1、1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 CM的测定；5测定晶闸管直流调速系统机电时间常数 TM（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 UTG=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
2、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 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。四实验设备及仪器见表 31五注意事项2为防止电枢过大电流的冲击，每次增加 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。表 31 实验设备及仪器序号 型 号 备 注1 DJK01 电源控制屏 该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。2 DJK02 晶闸管主电路 3 D
3、JK02-1 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。4 DJK04 电机调速控制实验 该挂件包含“给定” ，模块。5 DD03-2 电机导轨测速发电机及转速表6 DJ13-1 直流发电机7 DJ15 直流并励电动机8 D42 三相可调电阻9 示波器 自备10 万用表 自备六实验方法1测定整流装置的外特性 uf( I ) ，并确定其内阻 r。 实验原理见图 31图 31 整流装置外特性测试原理图 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 角时的外特性曲线 uf( I )， 值可取
4、三种不同的角度，对于每个不同的 值，通过改变 R 的大小 ，可测取其 4 个左右的相应参R三 相 电源输出ABVT1 VT3VT4 VT6PAPVAV三EC三 三 三 三Rp G1 K1三G6 K6UctVT5VT2C3数，并描述 uf( I )曲线（应为直线簇） ，该直线的斜率即为 r。ru /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 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 31实验前，将负载电阻 Rd 的阻值置于最大。对于不同的 UCT，测出对应的输出电压 Ud。根据 KS=U d/U CT，即可求
5、出相应的放大系数。 由于 KS 为空载放大系数，且又要保持系统的电流连续，故在实验中 Id 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 RL 实验原理框图见图 32 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 UCT0。 合上电源，逐步缓慢地增大 UCT，使负载电流增大至一定值（如 0.3A）时，记下此时的 U1、U 2 与 Id 的数据，根据公式： RaU 2 / Id 、 RL= U1 / Id 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 32 直流电动机
6、电枢电阻、电抗器电阻测试原理图4电动机电势常数 Ce 和转矩常数 CM的测定 实验原理框图参见图 32。通电测试前，将电动机励磁线圈加额定励磁。 合上电源，使电动机空载运行。改变 UCT，即可改变电动机电枢电压 Ua，从而可得到相应的转速 n，由下列公式可求出 Ce。If0三 相 电源输出ABVT1 VT3VT4 VT6PAPVAV三EC三 三 三 三Rp G1 K1三G6 K6UctVT5VT2C 三三三三 三三MV1V2L4CeKe（U a2U a1）/（ n2n 1）Ce 的单位为 V /（r/min）转矩常数(额定磁通时)CM 的单位为 N.m/A，可由 Ce 求出CM=9.55Ce5
7、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()/375MTmGDRCeL由于 TmTd，也可以近似地把系统看成是一阶惯性环节，即UdSKn+=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 UCT=0，电动机 M 加额定励磁。合上主电路电源开关，调节 UCT，将电机空载起动至稳定转速 1000r/min。然后保持UCT 不变，断开主电路开关，待电机完全停止后，突然合上主电路开关，给电枢加电压，用光线示波器拍摄过渡过程曲线，即可由此确定机电时间常数。图 33
