运动控制实验指导书.docx
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运动控制实验指导书
第一章运动控制系统实验要求
一、预习
运动控制系统实验前的预习，是进行这种实验前的重要准备工作，是保证实验顺利完成的必要步骤。
要求做到以下几点：
（1）复习课程中与实验有关的内容，熟悉与本次实验相关的理论知识。
（2）认真阅读实验指导，要求：
①明确实验目的、要求和内容，看清实验注意事项；②画出实验线路，明确接线方式，拟出实验步骤；③列出实验时需记录的表格，算出要求事先计算的数据；④初步分析实验思考题。
（3）实验前，要到实验室熟悉所用装置，记录必要的设备参数。
（4）实验分组进行，每组4—6人。
在每人独立进行预习的基础上，每位同学在做实验前要交出一份预习报告，经教师审阅并同意后，方能进行实验。
二、实验实施
整个实验过程中必须严肃认真，集中精力及时做好实验。
实验时要做到以下几点：
（1）实验开始前，指导教师要对学生的预习报告作检查，要求学生了解本次实验的目的、内容和方法，只有满足此要求后，方能允许实验。
（2）指导教师对实验装置作介绍，要求学生熟悉本次实验使用的实验设备、仪器，明确这些设备的功能与使用方法。
（3）按实验小组进行实验，组长负责实验的安排，明确分工，以保证实验操作协调，记录数据准确可靠，务求在实验过程中人人动手、个个主动、分工配合、协调操作，做到实验内容完整、数据正确。
（4）按拟订的实验线路及选用的设备，按图接线，力求简单明了。
接线次序为先主电路，后控制电路；先串联，后并联。
主回路与控制回路应分清，根据电流大小，主回路用粗导线连接，控制回路用细导线连接，每个接线柱上的接线尽量要少。
（5）完成实验系统接线后，必须进行自查。
串联回路从电源的某一端出发，按回路逐项检查各仪表、设备、负载的位置、极性等是否正确；联支路则检查其两端的连接点是否在指定的位置。
距离较远的两连接端必须选用长导线直接跨接，不得用2根导线在实验装置上的某接线端进行过渡连接。
（6）为了确保安全，线路自查后应请指导教师检查，确认无误后方可通电。
（7）实验时，按照实验步骤，由简到繁，逐项进行实验和操作。
改接线路时，必须断开主电源方可进行。
观察实验现象是否正常，所得数据是否合理，结果是否与理论相一致。
（8）实验完毕，应将实验数据和记录波形交指导教师审阅，经指导教师认可后方可拆除接线，并做到导线分类整理，仪器、工具之物归原位。
三、实验报告
实验报告是实验的总结。
写实验报告，是提高同学的分析能力和总结能力的培养和训练过程。
因此，实验报告必须要求每位实验参与者个人独立完成。
应对实验数据及实验中观察和发现的问题，进行整理讨论、分析研究，得出结论，写出心得体会，以便积累一定的实际经验。
写实验报告应持严肃认真、实事求是的科学态度。
报告要求条理清楚，简明扼要，字迹端正、图表整洁。
实验报告内容包括以下几个方面：
（1）实验名称、专业、班级、姓名、同组同学姓名和实验日期。
（2）实验目的和要求、实验线路、实验内容。
（3）列出实验设备、仪器、仪表的型号、规格和编号。
（4）实验数据的整理、列表、计算，并列出计算所用的计算公式。
（5）画出与实验数据相对应的特性曲线及记录的波形。
（6）用理论知识对实验结果进行分析总结，得出明确的结论。
（7）分析讨论实验中遇到的问题，写出心得体会以及合理化建议和改进措施。
（8）实验报告应写在一定规格的报告纸上，保持整洁。
（9）每次实验每人独立完成一份报告，按时送交指导教师批阅。
四、实验注意事项
为了顺利完成运动控制实验，确保实验时人身安全与设备可靠运行要严格遵守如下安全操作规程：
（1）自觉遵守实验室的各项制度。
（2）熟悉实验室电源情况。
实验接线要整齐，接线完毕要由同组其他同学检查是否正确、牢固。
（3）接线或拆线，以及更换元器件都必须在切断主电源后方可进行。
（4）学生完成接线允许通电时，需招呼全组同学引起注意后方可合上电源。
实验中如发生事故，应立即切断电源，并保持线路原状，报告和协同教师查清问题、妥善处理故障后才能进行实验。
（5）在实验中应注意所接仪表的最大量程，选择合适的负载完成实验，以免损坏仪表、电源或负载。
（6）不得私自更改电源控制屏以及各挂件所用保险丝规格和型号。
（7）在完成闭环实验前一定要确保反馈极性是否正确。
（8）除作阶跃起动实验外，系统起动前负载电阻必须放在最大阻值，给定电位器必须退回至零位后，才允许通电起动并慢慢增加给定，以免元件和设备过载损坏。
（9）在直流电机起动时，要先开励磁电源，后加电枢电压。
在完成实验时，要先关电枢电压，再关励磁电源。
第二章运动控制系统实验
实验一晶闸管直流调速系统参数测定及主要单元调试
一、实验目的
（1）了解晶闸管——电动机系统的组成及其基本结构
（2）掌握晶闸管——电动机系统的参数测定方法
（3）熟悉直流调速系统主要单元部件的工作原理及调试步骤。
