1、运动控制系统实验2运动控制系统实 验 指 导 书 主编：梁文坤 方昌始华南理工大学广州学院电子信息工程系二一一 年 三 月前 言晶闸管的出现，促进了运动控制系统的重大变革，晶闸管-直流电动机调速系统具有效率高、体积小、重量轻和无噪声的特点。因此，一经出现，就引起了人们的极大关注，并取代了直流发电机-电动机调速系统而用于生产实际。近二十年来，全控型电力电子器件日趋成熟，出现了采用GTR、IGBT和MOSFET等全控型功率器件的电气传动系统。而微型计算机技术和控制理论的应用更使电气传动系统的性能大大提高。高效率、高性能、高可靠性的电气传动系统已广泛用于冶金、矿山、交通、轻化、机械及建筑等领域。现代
2、电气传动技术实质上就是电能性质的变换技术。例如，整流器将交流电变换成电压可调的直流电供给直流电动机或其他负载；交-交或交-直-交变流器将交流电变换成电压和频率可变的交流电供电给交流电动机或加热设备；而UPS装置则将直流电变成工频的交流电供给用电设备；交流调压器将恒压的交流电变成电压可调的交流电供给调压设备。显然，电能的这种变换用到了电力电子器件；为使变换过程能按人们的要求来进行，于是就有了控制技术及控制电路。因此，实际的电气系统由三部分构成，即变流器（主电路）、控制电路和负载。其中，变流器由功率器件构成，用来变换电能，常为高电压、大电流，其功能有整流、逆变或开关之分。控制电路有模拟、数字和计算
3、机之区别，用来对主电路进行控制，按要求来协调速度指令与主电路和负载之间的关系。因此，要设计、调试和维护电气控制系统，就要熟悉和掌握系统三个部分的功能、特性与构成及根据控制要求有机地整合成一个完整的电气系统。这就需要有一定的基础知识和专业理论，同时须具备实际经验及实操技能。大学的前三年已学过了电路、模拟电子电路、数字电子电路、电机及拖动基础、电力电子变流技术和自动控制理论及相应的实验。这些课程仅可看作是运动控制系统中的某一单元，运动控制系统课对系统的控制原理及数学模型作了分析，但涉及到的系统结构与实际线路分析和调试的内容甚少，本实验课的目的就在于弥补这一不足。运动控制系统实验课作为自动化专业的主
4、要实验课，其内容不仅有单元部件的调试和测试，也有系统的调试和参数测试，更有波形观察和性能比较及PI参数计算。所需的理论不仅有运动控制系统等专业课、而且用到模拟电子电路等基础课的知识。而实操过程亦需要一定的实际经验和工程知识。因此，运动控制系统实验课所包含的各个实验是自动化专业中难度最大的实验，同学们必须认真对待。为保证实验的顺利进行并能获得满意的效果，每次实验都必须按实验课须知的要求来进行，尤其是“一、实验前”中的“1、”、“2、”和“3、”的要求。以前所编的运动控制系统实验讲义过份强调了步骤和测试方法，而对实操过程中的难点却未加注明。对“注意事项”的要点也未作说明，实验中可能出现的问题亦没有
5、提示，本书都作了补充。此外，实验系统的线路分析及波形观察方法，书中都作了详细介绍。在内容的安排上，保留直流部分的内容，以满足理论教学的需要，交流变频器调速实验的内容则有所增加，以适应运动控制系统的发展趋势，同时，又将继电控制用于变频器实验，使学生对工程上使用的电器技术有初步的了解。 实验课须知运动控制系统实验课的目的在于培养学生掌握系统实践技能方面的基本测量与操作、调试方法、将理论知识应用于实际系统，提高观察现象、分析问题和解决问题的能力。由于本实验设备结构复杂，所用单元部件较多，既有高电压、大电流的主电路和电机，又有低压小电流的触发与控制电路。因此，在实操过程中必须集中精力，态度认真，细心观