8、 系统机电时间和常数转动惯量的测定V6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TT Z=（GD 2/375） dn/dt式中 T电动机的电磁转矩，单位为 N.m;TZ ：负载转矩，空载时即为空载转矩 TK，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：TK= （GD 2/375）dn/dt故 2375/KGDdt式中 GD2 的单位为 Nm2.三 相 电源输出ABVT1 VT3VT4 VT6PAPVAV三EC三 三 三 三Rp G1 K1三G6 K6UctVT5VT2C 三三三三 三三MLTG1234三三三5TK
9、可由空载功率 PK（单位为 W）求出。9.5/n而 PKU aIaI a2Ra其中：U a 为电动机电枢电压；Ra 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 33 所示。电动机加额定励磁。给定电位器 RP1 逆时针调到底，使 UCT=0。合上主电路电源开关，调节 UCT，将电机空载起动至稳定转速后，测取电枢电压 Ua 和电流 Id，然后断开 UCT，用记忆示波器拍摄曲线，即可求取某一转速时的 TK 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 TK 和 dn
10、/dt，以求取 GD2 的平均值。电机为 1000r/min。Ua（v） Ia（ A） dn/dt PK TK GD2电机为 1200r/min。Ua（v） Ia（ A） dn/dt PK TK GD27测绘自由停车曲线 nf（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nf（t） 。8测速发电机特性 UTG=f(n)的测定实验线路如图 33 所示。电动机加额定励磁，逐渐增加触发电路的控制电压 UCT，分别读取对应的 UTG 、n 的数值若干组，即可描绘出特性曲线 UTG=f(n)
11、。n（r/min） 600 700 800 900 1000 1200UTG（V）9用交流伏安法测量电枢回路电感 L电枢回路总电感包括电机的电枢电感 La，平波电抗器电感 Ld和整流变压器漏感 LB，由于 LB的数值很小，因此可忽略。故电枢回路的等效总电感为：LLaL 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 34 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 Ua 和 UL 及电流 I，从而可得到交流阻抗 Za 和 ZL，计算出电感值 La 和 Ld。6实验时，交流电压的有效值应小于电机
12、直流电压的额定值，Za=Ua/IZL=UL/I2/()Rf 2/LdZlf 三 相 电源输出ABPAPVaAV三三三三 三三MLPVLV图 34 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TdL/R R rR a+RL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。7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
13、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
14、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； 调节器的调整 调节器的调零； 正负限幅值的调整 转速反馈系数的整定 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； 机械特性的测定 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；87、逻辑无环流可逆直流调速系统单元测试； “
15、转矩极性鉴别”单元的调试 “零电平检测”单元的调试 “反号器”单元的调试 “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、 实验设备与仪器序号 型 号 备 注1 DJK01 电源控制屏 该控制屏包含“三相电源输出”等模块。2 DJK02 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”等模块。4 DJK04 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” ， “逻辑控制”等模块。5 DJK08 可调
