修改控制电机实验指导书.docx
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修改控制电机实验指导书
控制电机
实验指导书
南通大学电气工程学院
2011.9.20
实验一永磁式直流测速发电机
一、实验目的
1、通过实验加深对直流测速发电机工作原理及其运行情况的理解；
2、掌握直流测速发电机的输出特性的测定方法。
二、实验项目
1、测定直流测速发电机的输出特性U=f（n）。
三、实验内容
1、实验设备
序号
型号
名称
数量
1
HK01
电源控制屏
1件
2
HK02
实验桌
1件
3
HK03
涡流测功系统导轨
1件
4
DJ25
直流他励电动机
1台
5
HK10
永磁式直流测速发电机
1台
2、按图1.1接线。
图中直流电机M选用DJ25作他励接法，永磁式直流测速发电机为HK10，Rf1选用900Ω阻值，RZ选用10KΩ/2W电阻，把Rf1调至输出电压最大位置，电压表选择直流电压表的20V档，S选择控制屏上的开关并断开。
图1.1直流测速发电机接线图
3、先接通励磁电源，再接通电枢电源，并将电枢电源调至220V，使电动机运行，调节励磁电阻Rf1使转速达1600r/min，然后减小励磁电阻Rf1和电枢电源输出电压使逐渐电机减速，每200r/min记录对应的转速和输出电压。
4、共测取8~9组，记录于表1.1中。
5、合上双刀双掷开关S，重复上面步骤，记录8~9组数据于表1.2中。
表1.1
n（r/min）
U（V）
表1.2
n（r/min）
U（V）
四、实验报告
1、由：
得：
式中：
Ra――电枢回路总电阻
Rz――负载电阻
E0=CeΦn――电枢总电势
2、作出U=f（n）曲线。
五、思考题
1、直流测速发电机的误差主要由哪些因素造成？
2、在自动控制系统中主要起什么作用？
实验二控制式自整角机参数测定
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、实验项目
1、测自整角机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。
三、实验内容
1、测定控制式自整角机变压器输出电压与失调角的关系U2＝f（）
（1）按图2.1接线；
图2.1控制式自整角机实验接线图
（2）发送机加额定电压，旋转发送机刻度盘至0o位置并固紧；
（3）用手缓慢旋转自整角机变压器的指针圆盘，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，即初始零点；
（4）然后，用手缓慢旋转自整角机变压器的指针圆盘，在指针每转过10o时测量一次自整角机变压器的输出电压U2；
（5）测取各点U2及值并记录于表2.1中。
表2.1
角度（deg）
0o
10o
20o
30o
40o
50o
60o
70o
80o
电压U2（V）
角度（deg）
90o
100o
110o
120o
130o
140o
150o
160o
170o
180o
电压U2（V）
2、测定比电压U
比电压是指自整角机变压器在失调角为1o时的输出电压，单位为v/deg。
在刚才测定控制式自整角机变压器输出电压与失调角关系的实验时，用手缓慢旋转自整角机变压器的指针圆盘，使指针转过起始零点5o，在这位置记录自整角机变压器的输出电压U2值，计算失调为1o时的输出电压。
四、实验报告
1、作自整角机变压器输出电压与失调角的关系U2＝f（）。
2、该自整角机变压器的比电压为多少？
实验三正、余弦旋转变压器输出特性研究
一、实验目的
1、研究正、余弦旋转变压器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、实验项目
1、测定正余弦旋转变压器的空载时的输出特性；
2、测定负载对输出特性的影响；
3、二次侧补偿后负载的输出特性；
4、一次侧补偿后负载的输出特性；
5、一、二次侧同时补偿后负载的输出特性；
6、正余弦旋转变压器作线性变压器应用。
三、实验内容
1、实验设备
序号
型号
名称
数量
1
HK01
电源控制屏
1件
2
HK02
实验桌
1件
3
HK56
旋转变压器中频电源
1件
4
XSZ-1
旋转变压器实验装置
1件
2、测定正、余弦旋转变压器空载输出特性
（1）按图3.1接线；
图3.1正、余弦旋转变压器空载及负载实验接线图
（2）开关S1、S2、S3都在打开位置。
RL选取900阻值，D1、D2为励磁绕组，D3、D4为交轴绕组，Z1、Z2为余弦绕组，Z3、Z4为正弦绕组；
（3）定子励磁绕组两端D1、D2施加额定电压UfN（50V、400Hz）且保持不变；
（4）用手缓慢旋转刻度盘，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；
