济南大学机电传动与控制实验指导书

机电传动与控制实验指导书1 目 录实验一 双闭环可逆直流脉宽调速系统 2 实验二 双闭环三相异步电动机调压调速系统 6 实验三 交流伺服电机传动系统调速实验 9 机电传动与控制实验指导书2 实验一 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。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 1－ 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。实验见图 1－ 1。1) 电源控制屏位于 NMCL-32 2) Rd 可调电阻位于 NMEL-03 3) G 给定（ Ug ）位于 NMCL-31 4) UPW ， FBA 位于 NMCL-10A 中5) TG 指光电编码器，与电机导轨同轴，用于测速6) 转速显示及输出位于电机导轨上7) 直流电机励磁电源位于 NMCL-32 中8) 负载用 M01 发电机机电传动与控制实验指导书3 G给定 Ug7ASR(转速调节器） ACR(电流调节器）FBS速度变换器2134123DZS零速封锁器12313 748UPW3u656910CACC调速系统控制单元低压单元调速系统控制单元 调速系统控制单元现代电力电子及直流脉宽调速直流电机励磁电源MUVW电源控制屏直流电机励磁电源MTG 负载转速计FBA图 1-1 系统接线图四．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、光电编码器、直流发电机、直流电动机6．双踪示波器 7．万用表五．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，应预先把 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 7μ F）。3．测取静特性时，须注意主电路（电动机电枢电路）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（确保 Ug 的正负给定旋钮逆时针旋转到底）。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（ Ug 的正负给定旋钮逆时针旋转到底）。6．双踪示波器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，红色探头接测量信号，黑色探头接地），以免造成短路事故。六．实验方法1．控制屏上除 Ug 给定旋钮、 Rd 电阻旋钮外，其余所有旋钮勿动，参数已调好。机电传动与控制实验指导书4 2．开环系统调试主回路按图 1－ 1 接线，但闭环调节器不接（即 ASR ， ACR 单元不接入）。用导线将低压单元的 G 给定 Ug 与 UPW 的“ 3”相连，同时 Ug 的地（黑色插孔）与 UPW 挂箱中的“ 8”脚相连接，并将 UPW “ 2”端和 DLD “ 1”端相连。（ 1）将正、负给定均调到零，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，发电机电枢输出接负载电阻 Rd 。 Rd 阻值可调，启动电机前，应将 Rd 旋钮逆时针旋转到底，即使阻值最大。（ 2）合上主控制屏电源开关（按下绿色按钮），接通位于 NMCL-32 或 NMEL-18/2 中直流电机励磁电源。（ 3）直流发电机串接上直流电流表。（ 4）调节正给定 Ug ，电机开始起动直至达 1000r/min 。再调节直流发电机的负载可调电阻RD ， RD 旋钮顺时针缓慢转动，使电阻变小，直至电动机的电枢电流为 1A 。（ 5）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。（ 6）再次调节正给定 Ug，使电动机转速达 1000r/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调速控制单元的 S 2 开关打向 “给定” ， S1 开关扳向上， 逆时针调整调速控制单元 Ug 的 RP 1电位器到底。在前面调试的基础上，顺时针缓慢调节 Ug 给定旋钮，使电机转速达 1000r/min ，改变直流发电机负载 （注意一定不要快速旋转） ，在空载至额定负载范围内测取 7 个点，记录相应的转速 n 和直流电动机电流 Id。