运动控制系统

实验指导书

 

赵黎明、王雁编

 

 

 

 

 

 

 

 

广东海洋大学信息学院自动化系

直流调速

实验一  不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究

一．实验目的

1．研究晶闸管直流电动机调速系统在反馈控制下的工作。

2．研究直流调速系统中速度调节器ASR的工作及其对系统静特性的影响。

3．学习反馈控制系统的调试技术。

二．预习要求

1．了解速度调节器在比例工作与比例—积分工作时的输入—输出特性。

2．弄清不可逆单闭环直流调速系统的工作原理。

三．实验线路及原理

见图6-7。

四．实验设备及仪表

1．MCL系列教学实验台主控制屏。

2．MCL—18组件（适合MCL—Ⅱ)或MCL—31组件（适合MCL—Ⅲ）。

3．MCL—33(A)组件或MCL—53组件。

4．MEL-11挂箱

5．MEL—03三相可调电阻（或自配滑线变阻器）。

6．电机导轨及测速发电机、直流发电机M01（或电机导轨及测功机、MEL—13组件）。

7．直流电动机M03。

8．双踪示波器。

五．注意事项

1．直流电动机工作前，必须先加上直流激磁。

2．接入ASR构成转速负反馈时，为了防止振荡，可预先把ASR的RP3电位器逆时针旋到底，使调节器放大倍数最小，同时，ASR的“5”、“6”端接入可调电容（预置7μF）。

3．测取静特性时，须注意主电路电流不许超过电机的额定值（1A）。

4．三相主电源连线时需注意，不可换错相序。

5．电源开关闭合时，过流保护发光二极管可能会亮，只需按下对应的复位开关SB1即可正常工作。

6．系统开环连接时，不允许突加给定信号U_g起动电机。

7．起动电机时，需把MEL-13的测功机加载旋钮逆时针旋到底，以免带负载起动。

8．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。

9．双踪示波器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．实验内容

1．移相触发电路的调试（主电路未通电）

（a）用示波器观察MCL—33（或MCL—53，以下同）的双脉冲观察孔，应有双脉冲，且间隔均匀，幅值相同；观察每个晶闸管的控制极、阴极电压波形，应有幅值为1V～2V的双脉冲。

（b）触发电路输出脉冲应在30°～90°范围内可调。可通过对偏移电压调节单位器及ASR输出电压的调整实现。例如：使ASR输出为0V，调节偏移电压，实现α=90°；再保持偏移电压不变，调节ASR的限幅电位器RP1，使α=30°。

2．求取调速系统在无转速负反馈时的开环工作机械特性。

a．断开ASR的“3”至U_ct的连接线，G（给定）直接加至U_ct，且Ug调至零，直流电机励磁电源开关闭合。

b．合上主控制屏的绿色按钮开关，调节三相调压器的输出，使U_uv、Uvw、Uwu=200V。

注：如您选购的产品为MCL—Ⅲ、Ⅴ，无三相调压器，直接合上主电源。以下均同。

c．调节给定电压U_g，使直流电机空载转速n₀=1500转/分，调节测功机加载旋钮（或直流发电机负载电阻），在空载至额定负载的范围内测取7～8点，读取整流装置输出电压U_d，输出电流i_d以及被测电动机转速n。

