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专业综合实验指导书

自动化专业综合实验指导书

支长义卢宜编

郑州大学电气工程学院

目录

第一章DJDK—1型实验装置介绍

第二章可逆H型PWM三环转速控制系统实验

第三章TL494的设计特点，脉宽调制特性试验曲线与死区时间控制

第四章TDS1000数字存储示波器的使用

附录A实验安全操作规程

附录B专业综合实验大纲

第一章DJDK—I型实验装置简介

一、控制屏介绍及操作说明

1、特点:

（1）实验装置采用挂件结构,可根据不同实验内容进行自由组合,故结构紧凑,使用方便,功能齐全,综合性能好。

（2）实验装置占地面积小,节约实验室用地空间,无需设置电源控制屏,电缆沟,水泥墩等,可减少基建投资,实验装置只需三相四线的电源即可投入使用。

（3）实验机组容量小,耗电小,配置齐全。

（4）装置使用的电机经过特殊设计,其参数特性,其参数特性能模拟3ＫW左右的通用实验机组。

（5）装置布局合理,外形美观,面板示意图明确,清晰,直观.实验连接线采用强,弱电分开的手枪式杆头,两者不能互杆,避免强电接人弱电设备,造成设备损坏。

电路连接方式安全,可靠,迅速,简便。

除电源控制屏,挂件外,还设置有实验桌,桌面上可放置机组,示波器等实验仪器,操作舒适,方便。

电机采用导轨式安装,更换机组简捷,方便。

实验台底部装有轮子和不锈钢固定调节机构,便于移动和固定。

（6）控制屏供电采用三相隔离变压器隔离,设有电压型漏电保护装置和电流型漏电保护装置,切实保护操作者的安全,为开放性的实验室创造了安全条件。

（7）挂件面板分为三种接线孔,强电,弱电及波形观测孔,三者有明显的区别,不能互插。

（8）实验线路选择典型线路,完全配合教学内容,满足教学大纲要求。

2.技术参数

输入电压:

三相四线制380V+10%50HZ

工作环境:

环境温度范围为-5～40℃。

相对湿度<75%,海拔<100ｍ

装置容量:

<1.5KVA

电机输出功率：

＜２００W

外形尺寸：

长宽高＝1870ＭＭ　７３０ｍｍ　１６００ｍｍ

三．各挂件功能介绍

以下介绍本综合实验使用各挂件的使用方法介绍，并简单说明其工作原理及单元电路原理图。

1．DJK01电源控制屏

电源控制屏主要为试验提供各种电源，如三相交流电源，直流励磁电源。

同时为试验提供所需的仪表，如直流电压和电流表，交流电压和电流表。

屏上还设有定时器兼报井记录仪，供实验之用。

在控制屏正面的大凹槽内，设有两根不锈钢管，可挂置实验所需挂件，凹槽底部设有12芯、10芯、4芯、3芯等插座，有源挂件的电源从这些插座提供。

在控制屏两边设有单相三极220V电源插座及三相四极380V电源插座，此外还设有供试验台照明用的40W日光灯。

三相电网电压指示：

三相电网电压指标主要用于检测输入的电网电压是否有缺相，操作交流电压表下面的切换开关，观测三相电网各线间电压是否平衡。

定时器兼报警记录仪：

平时作为时钟使用，具有设定试验时间，定时报警，切断电源等功能，它还可以自动记录由于接线操作错误所导致的告警次数。

控制部分：

它的主要功能是控制电源制屏的各项功能，它由电源总开关。

起动按扭及停止按钮组成。

当打开电源总开关时，红灯亮；当按下起动按钮后，红灯亮，此时控制屏的三相主电路及励磁电源都有输出。

三相主电路输出：

三相主电路输出可提供三相交流220V／3A或240V／3A电源。

输出的电压大小由“调速电源选择开关”控制，当开关置于“直流调速”侧时，A，B，C输出线电压为220，可完成直流调速实验；当开关置于“交流调速”侧时，A，B，C输出线电压为240V，可完成交流电机调压调速及串级调速等实验。

