTDJ45的电枢电流Id，可得到电动机的闭环静特性。 注：在此过程中，若电机转速不稳定，可调节各环节的比例、微分、积分参数值。 六、实验报告 1. 根据实验数据，列出TL494的各项性能参数、逻辑延时时间、同一桥臂驱动信号死区时间等。 2. 列出开环机械特性数据和特性曲线，并计算出满足S=0.05时的开环系统调速范围。 3. 根据实验数据，计算速度反馈系数α。 4. 列出闭环机械特性数据和特性曲线，计算出满足S=0.05时的闭环系统调速范围，并与开环系统调速范围相比较。 5. 对实验中感兴趣现象的分析、实验的收获、体会与改进意见。 6. 预习报告（含原始记录数据）作为实验报告的附件材料（占实验报告成绩50%）。 七、 思考题 为了防止上、下桥臂的直通，有人把上、下桥臂驱动信号死区时间调得很大，这样做行不行？为什么？您认为死区时间长短由哪些参数决定？ 《运动控制系统》实验指导书

第 6 页 共 13 页 实验二 双闭环可逆直流脉宽调速系统实验 一、实验目的 1、掌握双闭环可逆直流脉宽调速系统的组成、原理及主要单元部件的工作原理 2、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 3、测定双闭环直流调速系统的静态和动态性能指标。 二、实验内容 1、各控制单元的调试。 2、测定开环机械特性n=f(Id)(n=1000r/min，n=500r/min) 3、测定闭环静特性n=f(Id)(n=1000r/min，n=500r/min) 三、实验系统的组成和工作原理 组成：双闭环可逆直流脉宽调速系统实验线路图如图2-1所示。

图 2-2 双闭环可逆直流脉宽调速系统实验线路图 图中可逆PWM变换器主电路是采用MOSFET所构成的H型结构形式。脉宽调制发生 器采用TL494集成芯片。由于它性能可靠、外围电路简单，大大简化了脉宽调制器的设计、调试及维护 。 工作原理：给定值Ug与速度反馈量Ufn叠加后经速度调节器ASR的PI调节作为电流环的给定输入，它与电流反馈量Ufi叠加后经电流调节器ACR的PI的调节向PWM调节器输出一控制电平Uc，PWM调制器产生一频率不变的矩形脉冲波，其脉冲宽度即占空

TGUfnUfout转速

变换

FUS2UFIG2S1G132FBC+FAUFISD过流保护ACRG2ASR2346G2隔离驱动电路脉宽调制信号发生器10Uct3SDG4G3G1励磁电源MS

1

G1

S3

G3

V

G

A

RG电流流互感器

G:给定器 ASR：速度调节器 ACR：电流调节器 FBS：速度变换器 FA：过流保护器 FBC：电流变换器

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运动控制系统实验

运动控制系统实验

运动控制系统实验实验一、单闭环直流调速系统（1）转速负反馈的单闭环直流调速系统的稳态结构图如上图所示，其中输入信号U n*为阶跃信号，初值为0，终值为30，阶跃起始时刻为0时刻；负载电流是斜坡信号，斜率为1，起始时间为0，初始输出为0。

仿真时间长度不小于20秒。

设计转速调节器的参数，使得该闭环直流调速系统为有静差的系统，理想空载转速为800r/min,并计算其在Id=15时的闭环系统静态转速降落。

（2）电压负反馈的单闭环直流调速系统的稳态结构图如上图所示，其中的输入信号的参数与转速负反馈单闭环调速系统相同。

设计转速调节器的参数，使得该闭环直流调速系统为有静差的系统，理想空载转速为800r/min。

分析采用转速负反馈和电压负反馈的单闭环直流调速系统的静特性之间的区别，并说明其原因。

（3）单闭环调速系统动态结构如上图所示，其中输入信号U n*为阶跃信号，初值为0，终值为7，阶跃起始时刻为0时刻；干扰信号I dl为阶跃信号，初值为2，终值为8，阶跃起始时刻为4。

仿真时间长度不小于8秒。

1）设计速度控制器ASR，控制器考虑限幅，ASR限幅±7，要求系统输出量转速n的响应调节时间小于3秒，超调量小于10%，系统无静差；2）分析系统结果和启动过程。

运动控制系统实验报告（标题宋体，居中，3号，加粗，段前段后0.5行）学号：姓名：（宋体，居中，5号，单倍行距）一、实验目的（宋体，小4，加黑，段前段后0.5行）通过实验了解单闭环直流调速系统的结构和工作原理，通过系统调试深入领会系统的动静态特性，并掌握控制系统的调试方法。

（正文：宋体，5号，单倍行距）二、实验内容及结果1）分别给出两种不同反馈控制下的控制器结构和参数；2）给出仿真曲线及所取得的性能指标。

仿真曲线包括：静特性、输出n，误差d U n，控制器ASR输出量，控制器ACR输出量，电流i d注：①以双排栏的形式给出曲线，图下方需用文字说明；②给出每个实验的性能指标。