16、电阻、电容箱6 DD03-2 电机导轨测速发电机及转速表7 DJ13-1 直流发电机8 DJ15 直流并励电动机9 D42 三相可调电阻10 慢扫描示波器11 万用表四、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
17、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9整流桥的“
18、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。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
19、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。在某些场合下，既要求电动机能正转，同时也能反转，并要求在减速时产生制动转矩，加快制动时间。要改变电动机的转向有以下方法，一是改变电动机电枢电流的方向，二是改变励磁电流的方向。由于电枢回路的电感量比励磁回路的要小，使得电枢回路有较小的时间常数。可满足某些设备对频繁起动，快速制动的要求 。本实验的主回路由正桥及反桥反向并联组成，并通过逻辑控制来控制正桥和反桥的工作与关闭，并保证在同一时刻只
20、有一组桥路工作,另一组桥路不工作，这样就没有环流产生。由于没有环流,主回路不需要再设置平衡电抗器，但为了限制整流电压幅值的脉动和尽量使整流电流连续，仍然保留了平波电抗器。该控制系统主要由“速度调节器”、“电流调节器”、“反号器”、“转矩极性鉴别”、“零电平检测”、“逻辑控制”、“速度变换”等环节组成。五、预习要求(1)复习自动控制系统(直流调速系统)等教材中有关晶闸管直流调速系统、闭环反馈控制系统、逻辑无环流可逆调速系统的内容，熟悉系统的原理图和逻辑无环流可逆调速系统工作原理的内容。(2)掌握有关调节器的基本工作原理。(3)根据直流调速系统的工作原理，最终能画出相应单元的实验原理图、实验系统的
21、详细接线图，并理解各控制单元在调速系统中的作用。在充分预习的基础上，今老师检查认可后，方可进入实验环节。 六、实验方法1、DJK02和DJK02-1上的“触发电路”调试 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。将DJK01“电源控制屏”上“调速电源选择开关”拨至“直流调速”侧。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。2、U ct不变时的直流电机开环外特性的测定按接线图分别将主回路和控制回路接
22、好线。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。10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，使电动机逐步启动并使转速 n 达到1200rpm。改变负载电阻R的阻值，在空载至额定负载的范围内测取56点，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：表36n（rpm）Id（A）3、基本单元部件的调试 速度调节器的调试速度调节器调零将 DJK04 中“速度调节
23、器”所有输入端接地，再将 DJK08 中的可调电阻 120K 接到“速度调节器”的“4”、“5”两端，用导线将“5”、“6”短接，使“电流调节器”成为 P (比例)调节器。调节面板上的调零电位器 RP3，用万用表的毫伏档测量电流调节器“7”端的输出，使调节器的输出电压尽可能接近于零。（3mv 以下即可）调整输出正、负限幅值把“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，然后将 DJK04 的给定输出端接到转速调节器的“3”端，当加一定的正给定时，调整负限幅电位器 RP2，观察输出负电压的变化，当调节器输入端
24、加负给定时，调整正限幅电位器 RP1，观察调节器输出正电压的变化。（限 6V 以下）(2)电流调节器的调试调节器的调零 将 DJK04 中“电流调节器”所有输入端（1、2、4、6 脚）接地，再将 DJK08 中的可调电阻 13K 接“速度调节器”的“8”、“9”两端，用导线将“9”、“10”短接，使“电流调节器”成为 P（比例）调节器。调节面板上的调零电位器 RP3，用万用表的毫伏档测量电流调节器的“11”端，使调节器的输出电压尽可能接近于零。(3mv 以下即可)调整输出正、负限幅值把“8”、“9”短接线去掉，将 DJK08 中的可调电容 0.47uF 接入“8”、“9”两端，使调节器成为 P