（5）在0o－180o间，每转角10o测量转子正弦空载输出电压Ur10与刻度盘转角α的数值。
记录于表3.1中。
表3.1
α（deg）
0º
10º
20º
30º
40º
50º
60º
70º
80º
90º
Uro（V）
α（deg）
100º
110º
120º
130º
140º
150º
160º
170º
180º
Uro（V）
3、测定负载对输出特性的影响
（1）在图3.1中开关S1、S2仍打开，开关S3闭合，使正、余弦旋转变压器带负载电阻RL运行；
（2）重复实验方法1中（3）、（4）、（5）的步骤，记录正弦负载输出电压URL与转角α的数值并记录与表3.2中。
表3.2
α（deg）
0º
10º
20º
30º
40º
50º
60º
70º
80º
90º
URL（V）
α（deg）
100º
110º
120º
130º
140º
150º
160º
170º
180º
URL（V）
4、二次侧补偿后负载的输出特性
（1）在图3.1中，开关S3闭合接通负载电阻RL，S2也闭合，使二次侧余弦输出绕组端Z1、Z2经补偿电阻R闭合；
（2）重复实验方法1中（3）、（4）、（5）的步骤，记录正弦负载输出电压URL与转角α的数值并记录与表3.3中；
表3.3
α（deg）
0º
10º
20º
30º
40º
50º
60º
70º
80º
90º
URL（V）
α（deg）
100º
110º
120º
130º
140º
150º
160º
170º
180º
URL（V）
5、一次侧补偿后负载的输出特性
（1）在图3.1中，开关S3闭合接通负载电阻RL，S1也闭合，使一次侧成补偿电路，开关S2打开；
（2）重复实验方法1中（3）、（4）、（5）的步骤，记录正弦负载输出电压URL与转角α的数值并记录与表3.4中；
表3.4
α（deg）
0º
10º
20º
30º
40º
50º
60º
70º
80º
90º
URL（V）
α（deg）
100º
110º
120º
130º
140º
150º
160º
170º
180º
URL（V）
6、一、二次侧同时补偿后负载的输出特性
（1）在图3.1中，开关S3闭合接通负载电阻RL，S1、S2也闭合，一、二次侧同时补偿；
（2）重复实验方法1中（3）、（4）、（5）的步骤，记录正弦负载输出电压URL与转角α的数值并记录与表3.5中；
表3.5
α（deg）
0º
10º
20º
30º
40º
50º
60º
70º
80º
90º
URL（V）
α（deg）
100º
110º
120º
130º
140º
150º
160º
170º
180º
URL（V）
7、正余弦旋转变压器作线性应用时的接线图
图3.2正余弦旋转变压器作线性应用时的接线图
（1）按图3.2接线。
图中RL采用屏上900Ω阻值。
（2）重复实验方法1中（3）、（4）和（5）的步骤，在-60º至60º间，每转角10º记录输出电压URL与转角α的数值并记录于表3.6中。
表3.6
α（deg）
-60º
-50º
-40º
-30º
-20º
-10º
0º
URL（V）
α（deg）
10º
20º
30º
40º
50º
60º
URL（V）
四、实验报告
1、根据表3.1的实验数据，绘制正、余弦旋转变压器空载输出特性Ur10＝f（α）。
2、根据表3.2的实验数据，绘制正、余弦旋转变压器负载输出特性URL＝f（α）。
3、根据表3.3的实验数据，绘制二次侧补偿后，输出电压URL与刻度盘转角α的关系曲线，即负载输出特性URL＝f（α）。
4、根据表3.4的实验数据，绘制一次侧补偿后，输出电压URL与刻度盘转角α的关系曲线，即负载输出特性URL＝f（α）。
5、根据表3.5的实验数据，绘制一、二次侧同时补偿后，输出电压URL与刻度盘转角α的关系曲线，即负载输出特性URL＝f（α）。
6、根据表3.6的实验记录数据，绘制正余弦旋转变压器作线性应用时输出电压URL与转子转角α的关系曲线，即URL=f（α）。
实验四步进电动机实验
一、实验目的
1、通过实验加深对步进电动机的驱动电源和电机工作情况的了解；
2、掌握步进电动机基本特性的测定方法。
二、实验项目
1、单步运行状态；
2、角位移和脉冲数的关系；
3、空载突跳频率的测定；
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。
三、实验内容
1、实验设备
序号
型号
名称
数量
备注
1
HK01
电源控制屏
1件
2
HK02
实验桌
1件
3
HK03
涡流测功系统导轨
1件
4
HK54
步进电机控制箱
1件
5
HK54
步进电机（Zr=40）
1件
6
弹性联轴器、堵转手柄及圆盘
1套
7