6、察，以确保每一环节的顺利进行。为此，特要求学生必须做到：一、实验前1、认真阅读本书的有关实验内容，明确实验目的。2、复习相应课程的有关理论知识。3、掌握本次实验的内容、熟悉或拟定实验线路，明确实验步骤和方法。4、了解所用仪器设备的使用方法。5、牢记注意事项。6、分好实验小组，一般以三人为一组，定好小组长；列出实验人员的名单。7、指导教师要检查预习报告和分组情况。二、实验中1、遵守实验室的规章制度，爱护设备、器材及工具，不随便动用与本次实验无关的一切用具。2、认真听取指导教师的介绍，并以小组为单位每人分好工，做到职责明确，协同工作。3、为确保安全，接线完毕后须认真检查，无误后方可通电。4、仔细观
7、察实验过程中的各种现象，认真做好记录，并注意仪表的量程和读数。5、若须改换接线时，应先断开主电源，以免带电操作。6、发生事故应即切断电源，在未查清原因前不准再合闸。三、实验后1、做完实验，应将实验记录及所测数据交指导教师审阅，认可后方可结束本次实验。2、清理现场，拆除接线，主电路导线与控制电路导线应分别放置两个抽屉，并须摆放整齐。3、万用表断电后测量线应放置于表侧的线槽里，关闭示波器。4、切断主控屏电源，关闭电灯，关好门窗。5、及时整理所测波形和数据。四、实验报告应根据实验目的、实验数据及在实验中观察和发现的问题，经分析研究，得出结论和体会。需要注意的是，由于理论分析往往带有一些假设条件，有时
8、甚至忽略一些因素。而在实验是，这些假设条件便不存在了。所以很可能实验的结果与理论分析的结论并不完全一致，这是正常的，也正是需要实验者分析讨论的。实验报告应简明扼要，字迹清楚，图表整洁，结论明确。内容包括：1、实验名称、专业班级、组别、姓名和日期。2、列出使用仪器仪表和设备的名称、型号和规格。3、扼要写出实验目的、方法与步骤。4、绘出实验系统的线路图或原理框图。5、整理出相关的数据和图表，静、动特性都须绘制对应的曲线图。6、波形图应准确、完整，并应标上时间变量，若波形较多，则可选择有代表性的或典型的波形绘在报告上。7、实验作业和报告须独立完成，不得互相抄袭，同小组的学生所写的报告，除所测数据及实
9、验图可以相同外，报告的文字、语句不得一样。五、成绩评定方法本实验课的成绩分两部分记分：1、实践过程分，占40%。包括准时上课、预习、实操、数据、现场清理五个环节。2、报告与作业分，占60%。包括实验报告的质量、格式、波形及曲线图的准确度、所测数据及图表的合理情况、心得和体会等。六、预习不符合要求者不准参加实验。七、不按操作规程和实验步骤进行实验而导致仪器、设备损坏者，应停止其实验，并按情节轻重予以处理。实验一 开环直流调速系统实验直流电动机具有良好的起动和调速性能，适合于转速比较高的场合、如轧钢机、造纸机、电梯及龙门刨床等需要调速范围宽、速度变化较为平滑的生产设备。早期的直流调速系统是采用直流
10、发电机电动机进行调速控制的；在晶闸管用于工程后，出现了晶闸管直流调速系统，并在生产中得到了广泛使用。虽然十多年来，交流变频器发展很快，但直流调速系统在理论和工程应用上都比较成熟，而且从控制的角度来看，又是交流调速系统的基础。所以列出了五个直流调速系统实验，其中实验一和二为基础性实验，目的是使学生对调速系统有一个初步的认识；其他三个实验则为综合性的系统实验。一、实验目的1.熟悉调速系统的结构及电气线路 。 2.了解直流调速系统的运行原理及工作过程。3.掌握系统的调试方法及步骤。4.学习系统特性的测试方法。二、预习要求1.模拟电子线路讲义中有关“运算放大器”的内容。2.电力电子技术基础课本中“2.