25、I（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，观察输出负电压的变化，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器 RP1，观察输出正电压的变化。（限 6V 以下） 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 =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 =U
26、 fn/n =0.004V/(rpm)。 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。11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= U fi/Id= 4.615V/A。4、转速单闭环直流调速系统静特性的测试实验线路如图35所示。RpPAPVL 三三三三 三三AV M三三三三三三ASR三R7 C54
27、5 632 7EC三三三三三3Ug Uct 三 三三 三Ulf三三三三三三三三3三三三三三 三三G 三三三 三三RTG12图 3-5 转速单闭环系统原理图按图接线。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“速度调节器”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。直流发电机接负载（负载电阻阻值置于最大），从零开始逐渐调大“给定”电压Ug，使电动机的转速接近n=l200rpm。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（不大于0.9A）与电机的转速n，即可测出系统静态特性曲线n
28、=f(I d)，并将结果填于下表。表37 P调节器n（rpm）Id（A）表38 PI调节器n（rpm）Id（A）5 电流单闭环直流调速系统静特性的测试按图3-6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，L d用DJK02上200mH，将给定输出调到零。12RpPAPVL 三三三三 三三AV M三三三三三三ACR三R13 C78 9 104211EC三三三三2Ug Uct 三 三三 三Ulf三三三三三三三三3三三三三三 三三G三三三 三三R31 23三三三三三TA图 3-6 电流单闭环系统原理图直
29、流发电机先轻载，从零开始逐渐增加“给定”电压U g，使电动机转速接近n=l200rpm。由小到大调节直流发电机负载R，测定相应的I d和n，即可测出系统静态特性曲线n =f(Id)。表39n（rpm）Id（A）6 双闭环不可逆直流调速系统静特性的测试按图3-7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。三三三三三三ASR三R7 C54 5 632 7三三三三三3UgTG12RpPAPVL 三三三三 三三AV M三三三三三三ACR三R13 C78 9 10411+EC三三三三
30、2Uct 三 三三 三Ulf三三三三三三三三3三三三三三 三三G三三三 三三R312 3三三三三三TA图3-7 双闭环直流调速系统原理框图13机械特性n =f(I d)的测定A、从零开始逐渐调大给定电压U g，使电动机转速接近n=l200rpm，逐渐改变负载电阻，即可测出系统静态特性曲线n =f(I d)，并记录于下表中：表310n（rpm）Id（A）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：表311n（rpm）Id（A）C、闭环控制特性n=f(U g)的测定调节U g，使n从600 rpm逐步调至 l200rpm，记录U g和n，即可测出闭环控制特性n = f(
31、Ug)。 表312n（rpm）Ug（V）7 双闭环不可逆直流调速系统动态特性的观察用慢扫描示波器观察动态波形。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(“速度变换”的“3”端)波形。8 逻辑无环流可逆直流调速系统单元测试按图 38 接线。图 38 逻辑无环流可逆直流调速系统原理图“转矩极性鉴别”的调试 14“转矩极性鉴别”的输出有下列要求:电机正转，输出U M为“1”态。电机反转，输出U M为“0”态。将给定输出端接至“转矩极性鉴别”的输入端，同时在输入端接上万用表以监视输入电压的大小，示波器探头接至“转矩极性鉴别”的输出端，观察其输出高、
