控制电机实验指导书.docx
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控制电机实验指导书
控制电机实验
实验一步进电动机实验
一．实验目的
1.加深了解步进电动机的驱动电源和电机的工作情况。
2.步进电动机基本特性的测定。
二．预习要点
1.了解步进电动机的驱动电源和工作情况
2.步进电动机有基本特性？
怎样测定？
三．实验项目
1．单步运行状态
2．角位移和脉冲数的关系
3．空载实跳频率的测定
4．空载最高连续工作频率的测定
5．转子振荡状态的观察
6．定子绕组中电流和频率的关系
7．平均转速和脉冲频率的关系
8．矩频特性的测定及最大静力矩特性的测定
四．实验设备及仪器
1．MEL系列电机教学实验台主控制屏
2．电机导轨及测功机（MEL-B、MEL-14）
3．步机电机驱动电源（MEL-10）
4．步进电机M10
5．双踪示波器
6．直流电流表（MEL-06或含在主控制屏）
五．实验方法及步骤
1．驱动波形观察
a．合上控制电源船形开关，分别按下“连续”控制开关和“正转/反转”、“三拍/六拍”，“启动/停止”开关，使电机处于三拍正转连续运行状态。
b．用示波器观察电脉冲信号输出波形（CP波形），改变“调频”电位器旋钮，频率变化范围应不小于5HZ~1KHZ，可从频率计上读出此频率。
c．用示波器观察环形分配器输出的三相A、B、C波形之间的相序及其与CP脉冲波形之间的关系。
d．改变电机运行方式，使电机处于正转、六拍运行状态，重复C的实验。
（注意，每次改变电机运行，均需先弹出“启动/停止”开关，再按下“复位”按钮，再重新起动。
）
e．再次改变电机运行方式，使电机处于反转状态，重复C的实验。
2．步进电机特性的测定和动态观察。
按图6-1接线，注意接线不可接错，测功机和步进电机脱开，且接线时需断开控制电源。
a．单步运行状态
接通电源，按下述步骤操作：
按下“单步”琴键开关，“复位”按钮，“清零”按钮，最后按下“单步”按钮。
每按一次“单步”按钮，步进电机将走一步距角，绕组相应的发光管发亮，不断按下“单步”按钮，电机转子也不断作步进运行，改变电机转向，电机作反向步进运动。
b．角位移和脉冲数的关系
按下“置数”琴键开关，给拔码开关预置步数，分别按下“复位”、“清零”按钮（操作以上步骤须让电机处于停止状态），记录电机所处位置。
按下“启动/停止”开关，电机运转，观察并记录电机偏转角度，填入表6-1。
再重新预置步数，重复观察并记录电机偏转角度，填入表6-1，并利用公式计算电机偏转角度与实际值是否一致。
表6-1
序号
预置步数
实际转子偏转角度
理论电机偏转角度
1
2
进行上述实验时，若电机处于失步状态，则数据无法读出，须调节“调频”电位器，寻找合适的电机运转速度，使电机处于正常工作状态。
c．空载突跳频率的测定
电机处于连续运行状态，按下“启动/停止”开关，调节“调频”电位器旋钮使频率逐渐提高。
弹出“启动/停止”开关，电机停转，再重新起动电机，观察电机能否运行正常，如正常，则继续提高频率，直至电机不失步启动的最高频率，则该频率为步进电机的空载突跳频率，记为HZ。
d．空载最高连续工作频率的测定。
步进电机空载连续运转后，缓慢调节“调频”电位器旋钮，使电机转速升高，仔细观察电机是否不失步，如不失步，则继续缓慢提高频率，直至电机停转，则该频率为步进电机最高连续工作频率，记为为HZ。
e．转子振荡状态的观察。
步进电机脉冲频率从最低开始逐步上升，观察电机的运行情况，有无出现电机声音异常或电机转子来回偏转，即出现步进电机的振荡状态。
f．定子绕组中电流和频率的关系。
电机在空载状态下连续运行，用示波器观察取样电阻R波形，即为控制绕组电流波形，改变频率，观察波形的变化。
在停机条件下，将测功机和步进电机同轴联接，起动步进电机，并调节MEL-13的“转矩设定”电位器，观察定子绕组电流波形。
g．平均转速和脉冲频率的关系
电机处于连续运行状态，改变“调频”旋钮，测量频率f（由频率计读出）与对应的转速n，则n=f（f），填入表6-2中。
表6-2
序号
f（HZ）
n（r/min）
1
2
3
4
5
h．矩频特性的测定。
电机处于连续空载运行状态，缓慢顺时针调节“转矩设定”旋钮，对电机逐渐增大负载，直至电机失步，读出此时的转矩值。
改变频率，重复上述过程得到一组与频率f对应的转矩T值，即为步进电机的矩频特性T=f（f），记录于表6-3中。
表6-3
序号
f（HZ）
T（N.m）
1
2
3
4
5
i．静力矩特性T=f（I）