在A，B，C三相处装有黄、绿、红发光二极管，用以指示输出电压。

同时在主电源输出回路中还装有电流互感器可测定输出电流的大小，供电流反馈和过流保护使用，面板上的TA1，TA2，TA3三处观测点用于观测三路输出电压信号。

励磁电源：

在按下启动按钮后将励磁电源开关拨向“开”，则励磁电源输出为220V的直流电压，并有发光二极管指示输出是否正常，励磁电源由0.5A熔丝做短路保护。

励磁电源仅为直流电机提供励磁电流，由于励磁电源的容量有限，一般不要作为大电流的直流电源使用。

面板仪表：

面板下部设置有300V数字式直流电压表和5A数字式直流电流表，精度为0.5级，能为可逆调速系统提供电压及电流指示。

面板上部设置有500V真有效值交流电压表和5A真有效值交流电流表，精度为0.5级，供交流调速系统实验时使用。

2．DJK08挂件（可调电阻电容箱）

DJK08挂件既可作为调速控制中电流、速度调节器的外接电阻、电容，也可作为单相并联逆变实验中的换流电容。

共有2组可调电阻、3组可调电容。

其中2组电阻值可以在0～999KΩ范围内调节，额定功率为2W；2组电容可在0.1UF～8.37UF范围可调，剩余1组电容在0.1UF～11.37UF范围可调，其耐压值为63V。

可调电容箱处装有钮子开关和琴键开关，四个钮子开关为一路，共有三路，分别控制各自的电容输出端，将开关拨至“接入”位置表示已将钮子开关所标的电容值接入，拨向“断开”位置，则表示将该电容断开。

钮子开关上部有一组琴键，每组琴键开关分别控制其下面三路电容的接入，按下琴键开关的任意键，则表示已将该键所标的电容值接入下面三路电容输出端。

3.DJK09挂件（单相调压与可调负载）

该挂件由可调电阻、整流与滤波、单相自调压器组成。

可调电阻由两个同轴90Ω／1.3A瓷盘电阻构成，通过旋转手柄调节电阻值的大小。

单个电阻回路中有1.5A熔丝保护。

整流与滤波的作用是将交流电源通过二极管整流输出直流电源，供实验中直流电源使用，交流输入侧输入最大电压为250V，有2A熔丝保护。

单相自耦调压器额定输入交流220V，输出0～250V可调电压。

4.DJK17挂件（三闭环桥DC／DC变换直流调速）

该挂件主要完成三闭环H桥PWM直流调速系统及DC／DC变换电路实验，主要由电流调节器速度调节器、给定、电流及反馈调节、转速反馈调节等组成。

1）电流反馈和过流保护单元FBC

本单元有两个功能：

一是检测主回路的电流反馈信号，二是当主回路输出电流超过某一设定值时发出过流信号，切断主回路的触发脉冲。

2）给定：

给定的原理图如图1—1所示。

图1—1.电压给定原理图

电压给定由两个电位器RP1，RP2及两个钮子开关S1，S2组成。

S1为正，负极性切换开关，输出的正，负电压的大小分别由RP1，RP2来调节，其输出电压范围为0～15V，S2为输出控制开关，打到“运行”侧，允许电压输出，打到“停止”侧，则输出为零。

按以下步骤拨动S1，S2可获得以下信号：

a）将S2打到“运行”侧，S1打到“正给定”侧，调节RP1使给定输出一定的正电压，拨动S2到“停止”侧，此时可获得从正压突跳到OV的阶跃信号，再拨动S2到“运行”侧，此时可获得从OV突跳到正电压的阶跃信号。

b）将S2打到“运行”侧，S1打到“负给定”侧,调节RP2使给定输出一定的负电压,拨动S2到“停止”侧,此时可获得从负电压突跳到OV的阶跃信号,再拨动S2到“运行”侧,此时可获得从OV突跳到负电压的阶跃信号.