32、低电平的变化。“转矩极性鉴别”的输入输出特性应满足图2-12a所示要求，其中U sr1=-0.25V，U sr2=+0.25V“零电平检测”的调试 其输出应有下列要求:主回路电流接近零，输出U I为“1”态。主回路有电流，输出U I为“0”态。其调整方法与“转矩极性鉴别”的调整方法相同，输入输出特性应满足图2-12b所示要求，其中U sr1=0.2V，U sr2=0.6V。“反号器”的调试A、调零（在出厂前反号器已调零，如果零漂比较大的话，用户可自行将挂件打开调零），将反号器输入端“1”接地，用万用表的毫伏档测量“2”端，观察输出是否为零，如果不为零，则调节线路板上的电位器使之为最小值。B、测
33、定输入输出的比例，将反号器输入端“1”接“给定”，调节“给定”输出为5V电压，用万用表测量“2”端，输出是否等于-5V电压，如果两者不等，则通过调节RP1使输出等于负的输入。再调节“给定”电压使输出为-5V电压，观测反号器输出是否为5V。“逻辑控制”单元的调试测试逻辑功能，列出真值表，真值表应符合下表：表 313UM 1 1 0 0 0 1输入UI 1 0 0 1 0 0UZ（U ） 0 0 0 1 1 1输出UF（U ） 1 1 1 0 0 0调试方法：首先将“零电平检测” 、 “转矩极性鉴别”调节到位，符合其特性曲线。给定接“转矩极性鉴别”的输入端，输出端接“逻辑控制”的 Um。 “零电平
34、检测”的输出端接“逻辑控制”的 UI,输入端接地。将给定的 RP1、RP2 电位器顺时针转到底，将 S2 打到运行侧。(S2 此时一定不要打到“停止”)将 S1 打到正给定侧，用万用表测量“逻辑控制”的“3” 、 “6”和“4” 、 “7”端，“3”、 “6”端输出应为高电平， “4”、 “7”端输出应为低电平，此时将 DJK04 中给定部分S1 开关从正给定打到负给定侧，则“3” 、 “6”端输出从高电平跳变为低电平，4” 、 “7”端输出也从低电平跳变为高电平。在跳变的过程中用示波器观测“5”端输出的脉冲信号。将“零电平检测”的输入端接高电平，此时将 DJK04 中给定部分的 S1 开关来
35、回扳动，“逻辑控制”的输出应无变化。9 逻辑无环流可逆直流调速系统机械特性的测定当系统正常运行后，改变给定电压，测出并记录当n分别为1200rpm、800rpm时的正、反转机械特性n=f(I d)，方法与双闭环实验相同。实验时，将发电机的负载R逐渐增加（减小电阻R的阻值），逐步增加电动机负载，记录实验数据：15正转：表314n（rpm） 1200Id（A）表315n（rpm） 800Id（A）反转：表316n（rpm） 1200Id（A）表317n（rpm） 800Id（A）10 闭环控制特性n=f(U g)的测定从正转开始逐步增加正给定电压，记录实验数据：表318n（rpm）Ug（V）从反转
36、开始逐步增加负给定电压，记录实验数据：表319n（rpm）Ug（V）11 逻辑无环流可逆直流调速系统动态波形的观察用双踪慢扫描示波器观察电动机电枢电流I d和转速n的动态波形，两个探头分别接至“电流反馈与过流保护”的“2”端和“速度变换”的“3”端。给定值阶跃变化(正向启动正向停车反向启动反向切换到正向正向切换到反向反向停车)时的I d、n的动态波形。七、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；(3) 根据实验结果，画出正、反转闭环控制特性曲线n =f(U g)；16(4) 根据实验结果，画出两种转速时的正
37、、反转闭环机械特性n =f(Id)，并计算静差率；(5) 分析速度调节器、电流调节器参数变化对系统动态过程的影响；(6) 分析电机从正转切换到反转过程中，电机经历的工作状态，系统能量转换情况。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? (3) 逻辑无环流可逆调速系统对逻辑控制有何要求?17实验三 变频原理实验异步电动机转速的基本公式为：n=60f(1-s)/p其中 n 为电机转速，f 为电源频率， p 为电机极对数，s 为电机的转差率。当转差率固定在最佳值时，改变 f 即可改变转速 n。为使电机在
38、不同转速下运行在额定磁通，在改变频率的同时必须成比例地改变输出电压的基波幅值。这就是所谓的 VVVF（变压变频）控制。工频 50Hz 的交流电源经整流后就可以得到一个直流电压源。对直流电压进行 PWM逆变控制，使变频器输出 PWM 波形中的基波为预先设定的电压/频率比曲线所规定的电压频率数值。因此，这个 PWM 的调制方法是其中的关键技术。目前常用的变频器调制方法有 SPWM，马鞍波 PWM，空间电压矢量 PWM 等方式。1、 SPWM 变频调速方式正弦波脉宽调制法（SPWM）是最常用的一种调制方法，SPWM 信号是通过用三角载波信号和正弦信号相比较的方法产生，当改变正弦参考信号的幅值时，脉宽