断开电源，将直流安培表（5A量程档）串入控制绕组回路中，将“单步”控制琴键开关和“三拍/六拍”开关按下，用起子将测功机堵住。
合上船形开关，按下“复位”按钮，使C相绕组通电，缓慢转动步进电机手柄，观察MEL-13转矩显示的变化，直至测功机发出“咔嚓”一声，转矩显示开始变小，记录变小前的力矩，即为对应电流I的最大静力矩Tmax的值。
改变“电流调节”旋钮，重复上述过程，可得一组电流I值及对应I值的最大静力矩Tmax值，即为Tmax=f（I）静力矩特性。
可取4-5组记录于表6-4中。
表6-4
序号
I（A）
Tmax（N.m）
1
2
3
4
5
实验时，为提高精确度，同一电流下，可重复3次取其转矩的平均值，每次转动步进电机手柄前，应先前测功机堵转起子拿出，待测功机回零后，再重新将起子插入测功机堵转孔中。
六．实验报告
对上述实验内容进行总结，并加以分析
1．步进电机处于三拍、六拍不同状态时，驱动波形的关系。
2．单步运行状态：
步距角=
3．角位移和脉冲数关系：
4．空载突跳频率：
5．空载最高连续工作频率：
6．平均转速和脉冲频率的特性n=f（f）
7．矩频特性T=f（f）
8．最大静力矩特性Tmax=f（I）
七．思考题
1．影响步进电机步距的因素有哪些？
采用何种方法步距最小？
2．平均转速和脉冲频率的关系怎样？
为什么特别强调是平均转速？
3．最大静力矩特性是怎样的特性？
4．如何对步进电机的矩频特性进行改善？
八．注意事项。
步进电机驱动系统中控制信号部分电源和功放部分电源是不同的,绝不能将电机绕组接至控制信号部分的端子上,或将控制信号部分端子和电机绕组部分端子以任何形式连接。
实验二力矩式自整角机实验
一．实验目的
1．了解力矩式自整角机精度和特性的测定方法。
2．掌握力矩式自整角机系统的工作原理和应用知识。
二．预习要点
1．力矩式自整角机的工作原理。
2．力矩式自整角机精度与特性的测试方法。
3．力矩式自整角机比整步转矩的测量方法。
三．实验项目
1．测定力矩式自整角发送机的零位误差。
2．测定力矩式自整角机静态整步转矩与失调角的关系曲线。
3．测定力矩式自整角机比整步转矩（又称比力矩）及阻尼时间。
4．测定力矩式自整角机的静态误差。
四．实验设备及仪器
1．MEL系列电机系统教学实验台主控制屏（MEL-I、MEL-IIA、B）
2．自整角机实验仪
五．实验方法
1．测定力矩式自整角发送机的零位误差0
测量线路如图6-2所示。
励磁绕组两端L1L2施加额定激励电压UN（220V）；将整步绕组T2-T3端接数字式交流电压表，测输出电压。
旋转刻度盘，找出输出电压为最小的位置作为基准电气零位。
从基准电气零位开始，刻度盘每转过60，整步绕组中有一线间电势为零的位置。
此位置称作理论电气零位。
整步绕组三线间共有6个零位。
实验时，对应T2-T3，转子从基准电气零位正方向转动0、180；则T3-T1转至60、240；T1-T2转至120、300。
实测整步绕组三线间6个输出电压为最小值的相应位置角度与电气角度并记录于表6-5中。
表6-5
理论上应转角度
基准电气零位
+180
+60
+240
+120
+300
刻度盘实际转角
误差
注意：
机械角度超前为正误差，滞后为负误差，取其正、负最大误差绝对值之和的一半，此误差值即为发送机的零位误差0，以角分表示。
力矩式自整角发送机的精度由零位误差来确定。
2．测定静态整步转矩与失调角的关系T=f（）
实验接线如图6-3所示。
将发送机和接收机的励磁绕组加额定励磁电压220V，待稳定后，把发送机和接收机调整在0位置，固定发送机刻度盘在该位置不动。
在接收机的指针园盘上吊砝码，记录砝码重量以及接收机指针偏转角度。
然后增加砝码，逐次记录砝码重量以及接收机转轴偏转角度。
在偏转角从零至90之间取79组数据，记录于表6-5中。
实验完毕后，应先取下砝码，再断开励磁电源。
表6-5
T（g.cm）
（deg）
表中:
T=G×R
式中G──砝码重量，单位为（g）R──园盘半径=2cm
3．力矩式自整角机比整步转矩T的测定
在力矩式自整角系统中，接收机与发送机在协调位置附近，单位失调角所产生的整步转矩称为力矩式自整角机比整步转矩，以T表示，单位为g·cm/deg。
测定发送机或接收机的比整步转矩时，可将电机安装在分度盘上，轴伸端紧固带有指针的轮盘，在励磁绕组Wf两端上施加额定电压。
实验接线如图6-3所示。
将接收机整步绕组T1、T3端短接，用细线将适当重量的砝码绕挂在指针园盘上，使指针偏转5左右，测得整步转矩。
实验应在正、反两个方向各测一次，两次测量的平均值应符合标准规定。
比整步转矩T按下式计算
式中T=GR──整步转矩，单位为（g·cm）;