c）将S2打到“运行”侧,拨动S1,分别调节RP1和RP2使输出一定的正负电压,当S1从“正给定”侧打到“负给定”侧,得到从正电压到负电压的跳变。

当S1从“负给定”侧打到“正给定”侧,得到从负电压到正电压的跳变。

元件RP1、RP2、S1及S2均安装在挂件的面板上,方便操作。

要注意的是不允许长时间将输出端接地,特别是输出电压比较高的时候,可能会将RP1、RP2损坏。

3）转速变换

转速变换用于有转速反馈的调速系统中,它将反映转速变化并与转速成正比的电压信号变换成适用于控制单元的电压信号。

图1-2为其原理图。

使用时,将DD03-2导轨上的电压输出端接至转速变换的输入端“1”和“2”。

输入电压经R1和RP1分压,调节电位器RP1可改变转速反馈系数。

图1—2.转速变换单元原理图

4）转速调节器

转速调节器的功能是对给定和反馈两个输入量进行加法,减法,比例,积分和微分等运算,使其输出按某一规律变化。

速度调节器由运算放大器,输入与反馈环节及限幅环节组成。

其原理见图1－3。

在图1-3中“1,2,3”端为信号输入端,二极管VD1和VD2起运放输入限幅,保护运放.二极管VD3,VD4和电位器RP1,RP2组成正负限幅可调的限幅电路。

由C1,R1组成微分反馈校正环节,有助于抑制振荡,减少超调。

R,C组成速度环串联校正环节,其电阻,电容均从DJK08挂件上获得。

改变R的阻值改变了系统的放大倍速,改变C的电容值,改变了系统的响应时间。

RP3为调零位电位器。

电位器RP1、RP2、RP3均安装面板上.电阻R,电容C和电容C1两端在面板上装有接线柱,可根据需要外接电阻及电容。

图1－3.转速调节器原理图

5）电流调节器

电流调节器有运算放大器,限幅电路,互补输出,输入阻抗网络及反馈阻抗网络等环节组成,工作原理基本上与转速调节器相同,其原理图如图1－4所示。

电流调节器也可当作速度调节器使用。

元件RP1,RP2,RP3均装置在面板上,电容C和电阻R的数值可根据需要,由外接电阻,电容来改变。

图3－4.电流调节器原理

第二章可逆H三闭环转速控制系统实验

本章介绍可逆H型PWM三闭环转速控制系统实验，其中包括

（1）主回路与PWM驱动电路实验。

（2）电流环闭环实验及电流调节器参数整定。

（3）转速环和转速微分环闭环实验及调节器参数整定。

实验一、H型PWM主回路与PWM驱动电路实验

一．实验目的

1．熟悉H型PWM直流调速系统的组成及其结构。

2．掌握H型PWM直流调速系统的驱动电路。

二．实验所需挂件及附件

1．DJK01电源控制屏（该挂件包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模件）。

2．DJK08可调电阻，电容箱。

3．DJK09单相调压与可调负载。

4．DJK17三闭环H桥DC／DC变换直流调速系统。

5．DD03－2电机导轨，测速发电机机转速表。

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．数字存储示波器。

10．万用表。

三．实验线路及原理

本实验系统原理框图如图2－1所示。

图2－1.三闭环H桥PWMDC/DC变换器主电路及驱动电路

1．PWM的生成原理

在图2－1中，PWM调制器用于产生一路PWM脉冲波，它是由专用芯片TL494产生，其接线图如图2－2所示。

有关TL494的详细内容，请参见第三章。

图2－2.PWM波形发生器外围接线图

在图2－2中只利用了TL494的一组输出脉冲。

只要控制TL494的输入端IC－1脚的输入电压UC即可以在输出端IC－8脚相应地得到占空比可调节的PWM脉冲，其中PWM脉冲的频率为5.7KHZ。

2．H桥逆变电路结构原理

H桥DC/DC逆变电路的结构图如图2－3所示。

图2－3.三环H乔DC/DC变换直流调速系统功能原理框图

本实验系统的主电路采用单极性PWM控制方式，其中主电路有四个IGBT管构成H桥，G1～G4分别由PWM3主电路产生后经过驱动电路放大，隔离，再送到IGBT相应的栅极，用以控制IGBT管的通断。