39、随之改变，从而改变了主回路输出电压的大小。当改变正弦参考信号的频率时，输出电压的频率也随之改变。在变频器中，输出电压的调整和输出频率的改变是同步协调完成的，即 VVVF（变频变压）控制。SPWM 调制方式的特点是半个周期内脉冲中心线等距，脉冲等幅。调节脉冲的宽度，使脉冲面积之和与正弦波下的面积成比例。因此，其调制波形接近与正弦波。在实际应用中对于三相逆变器，是由一个三相正弦波发生器产生三相参考信号，与一个公用的三角载波信号相比较，从而产生三相调制波。2、 马鞍波 PWM 变频调速方式SPWM 信号是由正弦波与三角波信号相比较而产生的，正弦波幅值与三角波幅值之比为 m，称为调制比。正弦波脉宽调制
40、的主要优点是：逆变器输出线电压与调制比 m 成线性关系，有利于精确控制，且谐波含量小。但在一般情况下，要求调制比 m1。当 m1 时，正弦波脉宽调制波中出现饱和现象，不但输出电压与频率失去所要求的配合关系，而且输出电压中谐波分量增大，特别是较低次谐波分量较大，对电机运行不利；如果 m1，逆变器输出的线电压中基波分量的幅值，只有逆变输入的电网电压幅值得 0.866 倍，这就使得采用 SPWM 逆变器不能充分利用直流母线电压。为解决这个问题，可以在正弦参考信号上叠加适当的三次谐波分量。其合成后的波形近似马鞍型，所以称为马鞍波 PWM。采用马鞍波调制，使得参考信号的最大值减小，但参考波形基波分量的幅
41、值有了进一步的提高。即可使 m 1，从而可以在高次谐波分量不增加的条件下，增加其基波分量的值，以克服 SPWM 的不足。3、 空间电压矢量 PWM 变频调速方式对于三相逆变器，根据上路开关的状态可以生成六个互差 60。 的非零电压矢良V1V6，零矢量 V0、V7。当开关状态为（000）或（111）时，即生成零矢量，这时逆变器上半桥或下半桥功率器件全部导通，因此输出线电压为零。由于电机磁链矢量是空间电压矢量的时间积分，因此控制电压矢量就可以控制磁链的轨迹和速率。在电压矢量的作用下，磁链轨迹越是接近于圆，电机脉动转矩就越小，其运行性能就越好。18一、实验目的 通过实验，掌握 SPWM 的基本原理和
42、实现方法； 熟悉与 SPWM 控制有关的信号波形； 掌握马鞍波脉宽调制的原理及其实现方法； 熟悉与马鞍波脉冲宽度调制有关的信号波形； 掌握空间矢量控制方式的原理及其实现方法； 熟悉与空间电压矢量控制方式有关的信号波形。二、实验设备及仪器DJDK-1 型电力电子技术及电机控制实验装置一套（包括 DJK13 三相异步电动机变频调速控制系统挂件） ，示波器一台。三、实验内容 1、分析测量与 SPWM 控制有关的各点信号波形。 接通挂件电源，关闭电机开关，调制方式设定在 SPWM 方式下（将控制部分S、V、P 的三个端子都悬空） ，然后开启电源开关。 点动 “增速”按键，将频率设定在 30Hz，在 S
43、PWM 部分观测三相正弦波信号（在观测点 2、3、4） ，观测三角载波信号（在测试点 5） ，三相 SPWM 调制信号（在测试点6、7、8） ；然后再点动“转向”按键，改变转动方向，观测上述各信号的相位关系变化。 将频率在 0.5Hz60Hz 的范围内改变，在测试点“2、3、4”中观察正弦波信号的频率与幅值的关系。2、分析测量与马鞍波脉冲宽度调制有关的各点信号波形。 接通挂件电源，关闭电机开关，调制方式设定在马鞍波方式下（将控制部分 V、P两端用导线短接，S 端悬空） ，然后开启电源开关。 点动 “增速”按键，将频率设定在 30Hz，在 SPWM 部分观测三相正弦波信号（在观测点 2、3、4）
44、 ，观测三角载波信号（在测试点 5） ，三相 SPWM 调制信号（在测试点6、7、8） ；然后再点动“转向”按键，改变转动方向，观测上述各信号的相位关系变化。 将频率在 0.5Hz60Hz 的范围内改变，在测试点“2、3、4”中观察马鞍波信号的频率与幅值的关系。由于马鞍波 PWM 调制技术是在正弦波脉宽调制的基础上发展而来的，其调制原理与正弦波脉宽调制完全一致，因此与正弦波脉宽调制共用相同的波形测试点。3、分析测量与空间电压矢量控制方式有关的各点信号波形。 接通挂件电源，关闭电机开关，调制方式设定在马鞍波方式下（将控制部分 S、V两端用导线短接，P 端悬空） ，然后开启电源开关。 点动 “增速
45、”按键，将频率设定在 30Hz，用示波器观测 SVPWM 部分的三相矢量信号（在测试点 10、11、12） ，三角载波信号（在测试点 14） ，PWM 信号（在测试点 13） ，三相SVPWM 调制信号（在测试点 15、16、17） ；然后再点动“转向”按键，改变转动方向，观测上述各信号的相位关系变化。 将频率在 0.5Hz60Hz 的范围内改变，在测试点“13”中观察占空比与频率的关系（在 V/F 函数不变的情况下） 。四、实验报告191、分别画出与 SPWM、马鞍波脉宽调制、SVPWM 有关的测试信号波形（频率为 30Hz 时） ；2、分别简述 SPWM、马鞍波 PWM 调制及空间电压矢量控制变频调速的基本原理。