观察电机在开环高速时的机械特性。 (电阻 Rd 最大时，直流电动机为空载，逐渐下调电阻过程中，电动机电枢电流 id 达到 1A 时，为额定负载 ) n=1000r/min n(r/min) Id (A) 调节给定 Ug 给定旋钮， 使电机转速达 500r/min ，作同样的记录，观察电机在开环低速时的机械特性。n=500r/min n(r/min) Id (A) 4．系统闭环机械特性测定控制回路可按图 1－ 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。合上空气开关。（ 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 7μF ；（ c）将给定 G 输出 Ug 接到 ASR 调节器的输入端“ 1”端，输入 1V 电压。调整正、负限幅电位器 RP 1、 RP 2，使输出“ 3”端正负值等于 5V 。（ 2）电流调节器的调试（ a）反馈电位器 RP3 逆时针旋到底，使放大倍数最小；机电传动与控制实验指导书5 （ b）“ 5”、“ 6”端接入可调电容器，预置 7μF ；（ c）将给定 G 输出 Ug 接到调节器 ACR 的输入端 3 端，调节输入 Ug=1V ，调整 ACR 正、负限幅电位器 RP 1、 RP 2，使输出“ 7”端正负值等于 5V。（ 3）机械特性 n=f （ Id） 的测定调速控制单元的 S 2 开关打向 “给定” ， S1 开关扳向上， 逆时针调整调速控制单元 Ug 的 RP 1电位器到底。合上主电路电源，逐渐增加给定电压 Ug，使电机起动、升速，调节 Ug 使电机空载转速n0=1000r/min ， 再调节直流发电机的负载电阻 RD ， 在直流电机空载至额定负载范围， 测取 7 点，读取电机转速 n，电机电枢电流 I d，测出系统在闭环高速时的静特性曲线 n=f （ Id）。n=1000r/min n(r/min) Id (A) 调节 Ug 使电机空载转速 n0=500r/min ， 再从大到小逐渐调节直流发电机的负载电阻 RD ， 在直流电机空载至额定负载范围，测取 7 点，读取电机转速 n，电机电枢电流 Id，测出系统在闭环低速时的静特性曲线 n=f （ Id）。n=500r/min n(r/min) Id (A) 七．实验报告1．列出开环机械特性数据，画出对应的曲线。2．列出闭环机械特性数据，画出对应的曲线，并与开环系统调速范围相比较。3．对实验中感兴趣现象的分析、讨论。4．实验的收获、体会与改进意见。机电传动与控制实验指导书6 实验二 双闭环三相异步电动机调压调速系统一．实验目的1．熟悉相位控制交流调压调速系统的组成与工作。2．了解并熟悉双闭环三相异步电动机调压调速系统的原理及组成。3．通过测定系统的静特性和动态特性进一步理解交流调压系统中电流环和转速环的作用 。二．实验内容1．测定双闭环交流调压调速系统的静特性。2．测定双闭环交流调压调速系统的动态特性 。三．实验系统组成及工作原理双闭环三相异步电动机调压调速系统的主电路为三相晶闸管交流调压器及三相绕线式异步电动机 （转子回路串电阻） 。 控制系统由电流调节器 (ACR) ， 速度调节器 (ASR) ， 电流变换器 (FBC) ，速度变换器 (FBS) ，触发器 (GT) ，一组桥脉冲放大器等组成。其系统原理图如图 2-1 所示。整个调速系统采用了速度， 电流两个反馈控制环。 这里的速度环作用基本上与直流调速系统相同而电流环的作用则有所不同。在稳定运行情况下，电流环对电网振动仍有较大的抗扰作用，但在起动过程中电流环仅起限制最大电流的作用， 不会出现最佳起动的恒流特性， 也不可能是恒转矩起动。异步电机调压调速系统结构简单， 采用双闭环系统时静差率较小， 且比较容易实现正， 反转，反接和能耗制动。 但在恒转矩负载下不能长时间低速运行， 因低速运行时转差功率全部消耗在转子电阻中，使转子过热。实验连线图 2－ 1。1) 电源控制屏 位于 NMCL-32 2) 交流电机采用 M04 3) Rd 可调电阻 位于 NMEL-03 4) G 给定（ Ug ） 位于 NMCL-31 5) Uct 位 NMCL-33F 中6) 晶闸管位于 NMCL-33F 中7) ACR ， ASR 位于 NMCL-18F 中8) TG 指光电编码器，与电机导轨同轴9) 转速显示及输出位于电机导轨上10) 直流电机励磁电源位于 NMCL-32 中11) 负载用 M03 电机机电传动与控制实验指导书7 图 2-1 接线原理图四．