双踪示波器
1台
自备
2、基本实验电路的外部接线
图4.1表示了基本实验电路的外部接线。
图4.1步进电机实验接线图
3、实验操作步骤
（1）单步运行状态
A．接通电源，将步进电机分别设置为单三拍、单双六拍、双三拍控制方式下，控制系统设置于单步运行状态或复位后，按执行键，步进电机走一步距角，绕组相应的发光管发亮，再不断按执行键，步进电机转子也不断作步进运动。
观察并记录电机步距角于表4.1中，并利用公式计算电机步距角与实际值是否一致。
表4.1
控制方式
实际步距角
理论步距角
指示灯指示相序
指针偏转方向
单三拍
单双六拍
双三拍
B．通过面板设置改变电机转向，电机作反向步进运动，观测指示灯指示相序及指针偏转方向变化。
（2）角位移和脉冲数的关系
控制系统接通电源，将电机设为单三拍控制方式，设置好预置步数，按执行键，电机运转，观察并记录电机偏转角度，再重设置预置步数，重复观察并记录电机偏转角度于表4.2中，并利用公式计算电机偏转角度与实际值是否一致。
表4.2
序号
预置步数
实际电机偏转角度
理论电机偏转角度
1
30
2
120
（3）空载突跳频率的测定
控制系统置连续运行状态，按执行键，电机连续运转后，调节速度调节旋钮使频率提高至某频率（自动指示当前频率）。
按设置键让步进电机停转，再重新启动电机（按执行键），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。
（4）空载最高连续工作频率的测定
接通电源，步进电机设为单三拍控制方式下，空载连续运转后缓慢调节速度调节旋钮使频率提高，仔细观察电机是否不失步，如不失步，则再缓慢提高频率，直至电机能连续运转的最高频率，则该频率为步进电机空载最高连续工作频率。
记为Hz。
（5）转子振荡状态的观察
步进电机空载连续运转后，调节并降低脉冲频率，直至步进电机声音异常或出现电机转子来回偏摆即为步进电机的振荡状态。
（6）定子绕组中电流和频率的关系
在步进电机电源的输出端串接一只直流电流表（注意+、-端）使步进电机连续运转，由低到高逐渐改变步进电机的频率，读取并记录5~6组电流表的平均值、频率值于表4.3中，观察示波器波形，并作好记录。
表4.3
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
f（Hz）
I（A）
（7）平均转速和脉冲频率的关系
接通电源，将电机分别设为单三拍、单双六拍连续运转的状态下。
改变速度调节旋钮，测量频率f与对应的转速n，与理论值相比较，记录数据于表4.4、4.5中，并绘制曲线n=f（f）。
表4.4单三拍
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
f（Hz）
40
60
90
120
180
240
300
360
n（r/min）实测
n（r/min）理论
表4.5单双六拍
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
f（Hz）
40
60
90
120
180
240
300
360
n（r/min）实测
n（r/min）理论
（8）矩频特性的测定
置步进电机为逆时针转向，连接涡流测功机，控制电路工作于连续方式，设定频率后，使步进电机启动运转，调节涡流测功机施加制动力矩，仔细测定对应设定频率的最大输出动态力矩（电机失步前的力矩）。
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4.6中。
表4.6
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
f（Hz）
T（N.m）
（9）静力矩特性T=f（I）
关闭电源，控制电路工作于单步运行状态，将屏上的两只90Ω电阻并联阻值为45Ω，电流2.6A），把可调电阻及一只5安直流电流表串入A相绕组回路（注意正、负端），将堵转手柄固定在步进电机的左侧连接轴上。
步进电机与涡流测功机用弹性联轴器同轴连接。
同时将内六角扳手插入涡流测功机上方的螺母中心孔中，使涡流测功机堵转。
接通电源，使A相绕组通过电流，缓慢旋转手柄，读取并记录步进电机不失步所对应的最大转矩值即为对应电流I的最大静力矩Tmax值（
），改变可调电阻并使阻值逐渐增大，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。
共取4~5组记录于表4.7中。
表4.7
序号
1
2
3
4
5
6
7
I（A）
Tmax（N.m）
四、实验报告
经过上述实验后，须对照实验内容写出数据总结并对电机实验加以小结。
1、步进电机驱动系统各部分的功能和波形试验。
（1）方波发生器
（2）状态选择
（3）各相绕组间的电流关系