3．带转速负反馈有静差工作的系统静特性

a．断开G（给定）和U_ct的连接线，ASR的输出接至U_ct，把ASR的“5”、“6”点短接。

b．合上主控制屏的绿色按钮开关，调节U_uv，U_vw，U_wu为200伏。

c．调节给定电压U_g至2V，调整转速变换器RP电位器，使被测电动机空载转速n₀=1500转/分，调节ASR的调节电容以及反馈电位器RP3，使电机稳定运行。

调节测功机加载旋钮（或直流发电机负载电阻），在空载至额定负载范围内测取7～8点，读取U_d、i_d、n。

4．测取调速系统在带转速负反馈时的无静差闭环工作的静特性

a．断开ASR的“5”、“6”短接线，“5”、“6”端接MEL—11电容器，可预置7μF，使ASR成为PI（比例—积分）调节器。

b．调节给定电压U_g，使电机空载转速n₀=1500转/分。在额定至空载范围内测取7～8个点。

七．实验报告

绘制实验所得静特性，并进行分析、比较。

八．思考题

1．系统在开环、有静差闭环与无静差闭环工作时，速度调节器ASR各工作在什么状态？实验时应如何接线？

2．要得到相同的空载转速n₀，亦即要得到整流装置相同的输出电压U，对于有反馈与无反馈调速系统哪个情况下给定电压要大些？为什么？

3．在有转速负反馈的调速系统中，为得到相同的空载转速n₀，转速反馈的强度对U_g有什么影响？为什么？

4．如何确定转速反馈的极性与把转速反馈正确地接入系统中？又如何调节转速反馈的强度，在线路中调节什么元件能实现？

运动控制系统综合实验指导书

 

赵黎明、王雁编

 

 

 

 

 

 

 

 

广东海洋大学信息学院自动化系

 

 

实验名称 双闭环三相异步电动机调压调速系统及串级系统

实验项目性质：综合性实验

所涉及课程：运动控制系统、电力电子、电机学

计划学时：4

实验目的：本综合性实验是将调压调速系统与串级系统的综合调速性能的综合比较。

首先熟悉三相异步电动机调压调速系统的组成及工作原理、调速性能；熟悉相位控制交流调压调速系统的组成与工作;了解并熟悉双闭环三相异步电动机调压调速系统的原理及组成;了解绕线式异步电动机转子串电阻时在调节定子电压调速时的机械特性;通过测定系统的静特性和动态特性进一步理解交流调压系统中电流环和转速环的作用。

然后．熟悉双闭环三相异步电动机串级调速系统的组成及工作原理、调速性能；掌握串级调速系统的调试步骤及方法；了解串级调速系统的静态与动态特性。

最后将两种调速系统的调速原理及调速性能进行比较。

注意事项：每一步实验都必须严格检查接线是否正确。 

实验内容：（分三步）

一、双闭环三相异步电动机调压调速系统

（将直流电机作为交流电动机的负载）

（一）．系统在无转速负反馈时的开环工作机械特性（接线图见图一所示）

首先将MCL-31的低压电源+15V、0V、-15V与MCL-33低压直流输入+15V、0V、-15V对应连线；然后将MCL-32中的直流电机励磁电源的+、-分别与M03直流机的励磁绕组F1、F2对应相连接。

实验步骤：

a．断开ACR（MCL—31）的“7”至U_ct（MCL—33）的连接线，MCL—31的Ug（给定）直接加至U_ct，且Ug调至零。直流电机励磁电源开关闭合。电机转子回路接入每相为10W左右的三相电阻(由二极管整流桥电路代替)。

b．合上主控制屏的绿色按钮开关，调节三相调压器的输出，使U_uv、Uvw、Uwu=230V。

c．调节给定电压Ug(调节MCL-31的G给定中的RP1滑动变阻器)，使电机空载转速n₀=1300转/分，调节或直流发电机负载电阻，在空载至额定负载的范围内测取4～5点，读取直流发电机输入电压U_d，输出电流i_d以及被测电动机转速n，算出测功机输出转矩M。

注：若采用直流发电机，转矩可按下式计算

       

M——三相异步电动机电磁转矩；I_G——直流发电机电流；U_G——直流发电机电压；

R_S——直流发电机电枢电阻；P₀——机组空载损耗。不同转速下取不同数值：n=1500r/min，Po=13.5W；n=1000r/min，Po=10W；n=500r/min，Po=6W。

（二）、闭环系统调试

（1）调压器输出接三相电阻负载，观察输出电压波形是否正常。

（2）将系统接成双闭环调压调速系统：即将上面实验过程中断开的连线连上(仍按照图一接线)。转子回路仍串每相10W左右的电阻(由二极管整流桥电路代替)，渐加给定Ug至+5V, 调节FBS的反馈电位器，使电机空载转速n₀=1300转/分，观察电机运行是否正常。