二、实验装置及仪器设备
1.电源控制屏DJK01挂件
2．晶闸管主电路DJK02挂件
3．三相晶闸管触发电路DJK02-1挂件
4．电机调速控制实验IDJK04挂件
5．可调电阻、电容箱DJK08挂件、三相可调电阻D42挂件
6．直流电动机——负载直流发电机——测速器一套
7．双踪示波器一台
8．万用表一块
三、实验内容
（1）测定晶闸管直流调速系统主电路总电阻值R
（2）测定晶闸管直流调速系统主电路电感值L
（3）电动机电势常数Ce和转矩常数CM的测定
（4）测定晶闸管触发及整流装置特性Ud=f（Uct）
（5）调节器的调试
四、预习要求
（1）晶闸管直流调速系统的结构和原理。
（2）根据实验原理图，画出实验接线图和记录表格。
（3）认真考虑后写出实验步骤和调试方法。
五、实验步骤及方法
1．晶闸管直流调速系统参数测定
为研究晶闸管－电动机系统，须首先了解电枢回路的总电阻R、总电感L以及系统的电磁时间常数Td与机电时间常数TM，这些参数均需通过实验手段来测定，具体方法如下：
（1）电枢回路总电阻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及整流装置的内阻Rn，即
R=Ra十RL十Rn（1-1）
由于阻值较小，不宜用欧姆表或电桥测量，因是小电流检测，接触电阻影响很大，故常用直流伏安法。
为测出晶闸管整流装置的电源内阻须测量整流装置的理想空载电压Uｄ0，而晶闸管整流电源是无法测量的，为此应用伏安比较法，实验线路如图1-1所示。
将变阻器R1、R2接入被测系统的主电路，测试时电动机不加励磁，并使电机堵转。
合上S1、S2，调节给定使输出直流电压Ud在30%Ued～70%Ued范围内，然后调整R2使电枢电流在80%Ied～90%Ied范围内，读取电流表A和电压表V2的数值为I1、U1，则此时整流装置的理想空载电压为
Udo=I1R+U1（1-2）
调节R1使之与R2的电阻值相近，拉开开关S2，在Ud的条件下读取电流表、电压表的数值I2、U2，则
Udo＝I2R十U2（1-3）
求解（1-2）、（1-3）两式，可得电枢回路总电阻:
R＝（U2-U1）/（I1-I2）（1-4）
如把电机电枢两端短接，重复上述实验，可得
RL十Rn=（U2＇-U1＇）/（I1＇-I2＇）（1-5）
则电机的电枢电阻为
Ra=R-（RL十Rn）。
（1-6）
同样，短接电抗器两端，也可测得电抗器直流电阻RL。
*
（2）电枢回路电感L的测定
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数值很小，可以忽略，故电枢回路的等效总电感为
L＝La+Ld （1-7）
电感的数值可用交流伏安法测定。
实验时应给电动机加额定励磁，并使电机堵转，实验线路如图1-2所示。
实验时交流电压由DJK01电源输出，接DJK10的高压端，从低压端输出接电机的电枢，用交流电压表和电流表分别测出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，计算公式如下:
（1-8）
（1-9）
（1-10）
（1-11）
（3）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，使其空载运行，改变电枢电压Ud，测得相应的n即可由下式算出Ce:
式中，Ce的单位为V/（rpm）。
转矩常数（额定磁通）CM的单位为N·m/A。
CM可由Ce求出:
CM=9.55Ce
（4）晶闸管触发及整流装置特性Ud=f（Ug）和测速发电机特性UTG=f（n）的测定
实验线路如图1-3所示，可不接示波器。
电动机加额定励磁，逐渐增加触发电路的控制电压Ug，分别读取对应的Ug、UTG、Ud、n的数值若干组，即可描绘出特性曲线Ud=f（Ug）和UTG=f（n）。
由Ud=f（Ug）曲线可求得晶闸管整流装置的放大倍数曲线Ks=f（Ug）:
Ks=ΔUd/ΔUg
2．主要单元调试
将DJK04挂件上的十芯电源线、DJK04-1和DJK06挂件上的蓝色三芯电源线与控制屏相应电源插座连接，打开挂件上的电源开关，就可以开始实验。
①调节器调零
将“调节器I”所有输入端接地，再将可调电阻120K接入“调节器I”，使“调节器I”成为P（比例）调节器。
用万用表的毫伏档测量“调节器I”的输出，调节面板上的调零电位器RP3，使之输出电压尽可能接近于零。
②调整输出正、负限幅值
将可调电阻120K和可调电容0.47uF接入调节器I两端，使调节器成为PI（比例积分）调节器，将“调节器I”的所有输入端上的接地线去掉，将给定输出端接到“调节器I”，当加+5V的正给定电压时，调整负限幅电位器RP2，观察调节器负电压输出的变化规律；当调节器输入端加-5V的负给定电压时，调整正限幅电位器RP1，观察调节器正电压输出的变化规律。
③测定输入输出特性