11、5三相桥式全控整流电路”的内容。3.电力拖动自动控制系统课本中“2.1直流调速系统用的可控直流电源”的内容。4.弄清楚速度给定Un、直流控制电压Uct、晶闸管触发角、整流电压Ud及电动机转速n之间的变化关系。三、实验线路及系统原理图1-1所示为该实验系统的电气线路图。由图1-1a、b可知，该系统由直流电动机M、晶闸管整流桥、触发器、速度给定Ug及调节器ASR和零速封锁DZS构成。该系统的运行过程是：三相交流电源加于整流桥的交流侧，速度给定电压加于ASR的输入端2，在ASR的输出端3得到控制电压Uc，经触发器变换成触发（控制）角，晶闸管在对应的角度下工作，交流电源变成直流电供电给电机而产生旋转；
12、当Ug改变时，电机的转速随之变化。显然，一个合格的调速系统，其转速能随速度给定Ug而变；当Ug为零时，转速为零；当Ug为最大时，转速亦为最高。如何能满足这一关系呢？这就涉及到系统的调试问题。对于开环系统，亦就是Un、Uct、Ud和n的配合问题。理论课曾提及过这些变量的联系，而之间的数量关系应该是实验课的内容。本实验系统这五个变量的变化范围如下：Un (v) 0- -10 Uct (v) 0- +5 (弧度) 90- 0Ud (V) 0-230(UN)n (转/分) 0-1500（r/min）上述的变化关系应当是线性的，这需要由调试来介决。因此这五个变量是否匹配好的关键就是系统调试，若系统未调试
13、好，则电机无法正常运转，实验亦无法顺利进行。所以，必须重视系统调试工作。本次实验要解决的问题有：1.直流调速系统是如何调速的？2.为什么当电枢电流增大时，转速会下降？通过实验就能明白。其中触发角角度的调节是实验的难点。四、实验设备及仪表1.NMCL教学实验台主控制屏。2.NMCL33组件。3.NMEL03组件。4.NMC L18组件。5.直流电动机M03。6.电机导轨及测速发电机。7.双踪示波器。8.万用表。五、注意事项1.直流电动机工作前，必须先加上励磁电源（主控屏下部的NMEL-18A单元）。2.本次实验使用的转速调节器ASR，其反馈网络端的5、6两点是用来接电容或电阻的。所以，开环系统实
14、验时，要求ASR为比例调节器，故5、6两点用导线短接，否则ASR会因反馈网络的电阻无穷大而成为放大倍数无穷大的比例调节器。3.三相主电源连线时必须注意相序不可接错，否则主电路的晶闸管将无法正常触发导通。4.为防止电机起动时产生电流冲击，每次合主电源前，都必须将给定电位器RP2反时针旋到底，亦即速度给定为0V。5.测量电动机的机械特性时，电枢电流最大不得超过电机的额定电流（1A）.6.示波器的两条测试线的地线是相连的，为防止短路，只能用其中的一条地线。六、实验内容1.系统接线。2放大器ASR调试。3.控制角=90调试。4.移相范围3090调整.5.系统运行观察。6.系统机械特性测试。七.方法与步
15、骤1.接线。1）主电路（1）用三联导线将主控屏下部主电源插座U,V,W与NMCL-33挂箱中部的组晶闸管桥的交流侧三相电源插座相连（黄对黄、绿对绿、红对红）。（2）用导线将主控屏NMCL-001上的交流电压表（U）与主电源的U,V端相连。（3）晶闸管桥的+（红）端与直流电流表的+（红）端相连；表的-端与与电机M03的电枢A1相连；电枢的A2与电抗器（NMCL-331）下端相连；电抗器的*端与桥的-（黑）端相连。（4）桥的+，-端与直流电压表的+，-端相连。（5）电机M03的励磁绕组F1，F2与直流电机励磁电源的+、-端相连，并应将电流表串入，以监视励磁电流。（6）将NMCL-331的RC与晶闸
16、管桥的+、-两端相连，以稳定电机的转速。2）控制电路（1）给定（G）的Ug与ACR的3端相连，并将开关S1往下拨。（2）ACR的7端与NMCL-33上部的脉冲移相控制Uct相连。（3）NMCL-33挂箱中部的脉冲放大电路控制的Ub1f插座与地端相连。（4）NMCL-31中部的DZS的3端与ACR的8端相连，此外，将开关S3拨向“解除”一侧。（5）将NMCL-33上部的脉冲观察及通断控制的按键放松（即脉冲通）。3）检查连线，无误后进入实验过程。2.放大器ACR调试。1）调整输出正、负限幅值（1）5、6两端短接.（2）给定G的开关S2往上拨，S1往下拨.（3）调节RP2,使-Ug慢慢增大，并用万用