（3）调节ASR.ACR的外接电容及放大倍数调节电位器，用慢扫描示波器观察突加给定的动态波形，确定较佳的调节器参数。

（三）．系统闭环特性的测定

调节Ug，使转速至n =1300r/min，从轻载按一定间隔做到额定负载，测出闭环静特性n =f(M)。

系统动态特性的观察，用慢扫描示波器观察：

（1）突加给定起动电机时转速n，电机定子电流i及ASR输出Ugi的动态波形。

（2）电机稳定运行，突加，突减负载时的n, Ugi, i的动态波形。

（四）、实验报告

1．根据实验数据，画出开环时，电机人为机械特性。

2．根据实验数据，画出闭环系统静特性，并与开环特性进行比较。

3．根据记录下的动态波形分析系统的动态过程。

二、双闭环三相异步电动机串级调速系统

（－）．实验内容

1．控制单元及系统调试

2．测定开环串级调速系统的静特性。

3．测定双闭环串级调速系统的静特性。

4．测定双闭环串级调速系统的动态特性。

（二）．实验系统组成及工作原理

绕线式异步电动机串级调速，即在转子回路中引入附加电动势进行调速。通常使用的方法是将转子三相电动势经二极管三相桥式不控整流得到一个直流电压，再由晶闸管有源逆变电路代替电动势，从而方便地实现调速，并将能量回馈至电网，这是一种比较经济的调速方法。

本系统为晶闸管亚同步闭环串级调速系统。控制系统由速度调节器ASR，电流调节器ACR，触发装置GT，脉冲放大器MF，速度变换器FBS，电流变换器FBC等组成，其系统原理图如图7-2所示。

（三）．注意事项

1．本实验是利用串调装置直接起动电机，不再另外附加设备，所以在电动机起动时，必须使晶闸管逆变角β处于β_min位置。然后才能加大β角，使逆变器的逆变电压缓慢减少，电机平稳加速。

2．本实验中，α角的移相范围为90°～150°，注意不可使α＜90°，否则易造成短路事故。

3．接线时，注意绕线电机的转子有4个引出端，其中1个为公共端，不需接线。

4．接入ASR构成转速负反馈时，为了防止振荡，可预先把ASR的RP3电位器逆时针旋到底，使调节器放大倍数最小，同时，ASR的“5”、“6”端接入可调电容（预置7μF）。

5．测取静特性时，须注意电流不许超过电机的额定值（0.55A）。

6．三相主电源连线时需注意，不可换错相序。逆变变压器采用MEL-03三相芯式变压器的高压绕组和中压绕组，注意不可接错。

7．电源开关闭合时，过流保护、过压保护的发光二极管可能会亮，只需按下对应的复位开关SB1、SB2即可正常工作。

8．系统开环连接时，不允许突加给定信号U_g起动电机。

9．起动电机时，需把MEL-13的测功机加载旋钮逆时针旋到底，以免带负载起动。

10．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。

11．双踪示波器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。

12．绕线式异步电动机：P_N=100W，U_N=220V，I_N=0.55A，n_N=1350，M_N=0.68，Y接。

（四）．实验方法

1．移相触发电路的调试（主电路未通电）

（a）用示波器观察MCL—33（或MCL—53）的双脉冲观察孔，应有间隔均匀，幅值相同的双脉冲；将G输出直接接至Uct，调节Uct，脉冲相位应是可调的。

（b）将面板上的Ublf端接地，调节偏移电压Ub，使Uct=0时，a接近150⁰。将正组触发脉冲的六个键开关“接通”，观察正桥晶闸管的触发脉冲是否正常（应有幅值为1V～2V的双脉冲）。

（c）触发电路输出脉冲应在30°≤β≤90°范围内可调。

可通过对偏移电压调节电位器及ASR输出电压的调整实现。例如：使ASR输出为0V，调节偏移电压，实现β=30°；再保持偏移电压不变，调节ASR的限幅电位器RP1，使β=90°。

2．控制单元调试

按直流调速系统方法调试各单元

3．求取调速系统在无转速负反馈时的开环工作机械特性。

a．断开ASR（MCL—18或MCL—31）的“3”至U_ct（MCL—33或MCL—53）的连接线，G（给定）直接加至U_ct，且Ug调至零。

直流电机励磁电源开关闭合。电机转子回路接入每相为10W左右的三相电阻。

b．三相调压器逆时针调到底，合上主控制屏的绿色按钮开关，调节三相调压器的输出，使U_uv、Uvw、Uwu=230V。

c．缓慢调节给定电压U_g，使电机空载转速n₀=1300转/分，调节测功机加载旋钮（或直流发电机负载电阻），在空载至额定负载的范围内测取7～8点，读取测功机输出转矩M（或直流发电机输入电压U_d，输出电流i_d）以及被测电动机转速n。