再将反馈网络中的电容短接，使“调节器I”为P（比例）调节器，同时将正负限幅电位器RP1和RP2均顺时针旋到底，在调节器的输入端分别逐渐加入正负电压，测出相应的输出电压变化，直至输出限幅值，并画出对应的曲线。
④观察PI特性
拆除电容短接线，给调节器输入端突加给定电压，用扫描示波器观察输出电压的变化规律。
改变调节器的外接电阻和电容值（改变放大倍数和积分时间），观察输出电压的变化。
五、实验报告
（1）作出实验所得的各种曲线，计算有关参数。
（2）由Ks=f（Ug）特性，分析晶闸管装置的非线性现象。
六、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。
（3）当电机堵转时，会出现大电流，因此测量的时间要短，以防电机过热。
（4）在测试Ud=f（Ug）时，偏移电压要先调到α=120°。
注：
（2）电枢回路电感L的测定选做
实验二单闭环不可逆直流调速系统
一、实验目的
（1）熟悉转速单闭环直流调速系统的组成
（2）掌握单闭环直流调速系统的调试过程
（3）认识闭环反馈控制系统的基本特性。
二、实验装置及仪器设备
1.电源控制屏DJK01挂件
2．晶闸管主电路DJK02挂件
3．三相晶闸管触发电路DJK02-1挂件
4．电机调速控制实验IDJK04挂件
5．可调电阻、电容箱DJK08挂件、三相可调电阻D42挂件
6．直流电动机——负载直流发电机——测速器一套
7．双踪示波器一台
8．万用表一块
三、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，必须采用闭环控制。
转速单闭环调速系统是常用的一种形式。
下图为转速单闭环直流调速系统的实验线路图。
图2-1转速单闭环系统原理图
在本实验中，将反映转速变化的电压信号作为反馈信号，经“转速变换”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Uct，用作控制整流桥的“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，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。
四、实验内容
（1）基本单元调试（检查和调整锯齿波触发器，检查和调整运算放大器）
（2）直流电动机开环特性的测定
（3）转速单闭环直流调速系统静特性测定
五、预习要求
（1）复习PI调节的基本概念及转速负反馈直流调速的原理；
（2）根据实验原理图，画出实验接线图和记录表格。
（3）认真考虑后写出实验步骤和调试方法。
六、实验步骤及方法
1．电源控制屏开关按需要设定
2.晶闸管触发整流电路的检查和调整
检查和调整锯齿波触发器。
用双踪示波器观察A、B、C三相的锯齿波，并调节A、B、C三相锯齿波斜率调节电位器（在各观测孔左侧），使三相锯齿波斜率尽可能一致。
控制回路直接用给定电Ug作为移相控制电压Uct，将给定开关S2拨到接地位置（即Uct=0），调节偏移电压电位器，用双踪示波器观察A相同步电压信号和VT1的输出波形，使α=120°（注意此处的α表示三相晶闸管电路中的移相角，它的0°是从自然换流点开始计算，而单相晶闸管电路的0°移相角表示从同步信号过零点开始计算，两者存在相位差，前者比后者滞后30°）。
适当增加给定Ug的正电压输出，观测脉冲波形。
3.晶闸管——电动机系统开环机械特性的测定
将给定输出Ug直接接入移相控制电压Uct，直流发电机接负载电阻R，Ld用选择200mH，将给定的输出调到零。
先闭合励磁电源开关，按下起动按钮，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Ug，使电动机慢慢起动并使转速n达到1200rpm。
改变负载电阻R的阻值，使电动机的电枢电流从空载直至Ied，然后再改变负载电阻R的阻值，使主回路电流从Ied减少到空载电流，记录几组转速和电流的数据，并画出机械特性。
n（rpm）
Id（A）
4.基本单元部件调试
（1）移相控制电压Uct调节范围的确定
直接将给定电压Ug接入移相控制电压Uct的输入端，“三相全控整流”输出接电阻负载R，用示波器观察Ud的波形。
当给定电压Ug由零调大时，Ud将随给定电压的增大而增大，当Ug超过某一数值时，此时Ud接近为输出最高电压值Ud＇，一般可确定“三相全控整流”输出允许范围的最大值为Udmax=0.9Ud＇，调节Ug使得“三相全控整流”输出等于Udmax，此时将对应的Ug＇的电压值记录下来，Uctmax=Ug＇，即Ug的允许调节范围为0～Uctmax。
如果我们把输出限幅定为Uctmax的话，则“三相全控整流”输出范围就被限定，不会工作到极限值状态，保证六个晶闸管可靠工作。
记录Ug＇于下表中：
Ud＇
Udmax=0.9Ud＇
Uctmax=Ug＇
将给定退到零，再按“停止”按钮。
（2）调节器的调整
①调节器调零
将调节器所有输入端接地，再将可调电阻120K接到调节器I，将电容短接，使之成为P（比例）调节器。