运动控制实验指导书

运动控制实验指导书

运动控制实验指导书李忠明叶平北京邮电大学机电工程实验教学中心2014实验系统介绍GXY系列工作台集成有4轴运动控制器、电机及其驱动、电控箱、运动平台等部件。

各部件全部设计成相对独立的模块，便于面向不同实验进行重组。

机械部分是一个采用滚珠丝杠传动的模块化十字工作台，用于实现目标轨迹和动作。

为了纪录运动轨迹和动作效果，专门配备了笔架和绘图装置，笔架可抬起或下降，其升降运动由电磁铁通、断电实现，电磁铁的通断电信号由控制卡通过IO口给出。

执行装置根据驱动和控制精度的要求可以分别选用交流伺服电机，直流伺服电机和步进电机。

直流伺服电机具有起动转矩大、体积小、重量轻、转矩和转速容易控制、效率高的优点。

但维护困难，使用寿命短，速度受到限制。

交流伺服电机具有高速，高加速度，无电刷维护，环境要求低等优点，但驱动电路复杂，价格高。

一般伺服电机和驱动器组成一个速度闭环控制系统，用户则根据需要可通过运动控制器构造一个位置（半）闭环控制系统。

步进电机不需要传感器，不需要反馈，用于实现开环控制；步进电机可以直接用数字信号进行控制，与计算机的接口比较容易；没有电刷，维护方便、寿命长；启动、停止、正转、反转容易控制。

步进电机的缺点是能量转换效率低，易失步（输入脉冲而电机不转动）等。

当采用交流伺服电机作为执行装置时，安装在电机轴上的增量码盘充当位置传感器，用于间接测量机械部分的移动距离，如果要直接测量机械部分移动位移，则必须额外安装光栅尺等直线位移测量装置。

控制装置由PC机、GT-400-SV（或GT-400-SG）运动控制卡和相应驱动器等组成。

运动控制卡接受PC机发出的位置和轨迹指令，进行规划处理，转化成伺服驱动器可以接受的指令格式，发给伺服驱动器，由伺服驱动器进行处理和放大，输出给执行装置。

控制装置和电机（执行装置）之间的连接示意如下图1-6所示：图1-6 GT运动控制器典型应用实验一运动控制器的调整－PID控制1.1 实验目的了解数字滤波器的基本控制作用，掌握调整数字滤波器的一般步骤和方法，调节运动控制器的滤波器参数，使电机运动达到要求的性能。

运动控制平台—实验指导书

运动控制平台—实验指导书

实验1 了解运动控制实验系统1．1 实验目的1、了解运动控制系统中的步进电机，伺服电机，变频电机，及其他们的驱动，并掌握步进电机与伺服电机的区别。

2、掌握运动控制系统的基本控制原理，与方框图，知道运动控制卡是运动控制系统的核心。

3、了解电机的面板控制，在有些工业控制过程中，能在程序控制无响应的状态下用面板进行紧急停止运动。

1．2 实验设备1、运动控制系统实验平台一台。

2、微型计算机一台。

1．3 概述此多轴运动控制实验平台是基于“PC+运动控制卡”模式的综合性实验平台，对各类控制电机实施单轴和多轴混合运动控制。

该实验平台是学生了解和掌握现代机电控制的基本原理，熟悉现代机电一体化产品控制系统的入门工具。

通过该平台的实物教学和实际编程操作，学生可以掌握现代各类控制电机基本控制原理、运动控制的基本概念、运动控制系统的集成方法，从而提高学生综合解决问题的能力。

1．4 运动控制系统组成PC机（上位机）、运动控制器（下位机）、接口板、24V直流电源、交流伺服电机驱动器、交流伺服电机、步进电机驱动器、步进电机、变频调速电机驱动器、变频调速电机、导线及电缆。

运动控制实验台结构图如下：图1.1系统硬件方框图*上图中直流电源为24V，直流稳压电源，为接口卡与步进电机驱动器提供电压。

伺服电机（及其驱动器）：伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。

分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。

交流伺服电机的工作原理：伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。

伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。

步进电机（及其驱动器）：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

运动控制实验指导书科信学院 河北工程大学

运动控制实验指导书科信学院 河北工程大学

实验一晶闸管直流调速系统参数测定和环节特性的测定一．实验目的1．了解MCL－Ⅲ型电力电子及电气传动教学实验台的结构及布线情况。

2．熟悉晶闸管直流调速系统的组成及其基本结构。

3．掌握晶闸管直流调速系统参数测定方法。

二．实验内容1．测定晶闸管直流调速系统主电路电阻R 和主电路电感L3．测定直流电动机—直流发电机—测速发电机组的飞轮惯量GD24．测定晶闸管直流调速系统主电路电磁时间常数Td5．测定直流电动机电势常数Ce和转矩常数C M6．测定晶闸管直流调速系统机电时间常数T M7．测定晶闸管触发及整流装置特性Ud/U2＝ƒ(Uct)三．实验系统组成和工作原理晶闸管直流调速系统由三相调压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、电动机—发电机组等组成。

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Ug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1.电力电子及电气传动教学实验台主控制屏。

2.MCL－33组件，MEL—03三相可调电阻器3.电机导轨及测速发电机、直流电动机（M03）—直流发电机（M01）机组4.光线示波器五．注意事项1.由于实验时装置处于开环状态，电流和电压可能有波动，可取平均读数。

2.为防止电枢过大电流冲击，每次增加给定Ug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。

3.电机堵转时，大电流测量的时间要短，以防电机过热。

六．实验操作1．晶闸管整流装置控制特性的测定同步信号为锯齿波的晶闸管整流装置，其输入输出特性不是线性的。

测定其控制特性可按图1－1接线（可不接电动机）。

把Rz调到最大并在测量中保持不变。

改变控制电压Uct ，测量输出电压平均值Ud，并填下表。

2．电枢回路电阻R的测定电枢回路的总电阻R包括电机的电枢电阻Ra，平波电抗器的直流电阻R L和整流装置的内阻Rn即R ＝Ra ＋R L＋Rn为测出晶闸管整流装置的电源内阻，可采用伏安比较法来测定电阻，其实验线路如图1－1 所示。