17、表测量ASR的3端应为正电压.（4）使-Ug为最大，此时3端的正电压应大于5V,用螺丝刀慢慢调节ASR的RP1，使3端的正电压等于+5V。(5)将给定的S1往上拨，调节RP1，使+Ug慢慢增大。按以上的步骤做，使3端的负电压等于-5V。2）测定输入输出特性。（1）ASR的5、6两端仍短接。（2）给定G的开关S2位于上侧，S1位于下侧。（3）调节RP2,使-Ug从0V、-1V、-2V、-3V、-10V逐级增大。（4）测出对应的输出端电压，并分别填入表11中。 (5)将给定G的开关S1拨向上，并遂级调节RP1,得到对应的输出电压，填入表1-1.（6）将给定G的电位器RP1、RP2分别调为0V.表1
18、1 调节器ASR输入输出参数Ug(V)0-0.5-1-1.5-2-2.5-3-3.5-4-4.5-5Uct(V)Ug(V)00.511.522.533.544.55Uct(V)3控制角=90调试。（1）在保证ACR的输出为0V的情况下，用双踪示波器分别观察NMCL-33的脉冲观察孔1、2、3、6，每个孔应有双脉冲，且间隔均匀，幅值相同。（2）仍保持ASR的输出（即Uct）为0V，将示波器的两条测试线的输入端分别连接到NMCL-33挂箱上部“同步电压观察”的U端和“脉冲观察及通断控制”的1端；示波器的地线与电路的公共地（黑端子）相连。（3）适当调节示波器的位移旋钮，使同步电压和脉冲波形稳定地显示
19、在示波屏上，观察脉冲的相位应位于正弦波正半周的120的位置、即=90。若90则适当调节NMCL-33挂箱上的偏移电压调节电位器，使脉冲位于90。（4）在保证给定电压-Ug=0V的前提下，按下主电源合的按钮（绿色），再慢慢增大输入交流电压至相电压为130V（交流电压表读数）。若为U、N连接，则电压读数应为210V。（5）观察电动机M03是否在运转；若电动机低速旋转，则调节偏移电压电位器，使电动机刚好不转，此时=90。反之，则反方向调节偏移电压电位器，使触发脉冲从90前移到=90。至此，=90的调节过程完成。（6）调节给定电位器RP2，慢慢增大-Ug值，则触发脉冲前移，电动机逐渐加速起动旋转。当转
20、速超过1600转/分后，-Ug不再增大。调节ASR的正限幅电位器RP1，使脉冲位于同步电压正半波的60，即=30处。这样，移相范围的调节完成。（7）将给定电位器RP2反时针旋为零，待电动机转速为零后，再慢慢增大-Ug，直到最大值；同时测出对应的电机转速值，直到最高转速。将-Ug和nd代入表12。若-Ug与nd成线性关系，则说明系统运行正常。表12给定电压与转速的关系Ug(V)0nd(r/min)04.系统机械特性测试。1）高速特性参数测定。（1）在保证给定电压为零后，合主电源，并慢慢增大给定-Ug，电动机慢速起动，直到转速为1400转/分。读出电动机的电枢电流并与转速一同代入表13.（2）合上
21、电动机的负载开关（NMCL-13挂箱下部的“突加负载”开关），再慢慢的顺时针调节电位器，即逐步增大负载，则电枢电流亦相应增加。同时读出对应的转速值，一同代入表13.直到电流等于1A为止。数据记录后，断开电动机负载，并将负载电位器反时针调为零 。表13 高速时的机械特性参数Id(A)0.10.250.40.60.70.80.910nd(r/min)1400Ud(V)U(V)2）低速特性参数测定。(1)速度给定电位器RP2反时针旋转，电动机转速随之下降。当转速为600转/分时，速度给定不再变化。记录此时的电流和转速值，代入表14。（2）合上电动机的负载开关，并逐级增大负载，按高速特性的方法测出电流
22、和转速值，并代入表14。（3）断开电动机的负载开关，速度给定电位器调为零，按下主电源的红色按钮，关闭系统。表14低速时的机械特性参数Id(A)0.10.250.40.60.70. 80.91.0nd(r/min)600Ud(V)U(V)八.实验报告1.实验目的、内容、原理框图，所用的仪器设备。2.给出所测的各种数据。3.在电压座标系上绘出调节器ASR的输入输出特性曲线，求出相应的比例放大系数。4.在nd/Id座标系上绘出系统的机械特性曲线。5.依据表13的参数，求出满足S30%时的开环系统的调速范围Dk。6.为什么当电枢电流增大时，电动机的转速会下降，电枢电压又如何变化？7.叙述实验的体会。实
23、验二 单闭环直流调速系统实验一、目的 1.熟悉单闭环直流调速系统的结构原理。 2.掌握系统的调试方法。 3.了解转速反馈的作用。 4.搞懂有差与无差的区别。5.系统性能比较。二、预习要求 1.比例积分调节器的概念。2.运动控制系统讲义2.3节的内容。三、实验线路及系统原理 图21为单闭环直流调速系统的接线原理图。由图可见，该实验系统是在实验1的开环系统基础上，增加转速反馈而成的。根据调节器ASR的反馈网络端有否采用电容，又可分为有差和无差两种系统。为使控制电压Uct在0+5V之间变化，故速度给定还是用负电压，即-Ug。因此，转速反馈电压应为正极性，亦即+Ufn。系统在增设了转速负反馈后，转速特