用万用表的毫伏档测量调节器的输出，调节调零电位器RP3，使之输出电压尽可能接近于零。
②调整输出正、负限幅值
将可调电容0.47uF接入，使调节器成为PI（比例积分）调节器，将调节器I的所有输入端上的接地线去掉，给定输出端接到调节器I输出，当加+5V的正给定电压时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为0V；当调节器输入端加-5V的负给定电压时，调整正限幅电位器RP1，使之输出电压尽可能接近于Uctmax。
（3）转速反馈系数的整定
直接将“给定”电压Ug接DJK02-1上的移相控制电压Uct的输入端，“三相全控整流”电路接直流电动机负载，Ld用DJK02上的200mH，输出给定调到零。
按下起动按钮，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“转速变换”上转速反馈电位器RP1，使得该转速时反馈电压Ufn，即可得转速反馈系数α=Ufn/n=0.004V/（rpm）。
5.转速单闭环直流调速系统
①按图接线，将“调节器I”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，Ld用DJK02上200mH，给定输出调到零。
②直流发电机先轻载，从零开始逐渐调大“给定”电压Ug，使电动机的转速接近n=l200rpm。
③由小到大调节直流发电机负载R，测出电动机的电枢电流Id和电机的转速n，直至Id=Ied，然后再改变改变负载电阻R的阻值，使主回路电流从Ied减少到空载电流，记录几组转速和电流的数据，并画出机械特性。
n（rpm）
Id（A）
七、实验报告
（1）画出闭环系统原理图
（2）写出实验步骤和调试方法
（3）根据实验数据，画出开环机械特性和闭环系统的静特性。
（4）通过实验说明PI调节器参数对系统的影响。
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）改变“调节器I”和“调节器II”上可变电阻、电容的参数，对系统有什么影响？
九、注意事项
（1）电机起动前，应先加上电动机的励磁，才能使电机起动。
在起动前必须将移相控制电压调到零，使整流输出电压为零，这时才可以逐渐加大给定电压，不能在开环或速度闭环时突加给定，否则会引起过大的起动电流，使过流保护动作，告警，跳闸。
（2）在连接反馈信号时，给定信号的极性必须与反馈信号的极性相反，确保为负反馈，否则会造成失控。
（3）直流电动机的电枢电流不要超过额定值使用，转速也不要超过1.2倍的额定值。
以免影响电机的使用寿命，或发生意外。
（4）DJK04与DJK02-1不共地，所以实验时须短接DJK04与DJK02-1的地。
十、选做内容
电压负反馈实验
实验三转速、电流双闭环直流调速系统
一、实验目的
（1）熟悉转速、电流双闭环系统的组成
（2）掌握转速、电流双闭环调速系统的调试过程以及参数的整定
二、实验挂件及仪器
1.电源控制屏DJK01挂件
2.晶闸管主电路DJK02挂件
3.三相晶闸管触发电路DJK02-1挂件
4.电机调速控制实验IDJK04挂件
5.可调电阻、电容箱DJK08挂件、三相可调电阻D42挂件
6.直流电动机——负载直流发电机——测速器一套
7．双踪示波器一台
8．万用表一块
三、实验线路及原理
双闭环直流调速系统是由速度调节器和电流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。
实验系统的原理框图组成如下：
起动时，加入给定电压Ug，“速度调节器”和“电流调节器”即以饱和限幅值输出，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），并在出现超调后，“速度调节器”和“电流调节器”退出饱和，最后稳定在略低于给定转速值下运行。
系统工作时，要先给电动机加励磁，改变给定电压Ug的大小即可方便地改变电动机的转速。
“速度调节器”、“电流调节器”均设有限幅环节，“速度调节器”的输出作为“电流调节器”的给定，利用“速度调节器”的输出限幅可达到限制起动电流的目的。
“电流调节器”的输出作为“触发电路”的控制电压Uct，利用“电流调节器”的输出限幅可达到限制αmax的目的。
四、实验内容
（1）各控制单元调试。
（2）测定电流反馈系数β、转速反馈系数α。
（3）测定开环机械特性及高、低转速时系统闭环静态特性n=f（Id）。
（4）闭环控制特性n=f（Ug）的测定。
五、预习要求
（1）熟悉双闭环直流调速系统的工作原理。
（2）理解PI（比例积分）调节器在双闭环直流调速系统中的作用，掌握调节器参数的选择方法。
（3）了解调节器参数、反馈系数、滤波环节参数的变化对系统动、静态特性的影响。
六、思考题
（1）为什么双闭环直流调速系统中使用的调节器均为PI调节器?