单极性的控制方式是这样进行控制的：

在图3－3中，左边两根管子的驱动脉冲Ug1＝－Ug2，使VT1和VT2交替导通；而右边两管子VT3、VT4因电机的转向施加不同的直流控制信号。

在电机正转时，Ug4恒为正，Ug3恒为负，使VT4常通，VT3截止。

在电机反转时，VT4截止而VT3常通。

四个快恢复二极管VD1-VD4用于逆变电路的

流。

其中电流调节器的电流反馈量是由主回路中的取样电阻RS进行取样的。

速度反馈量取自测速机输出端电压值。

速度微分反馈量取自测速机输出的微分量。

四．实验内容

1．观测记录在电机正，反转时，H桥四个臂开关器件的不同控制逻辑。

2．观测并记录电枢回路电流Id随给定电压Ug、负载电阻RG改变的波形。

五．预习题

1．在驱动脉冲形成过程中，为什么要加逻辑延时（死区），延时过长会影响哪些指标？

2．H桥变换器的单极式工作模式与双极式工作模式相比有哪些特点？

六．实验方法

1）电机在正、反转时H桥开关器件控制波形的观测：

按系统原理图3－1连接线路。

此时测速发电机输出暂不接入控制系统中。

电流反馈量电位器调至零，使系统处于开环状态。

闭合本调速系统的控制电源，再闭合提供的直流电源Us。

用示波器观测TL494输出的PWM脉冲，通过调节给定电压调节电位器使输出脉冲占空比为100%，用万用表测量此时的Uc＝Ucmax，并记录之。

调节Ug至占空比约50％，用双踪示波器同时观测面板上驱动正脉冲G1-E1与负脉冲G2-E2的输出信号，适当调节示波器扫描时间使脉冲上升、下降沿关系清晰，并记录之。

给定电压Ug有最小值0逐渐上调至Uc逐渐上升至Ucmax，将此过程中G1-E1、G2-E2、G3-E3、G4-E4的占空比变化过程填入下表：

G1-E1

G2-E2

G3-E3

G4-E4

正转

反转

为了实验中用双踪示波器测量UG1～UG4的波形而不造成短路现象，因此，UG1～UG4的波形是在光耦隔离器的输入端取出的，它只反映波形的占空比随输入控制电压及正反转控制的变化，并不能代表送到IGBT管的栅极的实际波形。

本实验中，UG1、UG2的波形是通过射极跟随输出的，它的峰值约为4.4V，而送到IGBT管的实际驱动波形的峰值为15V。

在实验中对这个现象能加以分析。

2．电枢回路电流波形的观测：

按照图2－4接线。

将面板上的转向选择开关拨到“正转”，示波器探头接R两端，闭合直流电源Us。

图2－4.测试主回路电流的电路图

将Ug逐渐调至Uc=Ucmax，调节发电机的负载电阻RG使Id=Inom，慢慢减少Ug的值，观测电动机电枢回路电流Id的变化，选典型波形记录之。

调节给定电位器Ug使Uc由高电压快速下降，观测Id的稳定过程。

七．试验报告

按照实验方法记录的波形描述导通臂与关断臂切断状态时的控制逻辑原则。

八．注意事项

1．为保证系统在负反馈状态下运行，测速发电机输出电压极性与控制系统的连接必须正确。

2．在测量电枢电流时，应将转速开关拨到“正向”，此保证示波器“地”为低电位。

实验二、电流闭环及电流调节器参数整定

一．实验目的

1.熟悉电流调节器单元部件的工作原理及调速系统对其提出的要求。

2.掌握电流调节器单元部件的调试步骤和方法。

3.分析电流环在直流调速系统中的作用。

二．实验所需挂件及附件

同实验一。

三．实验线路及原理

本实验系统原理图如图2－5所示。

图2－5.电流环系统原理图

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。

在电流闭环中，将反映电流变化的输出电压信号作为反馈信号加到“电流调节器”的输入端，与电流给定电压Ug相比较，经放大后，得到控制电压Uc，控制PWM调节器，使其产生频率固定，脉宽随Uc变化的脉冲，改变PWM变换器的输出电压，从而构成了电流负反馈闭环系统。