实验设备和仪器1．教学实验台主控制屏。 2． 触发电路及晶闸管主回路 组件3．负载组件 4． 交流调速控制单元 组件5． 电机导轨及测速器件 7．双踪示波器8．万用表五．注意事项1．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 ）。2．测取静特性时，须注意电流不许超过电机的额定值（ 0.55A ）。3．三相主电源连线时需注意，不可换错相序。4．系统开环连接时，不允许突加给定信号 Ug 起动电机，开启主电源前确保给定 Ug 逆时针旋转到底。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，红色探头接测量信号，黑色探头接地），以免造成短路事故。7．低速实验时，实验时间应尽量短，以免电阻器过热引起串接电阻数值的变化。机电传动与控制实验指导书8 六．实验方法1．开环外特性的测定（ 1）控制电压 Uct 由给定器 Ug 直接接入，将 Ublr 接地，采用二组晶闸管，不接入 ASR 和ACR 单元，其余电机及负载电路按照图 2-1 接线。（ 2）直流电动机负载电阻 Rd 逆时针旋转到底，电阻为最大值，给定 Ug=0 ，逆时针旋转到底。（ 3）电源控制屏的“三相交流电源”开关拨向“直流调速”。合上空气开关，然后合上主电源（即按下控制屏绿色按钮），这时候主控制屏 U、 V、 W 端有 220V 电压输出。（ 4） 逐渐增加给定电压 Ug ， 使电机起动、 升速， 调节 Ug， 使电机空载运行到转速 n=1000r/m 。再逐渐下调直流发电机的负载 Rd 。在空载至额定负载的范围内测取 7 点。即可测出系统的开环外特性 n=f (I d)。（ 5）测试完毕后关闭控制屏主电源，即按下红色按钮。n=1000r/min n(r/min) Id (A) 2．闭环特性测定将 ASR ， ACR 均接成 PI 调节器接入系统，形成双闭环不可逆系统。 ASR“ 5” 、 “ 6”端接入可调电容，预置 1.5 μF ； ACR 电容取 7μF 。其余接线参照图 2-1。（ 1）接线完毕，检查无误后，启动控制屏主电源，即按下绿色按钮。（ 2）缓慢调节转速给定电压 Ug，使电机空载转速至 1000 r/min ，再调节直流发电机的负载电阻 Rd，顺时针缓慢调节，直至相电流达到额定，及 0.48A 。在空载至额定负载的范围内测取7 点，输出电流 id 以及被测电动机转速 n。，可测出系统静特性曲线 n=f （ Id）（ 3）测试完毕后关闭控制屏主电源，即按下红色按钮，并拨下空气开关。n=1000r/min n(r/min) Id (A) 七．实验报告1．根据实验数据，画出开环时，电机的机械特性。2．根据实验数据，画出闭环系统静特性，并与开环特性进行比较。3．根据记录下的动态波形分析系统的动态过程。机电传动与控制实验指导书9 实验三 交流伺服电机传动系统调速实验一．实验目的1．熟悉伺服电机传动系统的组成与工作。2．了解并熟悉伺服电机调速的原理及组成。3．通过测定系统的调速数据，了解其控制特性。二．实验内容1．测定不同转速时的系统特性。2．测定不同负载时的系统特性。三．实验方法1． 打开桌面上的调试软件 MotorControlBench.exe， 然后点击实验一， 进入伺服电机调速界面。界面中左侧显示捕捉到的波形，右侧为参数设置界面。2．速度设定方式采用直接输入数字方式。分别调节转速为 800 r/min 和 1500 r/min ，测定相应数据。负载设定为 0.5 N.m。 （注：输入交流伺服电机速度值不能大于 3000r/min ，输入交流伺服电机负载值不能大于 0.6N.m）。3．测定负载分别为 0.6 和 0.3 N.m 时的特性，记录相应数据，此时转速设为 500 r/min 。4．其余设置值默认皆可。。5．设置完成后，即可开始试验。（ 1）开始试验：点击【开始试验】按钮，试验可以进行，同时可以记录试验曲线和试验数据。（ 2）停止试验：当想停止试验时，点击【停止试验】按钮。（ 3）保存数据：试验结束以后保存当前的试验数据（保存的试验数据的格式为 .det）。（ 4）转换数据：把试验数据转换到 Excel 里。四．实验报告1．根据实验数据，画出不同转速时的曲线，分析其控制特性，超调量、相应时间、稳定时间等。2．根据实验数据，画出不同负载时的曲线，分析其控制特性，超调量、相应时间、稳定时间等。