──指针偏转的角度，单位为deg；
G──砝码重量，单位为g；
R──轮盘半径，单位为cm。
4．测定力矩式自整角机的静态误差jt
在力矩式自整角机系统中，静态协调时，接收机与发送机转子转角之差即静态误差jt，以角度表示。
实验接线仍如图6-3所示。
将发送机和接收机的励磁绕组加额定励磁电压220V，待稳定后，把发送机和接收机调整在0位置，缓慢旋转发送机刻度盘，每转过20，测取接收机实际转过的角度并记录于表6-6中。
表6-6
发送机转角
0
20
40
60
80
100
120
140
160
接收机转角
误差
发送机转角
180
200
220
240
260
280
300
320
340
接收机转角
误差
注意：
接收机转角超前为正误差，滞后为负误差，正、负最大误差绝对值之和的一半为力矩式接收机的静态误差。
5．阻尼时间的测定
阻尼时间tn是指在力矩式自整角系统中，接收机自失调位置至协调位置，达到稳定状态所需时间。
测定阻尼时间可按图6-4接线。
在发送机和接收机的励磁绕组两端L1、L2施加额定电压；
使发送机的刻度盘和接收机的指针指在0位置；固定发送机转轴不动，用手旋转接收
机指针园盘，使系统失调角为177；然后，松手使接收机趋于平衡位置，用数字示波器拍摄（或慢扫描示波器观察）取样电阻两端的电流波形，测得阻尼时间tn。
六．实验报告
1．根据实验结果，求出被试力矩式自整角发送机的零位误差0。
2．作出静态整步转矩与失调角的关系曲线T=f（）。
3．根据实验结果计算出该力矩式自整角机的比整步转矩T的数值。
4．此次实验所用接收机的阻尼时间tn的实测数值是多少？
5．根据实验结果，求出被试力矩式自整角接收机的静态误差jt。
实验三控制式自整角机参数的测定
一．实验目的
1．通过实验测定控制式自整角机的主要技术参数。
2．掌握控制式自整角机的工作原理和运行特性。
二．预习要点
1．控制式自整角机的工作原理和运行特性。
2．控制式自整角机的主要技术指标。
三．实验项目
1．测自整角变压器输出电压与失调角的关系U2=f（）。
2．测定比电压u。
3．测定零位电压u0。
四．实验设备及仪器
1．MEL系列电机系统教学实验台主控制屏（MEL-I、MEL-IIA、B）
2．自整角机实验仪
五．实验方法
1．测定控制式自整角变压器输出电压与失调角的关系U2=f（）
接线如图6-5所示。
在自整角发送机的L1、L2绕组两端施加额定电压UN。
旋转发送机刻度盘至00位置并固定不动。
用手缓慢旋转自整角变压器的指针园盘，接在L1′、L2′两端的数字电压表就会有相应读数，找到输出电压为最小值的位置，即为起始零点。
然后，旋转自整角变压器的指针园盘，每转过10测量一次自整角变压器输出电压U2。
测取各点U2及值并记录于表6-7中。
表6-7
（deg）
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
U2（v）
（deg）
100
110
120
130
140
150
160
170
180
U2（v）
2．测定比电压U
比电压是指自整角变压器在失调角为10时的输出电压，单位为V/deg。
在刚才测定控制式自整角变压器的U2=f（）实验时，用手缓慢旋转自整角变压器的指针园盘，使指针转过起始零点5，在这位置记录自整角变压器的输出电压U2值。
计算失调角为1时的输出电压，即为比电压。
3．测定零位电压U0
接线如图6-6所示。
先将调压器调在输出电压为最小值位置，把绕组T3′、T2′两端点短接。
接通交流电源，调节调压器使输出电压为36V并保持不变。
用手缓慢旋转指针园盘，找出控制式自整角机输出电压为最小的位置，即为基准电气零位。
指针转过180，仍找出零位电压位置。
同理，改接相应的绕组端点（使T3′、T1′短接，T1′、T2′短接）找出输出零位电压的位置。
测取六个位置的零位电压值并记录于表6-8中。
表6-8
绕组接法
T1′──T3′T2′
T2′──T1′T3′
T3′──T1′T2′
理论零位电压位置
0
180
60
240
120
300
实际刻度值
零位电压大小
六．实验报告
1．作自整角变压器的输出电压与失调角的关系曲线U2=f（）
2．该自整角变压器的比电压为多少？
3．被测试自整角变压器的零位电压数值为多少？
实验四正余弦旋转变压器实验
一．实验目的
1．研究测定正余弦旋转变压器的空载输出特性和负载输出特性。
2．研究测定二次侧补偿、一次侧补偿的正余弦旋转变压器的输出特性。
3．了解正余弦旋转变压器的几种应用情况。
二．预习要点
1．正余弦旋转变压器的工作原理。
