运动控制实验.doc

运动控制综合实验

姓名：____祝陈贝____

学号：___1112002118__

班级：_____电116班__

学院：___电气工程学院_______

一．实验目的
1．了解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及反馈环节测定方法。
4．熟悉直流调速系统主要单元部件的工作原理及调速系统对其提出的要求。
5．掌握直流调速系统主要单元部件的调试步骤和方法。
6．了解双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。
7．熟悉电力电子及教学实验台主控制屏的结构及调试方法。
8．熟悉NMCL-18，NMCL-33的结构及调试方法。
9．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。
二．实验内容
1．测定晶闸管直流调速系统主电路电阻R。
2．测定晶闸管直流调速系统主电路电感L。
3．测定直流电动机—直流发电机—测速发电机组（或光电编码器）的飞轮惯量GD2。
4．测定晶闸管直流调速系统主电路电磁时间常数Td。
5．测定直流电动机电势常数Ce和转矩常数CM。
6．测定晶闸管直流调速系统机电时间常数TM。
7．测定晶闸管触发及整流装置特性Ud=f (Uct)。
8．测定测速发电机特性UTG=f (n)。
9．调节器的调试。
10．电平检测器的调试。
11．反号器的调试。
12．逻辑控制器的调试。
13．各控制单元调试
14．测定电流反馈系数。
15．测定开环机械特性及闭环静特性。
16．闭环控制特性的测定。
17．观察，记录系统动态波形。
三．实验系统组成和工作原理
1、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。
实验1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。
2、双闭环晶闸管不可逆直流调速系统由电流和转速两个调节器综合调节，由于调速系统调节的主要量为转速，故转速环作为主环放在外面，电流环作为付环放在里面，这样可抑制电网电压波动对转速的影响，实验系统的控制回路如图1-8b所示，主回路可参考图1-8a所示。
系统工作时，先给电动机加励磁，改变给定电压的大小即可方便地改变电机的转速。ASR,ACR均有限幅环节，ASR的输出作为ACR的给定，利用ASR的输出限幅可达到限制起动电流的目的, ACR的输出作为移相触发电路的控制电压，利用ACR的输出限幅可达到限制amin和bmin的目的。
当加入给定Ug后，ASR即饱和输出，使电动机以限定的最大起动电流加速起动，直到电机转速达到给定转速（即Ug=Ufn），并出现超调后，ASR退出饱和，最后稳定运行在略低于给定转速的数值上。
四．实验设备及仪器
1．教学实验台主控制屏
2．NMCL—33组件
3．NMEL—03/4组件
4．NMCL—18组件
5．电机导轨及测速发电机.
6．直流电动机M03
7．双踪示波器（自备）
8．万用表（自备）
9．NMCL—31A组件
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。
4．三相主电源连线时需注意，不可换错相序。
5．系统开环连接时，不允许突加给定信号Ug起动电机。
6．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。
7．进行闭环调试时，若电机转速达最高速且不可调，注意转速反馈的极性是否接错。
8．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。
六．实验方法
6．1．晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定
6．1．1．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RL和整流装置的内阻Rn，即R=Ra+RL+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。
将变阻器RD（可采用NMEL—03/4中R2两组电阻并联）接入被测系统的主电路，并调节电阻负载至最大。测试时电动机不加励磁，并使电机堵转。
NMCL-31的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。调节偏移电压电位器RP2，使a=150°。
MEL-002T“三相交流电源”。合上主电源，即按下主控制屏绿色“闭合”开关按钮调节实验台侧面旋钮，使主控制屏U、V、W端输出220V电压.
调节Ug使整流装置输出电压Ud=（30~70）%Ued额定电压（可为110V），然后调整RP使电枢电流为（80~90）%Ied额定电流。读取电流表A和电压表V的数值为I1,U1，则此时整流装置的理想空载电压为
Udo=I1R+U1
调节RP，使电流表A的读数为40% Ied。在Ud不变的条件下读取A，V表数值，则
Udo=I2R+U2
求解两式，可得电枢回路总电阻
R=(U2-U1)/(I1-I2)
如把电机电枢两端短接，重复上述实验，可得
RL+Rn=(U’2-U’1)/(I’1-I’2)
则电机的电枢电阻为
Ra=R-（RL+Rn）
同样，短接电抗器两端，也可测得电抗器直流电阻RL
6．1．2．电枢回路电感L的测定
电枢电路总电感包括电机的电枢电感La，平波电抗器电感LL和整流变压器漏感LB，由于LB数值很小，可忽略，故电枢回路的等效总电感为
L=La+LL
电感的数值可用交流伏安法测定。电动机应加额定励磁，并使电机堵转，实验线路如图1-2所示。
合上主电路电源开关，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LL。
实验时，交流电流的有效值应小于电机直流电流的额定值，
Za=Ua/I
ZL=UL/I
6．1．3．直流电动机—发电机—测速发电机组的飞轮惯量GD2的测定。
电力拖动系统的运动方程式为