电机的最高转速也有电流调节器的输出限幅所决定。

当Ug恒定时，闭环系统对电枢电流起到了抑制作用，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。

四．实验内容

1）学习电流调节器基本单元的调试。

2）Uc不变时直流电动机开环特性的测定和电枢电压不变时电动机的开环特性的测定。

3）ACR调节器的调整。

4）测定反馈系数β。

五．预习要求

1）掌握调节器的工作原理。

2）根据实验原理图，能画出实验系统的详细接线图，并理解各控制单元在调速系统中的作用。

3）实验时，如何能使电动机的负载从空载（接近空载）连续地调至额定负载？

六．实验方法

1．Uc不变时的直流电机开环外特性的测定

1）按接线图分别将主回路和控制回路接好线。

控制电压Uc由给定Ug直接接入，直流发电机接负载电阻RG，将给定的输出调到0。

2）先闭合励磁电源开关，按下DJK01“电源控制屏”启动按钮，然后从0开始逐渐增加“给定”电压Ug，使电动机慢慢启动并使转速达到1200rmp。

3）改变负载电阻RG的阻值，使电机的电枢电流从Inom直至空载。

即可测出Uc不变时的直流电动机开环外特性n＝f（Id），测量并记录数据于下表：

n（rpm）

……

Id（A）

……

2．Ud不变时直流电机开环外特性的测定

1）控制电压Uc由给定Ug直接接入，直流发电机接负载电阻RG，将给定的输出调到0。

2）按下DJK01“电源控制屏”启动按钮，然后从零开始逐渐增加给定电压Ug，使电动机启动并达到1200rpm。

3）改变负载电阻RG，使电机的电枢电流由Inom直至空载。

用电压表监视直流电压Ud，保持Ud不变（通过不断地调节Ug来实现），测出在Ud不变时直流电动机的开环外特性n=f（Id），并记录于下表中：

n（rpm）

……

Id（A）

……

3．ACR调节器的调整

1）ACR调节器的调零

将DJK17中“电流调节器”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻接入“电流调节器”使之成为P（比例）调节器。

调节“电流调节器”的调零电位器，用万用表的毫伏档测量电流调节器输出，使调节器的输出电压尽可能接近于0。

2）ACR正负限幅值的调整

用DJK08中的可调电容0.47μf与可调电阻串联接入“电流调节器”的反馈臂上。

使“电流调节器”成为PI（比例积分）调节器，然后将Ug接入“电流调节器”的给定输入端，当加正给定时，调整负限幅电位器，使之输出电压为最小值即可，当调节器输入端加负给当时，调整正限幅电位器，使电流调节器的输出正限幅为Ucmax。

3）电流环调试（电动机不加励磁）

a）电流反馈极性的测定及过电流保护环节整定。

把给定电压Ug直接接入Uc，电机主回路中串电阻RG且放在最大阻值处，以限制电枢电流。

接通控制回路和主回路，逐渐增加Ug（注意必须缓慢，避免出现过大的电流冲击），然后逐步减小主回路串联电阻，直至Id=（1～1.2）Inom，再调整电流反馈环节的反馈系数，使电流反馈电压Ui＝Uim*，并判断Ui的极性。

继续减小主回路串联电阻，使Id＝（1.2～1.5）Inom，调整过电流保护的整定电位器，使过电流保护动作。

b）系统限流功能的检查和反馈系数β的测定。

系统接入电流调节器，按设计的参数接成PI调节器。

并加入电流负反馈信号；组成电流闭环，逐渐增加电流给电压，使Ui*=Uim*,观察主回路电流Id是否小于或等于（1～1.2）Inom，若在此调节过程中发现Id过大，则说明原先调整的电流反馈电压Ui偏小。

这是由于电流调节器的ΔUi=Ui*-Ui有差值，因此需重新调整电流反馈环节的反馈系数β，使Ui增加，直至Id<（1～1.2）Inom，若当Ui*=Uim*时Id<（1～1.2）Inom,则可继续减小主回路串联电阻直至全部切除，Id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。

在此基础上测定Ui值，并计算出电流反馈系数β。

c）电流环动态特性的研究。

在电流环的给定电压Ui*=50～70%Uim*情况下（主回路串联电阻全部切除）使Id=50～70%Inom，然后突减或突加Ui*，观察用数字存储器示波器保存的主回路电流波形Id=f（t）。