2．正余弦旋转变压器的主要特性及其实验方法。
3．了解正余弦旋转变压器应用中的注意事项。
三．实验项目
1．测定正余弦旋转变压器在空载时的输出特性。
2．测定负载对输出特性的影响。
3．二次侧补偿后负载时的输出特性。
4．一次侧补偿后负载时的输出特性。
5．正余弦旋转变压器作线性应用时的接线图。
四．实验设备及仪器
1．MEL系列电机系统教学实验台主控制屏（MEL-I、MEL-IIA、B）
2．旋转变压器实验仪
3．400Hz稳压电源
4．三相可调电阻900Ω（MEL-03）
5．波形测试及开关板（MEL-05）
五．实验方法
1．测定正余弦旋转变压器空载时的输出特性
接线如图6-7所示。
R、RL均采用MEL-03上900Ω串联900Ω共1800Ω电阻，并调定在1200阻值。
开关S1、S2、S3采用MEL-05上单刀双掷开关。
D1、D2为激磁绕组，D3、D4为补偿绕组，Z1、Z2为余弦绕组，Z3、Z4为正弦绕组。
a．S1、S2、S3均断开。
b．定子激磁励磁绕组D1、D2两端施加额定电压UN（60V、400Hz）且保持恒定
c．用手柄缓慢旋转刻度盘，找出正弦输出绕组输出电压为最小值的位置，此位置即为起始零位，使刻度盘的0对准该起始零位位置。
d．在0180间刻度盘，每转角10，测量转子正弦空载输出电压Ur10与刻度盘转角的数值并记录于表6-9中。
表6-9
（deg）
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Ur10（v）
（deg）
100
110
120
130
140
150
160
170
180
Ur10（v）
2．测定负载对输出特性的影响
在接线图7-7中，把开关S3闭合，开关S1、S2仍打开，使正余弦旋转变压器带负载电阻RL运行。
按上述实验1的方法测量正弦负载输出电压UR1与转角的数值并记录于表6-10中。
表6-10
（deg）
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
UR1（v）
（deg）
100
110
120
130
140
150
160
170
180
UR1（v）
3．测量二次侧补偿后负载时的输出特性
在接线图6-7中，开关S1断开，S3闭合接通负载电阻RL，S2闭合，使二次侧余弦输出绕组Z3、Z4经补偿电阻R闭合。
仍按上述实验1的方法测量正弦负载输出电压Ur1与转角的数值并记录于表6-11中。
在实验时注意一次侧输入电流的变化。
表6-11
（deg）
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Ur1（v）
（deg）
100
110
120
130
140
150
160
170
180
Ur1（v）
4．测量一次侧补偿后负载时的输出特性
在接线图6-7中，开关S2断开，S3闭合接通负载电阻RL，S1闭合，使一次侧接成补偿电路。
仍按上述实验1的方法测量正弦负载输出电压Ur1与转子转角的数值并记录于表6-12中。
在实验中注意一次侧输入电流的变化。
表6-12
（deg）
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Ur’1（v）
（deg）
100
110
120
130
140
150
160
170
180
Ur’1（v）
5．正余弦旋转变压器作线性应用
接线如图6-8所示。
仍按上述实验1的方法，在0~90间，每转角10记录输出电压Ur与转角的数值并记录于表6-13中。
表6-13
（deg）
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Ur（v）
六．实验报告
1．根据表6-9的实验记录数据，绘制正余弦旋转变压器空载时输出电压Ur10与转子转角的关系曲线，即Ur10=f（）。
2．根据表6-10的实验记录数据，绘制负载时输出电压Ur1与转子转角的关系曲线，即Ur1=f（）。
3．根据表6-11的实验记录数据，绘制二次侧补偿后负载时的输出电压Ur1与转子转角的关系曲线，即Ur1=f（）。
4．根据表6-12的实验记录数据，绘制一次侧补偿后负载时的输出电压Ur1与转子转角的关系曲线，即Ur1=f（）特性。
5．根据表6-13的实验结果，绘制一次侧补偿的线性旋转变压器带负载时的输出电压Ur与转子转角的关系曲线，即Ur=f（）特性。
分析正余弦旋转变压器作一次侧补偿线性旋转变压器运行情况。
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