式中 M—电动机的电磁转矩，单位为N.m;
ML ¾负载转矩，空载时即为空载转矩MK，单位为N.m;
n ¾ 电机转速，单位为r/min;
电机空载自由停车时，运动方程式为

故
式中GD2的单位为N.m2.
MK可由空载功率（单位为W）求出。

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1-3所示。
电动机M加额定励磁。
NMCL-31A的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。
合上主电路电源开关，调节旋钮使主电源输出220V。调节Uct，将电机空载起动至稳定转速后，测取电枢电压Ud和电流IK，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MK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1500r/min，1000r/min），测出相应的MK和dn/dt，以求取GD2的平均值。
电机为1500r/min。
Ud（v）
IK（A）
dn/dt
PK
MK
GD2
207
0.164
576.9
33.25w
0.212N*M
0.1378
电机为1000r/min。
Ud（v）
IK（A）
dn/dt
PK
MK
GD2
139
0.152
531.9
20.53w
0.196N*M
0.138
6．1．4．主电路电磁时间常数的测定
采用电流波形法测定电枢回路电磁时间常数Td，电枢回路突加给定电压时，电流id按指数规律上升

当t =Td时，有

实验线路如图1-4所示。
NMCL-31A的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。
合上主电路电源开关，调节旋钮使主电源输出220V。调节电机不加励磁。
调节Uct，监视电流表的读数，使电机电枢电流为(50~90)%Ied。然后保持Uct不变，突然合上主电路开关，用数字示波器拍摄id=f(t)的波形，由波形图上测量稳定值时的时间，即为电枢回路的电磁时间常数Td。
6．1．5．电动机电势常数Ce和转矩常数CM的测定
将电动机加额定励磁，使之空载运行，改变电枢电压Ud，测得相应的n，即可由下式算出Ce
Ce=KeF=(Ud2-Ud1)/(n2-n1)
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=9.55Ce
6．1．6．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