2、步进电机的特性
（1）单步运行状态：
步距角
（2）角位移和脉冲数（步数）关系
（3）空载突跳频率
（4）空载最高连续工作频率
（5）绕组电流的平均值与频率之间的关系
（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）
五、思考题
1、影响步进电机步距的因素有哪些？
对实验用步进电机，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？
由什么因素造成？
4、对该步进电机矩频特性加以评价，能否再进行改善？
若能改善应从何处着手？
5、各种通电方式对性能的影响？
附：
使用说明
HK54步进电机实验装置由步进电机智能控制箱和电机两部分构成。
1、步进电机智能控制箱
本控制箱用以控制步进电机的各种运行方式，它的控制功能是由单片机来实现的。
通过键盘的操作和不同的显示方式来确定步进电机的运行状况。
本控制箱可适用于三相、四相、五相步进电动机各种运行方式的控制。
因实验装置仅提供三相反应式步进电动机，故控制箱只提供三相步进电动机的驱动电源，面板上也只装有三相步进电动机的绕组接口。
（1）技术指标
功能：
能实现单步运行、连续运行和预置数运行；能实现单拍、双拍及电机的可逆运行。
电脉冲频率：
5Hz～1KHz
工作条件：
供电电源AC220V±10%，50Hz
环境温度-5℃～40℃
相对湿度 ≤80%
重量：
6kg
尺寸：
390×200×230mm3
（2）使用说明
1）开启电源开关，面板上的三位数字频率计将显示“000”；由六位LED数码管组成的步进电机运行状态显示器自动进入“9999→8888→7777→6666→5555→4444→3333→2222→1111→0000”动态自检过程，而后停止在系统的初态“┤.3”。
2）控制键盘功能说明
设置键：
手动单步运行方式和连续运行各方式的选择。
拍数键：
单三拍、双三拍、三相六拍等运行方式的选择。
相数键：
电机相数（三相、四相、五相）的选择。
转向键：
电机正、反转选择。
数位键：
预置步数的数据位设置。
数据键：
预置步数位的数据设置。
执行键：
执行当前运行状态。
复位键：
由于意外原因导致系统死机时可按此键，经动态自检过程后返回系统初态。
（3）控制系统试运行
暂不接步进电机绕组，开启电源进入系统初态后，即可进入试运行操作。
1）单步操作运行：
每按一次“执行键”，完成一拍的运行，若连续按执行键，状态显示器的末位将依次循环显示“B→C→A→B…”；由五只LED发光二极管组成的绕组通电状态指示器的B、C、A将依次循环点亮，以示电脉冲的分配规律。
2）连续运行：
按设置键，状态显示器显示“┤3000”,称此状态为连续运行的初态.此时,可分别操作“拍数”、“转向”和“相数”三个键，以确定步进电机当前所需的运行方式。
最后按“执行”键，即可实现连续运行。
三个键的具体操作如下（注：
在状态显示器显示“┤3000”状态下操作）：
a、按“拍数”键：
状态显示器首位数码管显示在“┤”、“
”、“
”之间切换，分别表示三相单拍、三相六拍和三相双三拍运行方式。
b、按“相数”键：
状态显示器的第二位，在“3、4、5”之间切换，分别表示为三相、四相、五相步进电机运行。
c、按“转向”键：
状态显示器的首位在“┤”与“├”之间切换，“┤”表示正转，“├”表示反转。
3）预置数运行：
设定“拍数”、“转向”和“相数”后，可进行预置数设定，其步骤如下：
a、操作“数位”键，可使状态显示器逐位显示“0.”，出现小数点的位即为选中位。
b、操作“数据”键，写入该位所需的数字。
c、根据所需的总步数，分别操作“数位”和“数据”键，将总步数的各位写入显示器的相应位。
至此，预置数设定操作结束。
d、按“执行”键，状态显示器作自动减1运算，直减至0后，自动返回连续运行的初态。
4）步进电机转速的调节与电脉冲频率显示
调节面板上的“速度调节”电位器旋钮，即可改变电脉冲的频率，从而改变了步进电机的转速。
同时，由频率计显示出输入序列脉冲的频率。
5）脉冲波形观测
在面板上设有序列脉冲和步进电机三相绕组驱动电源的脉冲波形观测点，分别将各观测点接到示波器的输入端，即可观测到相应的脉冲波形。
经控制系统试运行无误后，即可接入步进电机的实验装置，以完成实验指导书所规定的各项实验内容。
2、BSZ-1型步进电机
（1）步进电动机技术数据
型号：
70BF10C
相数：
三相
每相绕组电阻：
1.2Ω
每相静态电流：
3A
直流励磁电压：
24V
最大静力矩：
6kgf.cm
（2）装置结构
步进电动机转轴上固定有红色指针及刻度盘（刻度盘的最小分度为1º）。
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