24、性有所提高。但要消除转速降，就必须采用PI调节器。本次实验需要解决两个问题，一是转速反馈电压，二是调节器的结构与转速特性。通过下面的实验就能明白，为什么采用转速负反馈和比例-积分调节器就能消除速降。四、实验设备及仪表 1.NMCL教学实验台主控制。 2.NMCL33挂箱。 3.NMcL18挂箱。 4.NMEL03挂箱。 5.直流电动机M03。 6.电机导轨及光电编码器。 7.双踪示波器。 8.万用表。五、注意事项 1.直流电动机工作前，必须先加上励磁电源。 2.主电源合闸前、即电动机起动前，必须先将速度给定调为零，否则电机的启动电流很大，会引起过流保护动作。 3.电机的最大电流不得超过1A，因
25、为主电路的晶闸管的额定电流仅5安倍。六、实验内容 1.接线。 2.比例-积分调节器输出特性观察。 3.转速反馈电压值的调整。 4.单闭环有差系统的静特性测试。 5.单闭环无差系统的静特性测试。七、方法与步骤1.接线。 1）主电路的连线与实验1相同。 2）控制电路的连线是在实验1的基础上再增接几条线： （1）NMCL-13挂箱上部的转速输出的+端与速度变换器FBS的2端相连，-端与FBS的1端相连。 （2）FBS的4端（公共端0）与电路的0端（黑色端子）相连。 （3）FBS的3端与ASR的7端的连线先不接。 （4）ASR的5、6两端点与NMCL-18挂箱下部的电容器组接线端子相连，电容可选7f左
26、右。 2.比例-积分调节器输入-输出特性观察。 （1）将双踪示波器的两条输入线分别与ASR的输入端2，和输出端3相连。 （2）先将给定G的开关S2往下拨，再将电位器RP2顺时针旋转一定角度（约-0.5V）。 （3）将S2往上拨，观察ASR输入与输出的动态波形，并作记录。若输出端的积分波形不明显，则可适当调小负给定，积分的效果会明显的。 3.转速反馈值的调整。 （1）将ASR的5、6两端短接，使之变为比例调节器。 （2）合主电源，慢慢起动电动机。当转速达到1500转/分时，给定不变。 （3）用万用表的直流电压档测FBS的3、4两端，并调节电位器RP,使两端的电压为+5V。 （4）若测出的电压为-
27、5V，则需将FBS的2、1两端的接线调换。 4.单闭环有差系统的特性测试。 （1）将FBS的3端与ASR的7端相连。 （2）先将给定G的RP2旋为零，再合主电源，电动机有电。 （3）慢慢增大给定，电动机转速上升，直到nd=1400转/分，读取对应的电枢电流。 （4）合负载开关，逐级增大负载，读取对应的转速和电流值。代入表21。直到电流为1A，测出对应的转速。 表21单环有差系统高速特性Id(A)0.10.250.40.60.70.80.91.0Nd(r/min)1400Ud(V)U(V) （5）断开负载开关，并将负载电位器调为最小。（6）慢慢减小速度给定-Ug,电动机转速随之下降，直到nd=6
28、00转/分时给定不再变动。读取对应的空载电流。（7）合负载开关，逐级增大负载，读取对应的转速和电流值，填入表22。直到电流为1A,并测出对应的转速。表22单环有差系统低速特性Id(A)0.10.250.40.60.70.80.91.0nd(r/min)600Ud(V)U(V)5.单闭环无差系统的特性测试（1）将ASR的5、6两端点的短接线拆去，使ASR成为比例-积分调节器。此外，速度给定调为零，电动机的负载开关断开，并将负载电位器调为零。（2）合主电源，慢慢增大速度给定-Ug,电动机逐渐加速，直到转速达到1400转/分。记录对应的空载电流值。（3）合电动机的负载开关，并逐步增大负载，读出电枢电流及对应的转速值。直到电流Id=1.0A。将数据填入表23。 表23单环无差系统高速特性Id(A)0.10.250.40.60.70.80.91.0nd(r/min)1400Ud(V)U(V)（4）断开负载，并将负载电位器调为零。（5）慢慢减小速度给定-Ug,电动机转速随之下降。直到nd=600转/分，记录对应的电枢电流值。（6）合电动机的负载，并逐级增大负载，电枢电流亦逐渐增加，直到Id=1.0A。将数据填入表24。 表24 单环无差系统低速特性Id(A)0.10.250.40