由于Tm>>Td，也可以近似地把系统看成是一阶惯性环节，即

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。
测试时电枢回路中附加电阻应全部切除。
NMCL-31A的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。
合上主电路电源开关，电动机M加额定励磁。
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，用数字示波器拍摄过渡过程曲线，即可由此确定机电时间常数。
6．2．晶闸管直流调速系统主要单元调试
6．2．1．速度调节器（ASR）的调试
按图1-5接线，DZS(零速封锁器)的扭子开关扳向“解除”。
（1）调整输出正、负限幅值
“5”、“6”端 接可调电容，使ASR调节器为PI调节器，加入一定的输入电压（由NMCL-31A的给定提供，以下同），调整正、负限幅电位器RP1、RP2，使输出正负值等于±5V。
（2）观察PI特性
拆除“5”、“6”端短接线，突加给定电压，用慢扫描示波器观察输出电压的变化规律，改变调节器的放大倍数及反馈电容，观察输出电压的变化。反馈电容由外接电容箱改变数值。
6．2．2．电流调节器（ACR）的调试
按图1-5接线。
（1）调整输出正,负限幅值
“9”、“10”端 接可调电容，使调节器为PI调节器，加入一定的输入电压，调整正、负限幅电位器，使输出正负最大值大于±6V。
（2）观察PI特性
拆除“9”、“10”端短接线，突加给定电压，用慢扫描示波器观察输出电压的变化规律，改变调节器的放大倍数及反馈电容，观察输出电压的变化。反馈电容由外接电容箱改变数值。
6．2．3．电平检测器的调试(如图1－6)
（1）测定转矩极性鉴别器（DPT）的环宽，要求环宽为0.4~0.6V，记录高电平值 ，调节RP使环宽对称纵坐标。
具体方法：
（a）调节正给定Ug，使DPT的“1”脚得到约0.3V电压，调节电位器RP，使“2”端输出从“1”变为“0”。
（b）调节负给定Ug，从0V起调，当DPT的“2”端从“0”变为“1”时，检测DPZ的“1”端应为-0.3V左右，否则应调整电位器，使“2”端电平变化时，“1”端电压大小基本相等。
（2）测定零电流检测器（DPZ）的环宽，要求环宽也为0.4~0.6伏，调节RP，使回环向纵坐标右侧偏离0.1~0.2伏。
具体方法：
（a）调节正给定Ug，使DPZ的“1”端为0.7V左右，调整电位器RP，使“2”端输出从“1”变为“0”。
（b）减小给定，当“2”端电压从“0”变为“1”时，“1”端电压在0.1～0.2V范围内，否则应继续调整电位器RP。
（3）按测得数据，画出两个电平检测器的回环。
6．2．4．逻辑控制器（DLC）的调试
测试逻辑功能，列出真值表，真值表应符合下表：（1指高电平，0指低电平）
输入
DCL（1脚
1

1
0
0
0
1
DCL（2脚
1
0
0
1
0
0
输出
Uz(Ublf)
0
0
0
1
1
1
UF(Ublr)
1
1
1
0
0
0
调试时的阶跃信号可从给定器得到。
调试方法：
按图1-6接线
（a）给定电压顺时针到底，Ug输出约为12V。
（b）此时上下拨动NMCL—31A中G（给定）部分S2开关，Ublf、Ublr的输出应为高、低电平变化，同时用示波器观察DLC的“5”，应出现脉冲，用万用表测量，“3”与“Ublf”，“4”与“Ublr”等电位。
（c）把+15V与DLC的“2”连线断开，DLC的“2”接地，此时拨动开关S2，Ublr、Ublf输出无变化。
6．3．双闭环晶闸管不可逆直流调速系统