在下列情况下再突加给定电压，观察电流波形，研究给定值和调节器参数对电流环动态特性的影响。

a）减小电流给定值。

b）改变电流调节器反馈回路电容的数值。

c）改变电流调节器的比例放大倍数（积分时间常数不变）。

七．实验报告

分析设计参数与参数之间的差别。

实验三、转速环和转速微分环的闭环及调节器参数整定

一．实验目的

（1）了解PWM全桥直流调速系统的工作原理。

（2）分析转速环和转速微分环在调速系统中的作用。

二．实验所需挂件及附件

同实验一。

三．实验线路及原理

本实验系统原理图如图2－6所示。

图2-6.三环H桥DC/DC变换直流调速系统原理图

给定值Ug与速度反馈量和转速微分反馈量相叠加后经速度调节器ASR的PI调节作为电流环的给定输入，它与电流反馈量Ui叠加后经电流调节器ACR的PI调节向PWM调节器输出－控制电压Uc，PWM调制器产生一频率不变的方波，其脉冲宽度即占空比将随Uc值的变化而改变，其占空比可调范围是0～1。

此PWM脉冲经逻辑延迟、功放、隔离等处理后，送到开关器件（IGBT管）的栅极。

外加直流电源Us经H全桥逆变电路输出－与占空比相对应的调制电压，经平波电抗器Ld滤波后驱动直流电机M。

发电机G则作为电动机的负载，有由同轴上的测速发电机测得转速反馈信号和转速微分反馈信号。

电流反馈信号取自主电路的取样电阻Rs两端。

本实验系统可设定不同的给定量，速度反馈量，转速微分反馈量和电流反馈量，以完成开环、电流闭环、速度单闭环及电流速度和速度微分三闭环的调速实验。

由于给定量Ug恒为正，因此速度反馈量必须为负值，在用到速度闭环时必须检测测速机提供的输出电压的极性，将正端连接到面板T1端。

负端连接到面板的T2端。

面板上的转向选择开关改变时，速度信号与T1、T2端的连线也相应地改变。

四．实验内容

（1）电极的正，反转机械特性n=f（Id）的测定。

（2）电机的正，反转控制特性n=f（Ug）的测定。

五．预习题

加大转速反馈深度会对调速系统哪些指标产生影响？

六．实验方法

1．转速调节器的整定

1）转速反馈极性及转速反馈系数a的测定。

测试时电机加额定励磁，系统在转速调节器不接入，转速开环，转速给定电压Ug作为ACR的给定直接接入,逐渐增加Ug使转速等于额定转速（主回路串联电阻切除），同时调整转速反馈环节的输出电压，使Un=7.5～8V，并由此判别Un的极性和计算转速反馈系数a值。

2）转速调节器的调零。

同试验二中的电流调节器的调零。

3）转速调节器的限幅值调整。

同实验二中的电流调节器的限幅值调整。

2．转速环动态特性研究。

ASR按设计的参数接成PI调节器，并组成转速，电流双闭环系统，用示波器观察并记录下列情况的转速波形n=f（t）。

1）突加给定电压。

2）突减给定电压。

3）突加负载（用同轴发电机作负载，使Id=Inom）。

4）突减负载。

改变下列参数，重做上述实验：

改变给定电压的大小。

改变ASR反馈回路的电容（改变积分时间常数）。

改变ASR的比例放大倍数（积分时间常数尽量不变）。

由此可分析给定值和调节器参数对转速环动态性能的影响，确定调节器的最佳参数选择和动态性能指标。

3.转速微分反馈的闭环

把转速微分反馈闭环再用示波器观察n=f（t）的超调量。

4.三环调速系静特性（包括下垂情况）的测定

1）先使负载发电机工作于发电运行状态，调节转速给定电压Ug及负载电阻RG,使Id

＝Inom时，n=nnom，然后改变RG值即可测出系统的静特性曲线n=f（Id）。

2）降低Ug，使Id=Inom时，n=10～20%nnom。

重复上述实验，画出静特性曲线，可求出调速范围D时，调速系统所能满足的静态精度：

S=D×Δnnom/（nnom+D×Δnnom）。

七．实验报告

1．画出上述试验中记录的各种特性曲线n=f（Id）。

2．划出闭环控制特性曲线。

n=f（Ug）。

八．注意事项

1．为保证系统在负反馈状态下运行，测速发电机输出电压极性与控制系统的连接必须正确。

2．在测量电枢电流时，应将转速开关拨到