（2）转速负反馈的极性如果接反会产生什么现象?
（3）双闭环直流调速系统中哪些参数的变化会引起电动机转速的改变?
哪些参数的变化会引起电动机最大电流的变化?
七、实验方法
1.双闭环调速系统调试原则
①先单元、后系统，即先将单元的参数调好，然后才能组成系统。
②先开环、后闭环，即先使系统运行在开环状态，然后在确定电流和转速均为负反馈后，才可组成闭环系统。
③先内环，后外环，即先调试电流内环，然后调试转速外环。
④先调整稳态精度，后调整动态指标。
2.电源控制屏开关按需要设定
3.基本单元部件调试
（1）移相控制电压Uct调节范围的确定
直接将给定电压Ug接入移相控制电压Uct的输入端，“三相全控整流”输出接电阻负载R，用示波器观察Ud的波形。
当给定电压Ug由零调大时，Ud将随给定电压的增大而增大，当Ug超过某一数值时，此时Ud接近为输出最高电压值Ud＇，一般可确定“三相全控整流”输出允许范围的最大值为Udmax=0.9Ud＇，调节Ug使得“三相全控整流”输出等于Udmax，此时将对应的Ug＇的电压值记录下来，Uctmax=Ug＇，即Ug的允许调节范围为0～Uctmax。
如果我们把输出限幅定为Uctmax的话，则“三相全控整流”输出范围就被限定，不会工作到极限值状态，保证六个晶闸管可靠工作。
记录Ug＇于下表中：
Ud＇
Udmax=0.9Ud＇
Uctmax=Ug＇
将给定退到零，再按“停止”按钮。
4.单元部件参数整定和调试
（1）晶闸管触发整流电路的检查和调整
用双踪示波器观察A、B、C三相的锯齿波，并调节A、B、C三相锯齿波斜率调节电位器（在各观测孔左侧），使三相锯齿波斜率尽可能一致。
控制回路直接用给定电Ug作为移相控制电压Uct，将给定开关S2拨到接地位置（即Uct=0），调节偏移电压电位器，用双踪示波器观察A相同步电压信号和VT1的输出波形，使α=120°。
适当增加给定Ug的正电压输出，观测脉冲波形。
（2）调节器调整
①调节器调零
将调节器所有输入端接地，再将可调电阻120K接到调节器I，将电容短接，使之成为P（比例）调节器。
用万用表的毫伏档测量调节器的输出，调节调零电位器RP3，使之输出电压尽可能接近于零。
将13K可调电阻接到调节器Ⅱ，将电容短接，使之成为P（比例）调节器。
用万用表的毫伏档测量调节器的输出，调节调零电位器RP3，使之输出电压尽可能接近于零。
②调整输出正、负限幅值
将可调电容0.47uF接入，使调节器成为PI（比例积分）调节器，将调节器I的所有输入端上的接地线去掉，给定输出端接到调节器I输出，当加+5V的正给定电压时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为-6V；当调节器输入端加-5V的负给定电压时，调整正限幅电位器RP1，使之输出电压尽可能接近于0
把“调节器II”的短接线去掉，将可调电容0.47uF接入，使调节器成为PI（比例积分）调节器，将“调节器II”的所有输入端的接地线去掉，将给定输出端接到调节器II的“4”端。
当加+5V的正给定电压时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压尽可能接近于零；当调节器输入端加-5V的负给定电压时，
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