6．3．1．按图接线，未上主电源之前，检查晶闸管的脉冲是否正常。
（1）用示波器观察双脉冲观察孔，应有间隔均匀，幅度相同的双脉冲
（2）检查相序，用示波器观察“1”，“2”脉冲观察孔，“1”脉冲超前“2”脉冲600，则相序正确，否则，应调整输入电源。
（3）将控制一组桥触发脉冲通断的六个直键开关弹出，用示波器观察每只晶闸管的控制极，阴极，应有幅度为1V—2V的脉冲。
6．3．2．双闭环调速系统调试原则
（1）先部件，后系统。即先将各单元的特性调好，然后才能组成系统。
（2）先开环，后闭环，即使系统能正常开环运行，然后在确定电流和转速均为负反馈时组成闭环系统。
（3）先内环，后外环。即先调试电流内环，然后调转速外环。
6．3．3．开环外特性的测定
（1）控制电压Uct由给定器Ug直接接入。主回路按图1-8a接线，直流发电机所接负载电阻RG断开，短接限流电阻RD。
（2）使Ug=0，调节偏移电压电位器，使α稍大于90°。
（3）MEL-002T“三相交流电源”，即按下主控制屏绿色“闭合”开关按钮, 首先调节NMEL-18/2使励磁输出为220V,然后调节侧面调压器调节旋钮使主控制屏U、V、W端有输出220V。
6．3．4．单元部件调试
ASR调试方法与实验二相同。
ACR调试：使调节器为PI调节器，加入一定的输入电压，调整正，负限幅电位器，使脉冲前移a£300,使脉冲后移b=300，反馈电位器RP3逆时针旋到底，使放大倍数最小。
6．3．5．系统调试
将Ublf接地，Ublr悬空，即使用一组桥六个晶闸管。
（1）电流环调试
电动机不加励磁
（a）系统开环，即控制电压Uct由给定器Ug直接接入，主回路接入电阻RD并调至最大（RD由NMEL-03/4中的R2两只电阻并联）。逐渐增加给定电压，用示波器观察晶闸管整流桥两端电压波形。在一个周期内，电压波形应有6个对称波头平滑变化 。
（b）增加给定电压，减小主回路串接电阻Rd，直至Id=1.1Ied，再调节NMCL-33挂箱上的电流反馈电位器RP，使电流反馈电压Ufi近似等于速度调节器ASR的输出限幅值（ASR的输出限幅可调为±5V）。
（c）NMCL—31A的G（给定）输出电压Ug接至ACR的“3”端，ACR的输出“7”端接至Uct，即系统接入已接成PI调节的ACR组成电流单闭环系统。ASR的“9”、“10”端接可调电容，可预置7μF，同时，反馈电位器RP3逆时针旋到底，使放大倍数最小。逐渐增加给定电压Ug，使之等于ASR输出限幅值（+5V），观察主电路电流是否小于或等于1.1Ied，如Id过大，则应调整电流反馈电位器，使Ufi增加，直至Id<1.1Ied；如Id将Rd减小直至切除，此时应增加有限，小于过电流保护整定值，这说明系统已具有限流保护功能。测定并计算电流反馈系数
（2）速度变换器的调试
电动机加额定励磁，短接限流电阻RD。
（a）系统开环，即给定电压Ug直接接至Uct，Ug作为输入给定，逐渐加正给定，当转速n=1500r/min时，调节FBS（速度变换器）中速度反馈电位器RP，使速度反馈电压为+5V左右，计算速度反馈系数。
（b）速度反馈极性判断： 系统中接入ASR构成转速单闭环系统，即给定电压Ug接至ASR的第2端，ASR的第3端接至Uct。调节Ug（Ug为负电压），若稍加给定，电机转速即达最高速且调节Ug不可控，则表明单闭环系统速度反馈极性有误。但若接成转速—电流双闭环系统，由于给定极性改变，故速度反馈极性可不变。
6．3．6．系统特性测试
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，预置5～7μF；
（c）调节RP1、RP2使输出限幅为±5V。
（1）机械特性n=f（Id）的测定
调节转速给定电压Ug，使电机空载转速至1500 r/min，再调节发电机负载电阻Rg，在空载至额定负载范围内分别记录7～8点，可测出系统静特性曲线n=f（Id）
n(r/min)
1500
1498
1486
1475
1458
1500
I(A)
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.1
（2）闭环控制特性n=f(Ug)的测定
调节Ug，记录Ug和n，即可测出闭环控制特性n=f(Ug)。
n(r/min)
508
744
940
1182
1346
1550
Ug(V)
1
1.5
2
2.5
3
3.1
6．3．7．系统动态波形的观察
用二踪慢扫描示波器观察动态波形，用数字示波器记录动态波形。在不同的调节器参数下，观察，记录下列动态波形：
（1）突加给定起动时，电动机电枢电流波形和转速波形。
（2）突加额定负载时，电动机电枢电流波形和转速波形。
（3）突降负载时，电动机电枢电流波形和转速波形。
注：电动机电枢电流波形的观察可通过ACR的第“1”端
转速波形的观察可通过ASR的第“1”端

七．实验报告
1．作出实验所得各种曲线，计算有关参数。

已知：；

2． 由Ks=f(Uct)特性,分析晶闸管装置的非线性现象。

3．画各控制单元的调试连线图。

4． 简述各控制单元的调试要点。

5．根据实验数据，画出闭环控制特性曲线。
闭环控制特性曲线如下：

6． 根据实验数据，画出闭环机械特性，并计算静差率。

静差率：

7．分析由数字示波器记录下来的动态波形。

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