注：如您选购的产品为MCL—Ⅲ、Ⅴ，无三相调压器，直接合上主电源。以下均同。

注：若采用直流发电机，转矩可按下式计算

       

式中 ：

M——三相异步电动机电磁转矩；

I_G——直流发电机电流；

U_G——直流发电机电压；

R_S——直流发电机电枢电阻；

P₀——机组空载损耗。不同转速下取不同数值：n=1500r/min，Po=13.5W；n=1000r/min，Po=10W；n=500r/min，Po=6W。

3．闭环系统调试

MCL—18（或MCL—31）的G（给定）输出电压U_g接至ASR的“2”端，ACR的输出“7”端接至U_ct。

三相调压器逆时针调到底。调节Uct，使ACR饱和输出，调节限幅电位器RP1，使b=30^O。

合上主控制屏的绿色按钮开关，调节三相调压器的输出，使U_uv、Uvw、Uwu=230V。

调节给定电压U_g，使电机空载转速n₀=1300转/分，观察电机运行是否正常。调节ASR,ACR的外接电容及放大倍数调节电位器，用慢扫描示波器观察突加给定的动态波形，确定较佳的调节器参数。

4．双闭环串级调速系统静特性的测定

调节给定电压U_g，使电机空载转速n₀=1300转/分，调节测功机加载旋钮（或直流发电机负载电阻），在空载至额定负载的范围内测取7～8点，读取测功机输出转矩M（或直流发电机输入电压U_d，输出电流i_d）以及被测电动机转速n。

5．系统动态特性的测定

用慢扫描示波器观察并用示波器记录：

（1）突加给定起动电机时的转速n，定子电流i及输出Ugi的动态波形。

（2）电机稳定运行时，突加，突减负载时的n, I,Ugi的动态波形。

（五）．实验报告

1．根据实验数据，画出开环，闭环系统静特性n =f (M)，并进行比较。

2．根据动态波形，分析系统的动态过程。

三、双闭环三相异步电动机调压调速系统与串级调速系统的工作原理及调速性能的比较

    比较两种调速系统的工作原理；在调速性能上的区别；实验中所测取的开环及闭环特性的区别。比较出两种调速性能的优劣。

实验仪器设备和材料清单

1．MCL系列教学实验台主控制屏。

2．MCL—18组件（适合MCL—Ⅱ)或MCL—31组件（适合MCL—Ⅲ）。

3．MCL—33组件或MCL—53组件（适合MCL—Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ）。

4．电机导轨及测速发电机、直流发电机

5．MEL—03三相可调电阻器(或自配滑线变阻器450W，1A)

6．绕线式异步电动机

7．MEL—11组件

8．直流电动机M03

9．双踪示波器。．

10．万用表

试验要求

按照实验内容要求将两种系统的实验数据及其特性曲线作出详细分析比较。

实验步骤及结果测试

详见实验内容。

考核形式

以实验报告为主，参考平时实验表现。按照实验报告的内容，实验数据，所得特性曲线，综合实验的分析结论，该综合性实验成绩可分为五等：优、良、中、及格、不及格。

实验报告要求

严格按照我校有关规定格式要求，数据应真实，特性曲线应平滑连续。

思考题

1、三相异步电动机的调压调速系统与串级调速系统在工作原理上有什么不同？各有什么优缺点？

2、本综合性实验中串级调速系统使用什么环节作为串级的作用？它与串电阻调速作用是否相同？

实验三 矢量控制系统的仿真研究

1.实验目的：了解矢量控制系统的组成;通过矢量控制系统的仿真，观测逆变器输出电压波形以及电机三相电流、转速、转矩波形，加深对矢量控制的理解。

2.实验内容：打开Matlab6.5/toolbox/powersys/powerdemo/psbacdrive.mdl文件，仿真运行。

①画出Current Regulator以及speed_controller模块内部结构、并标明其参数，说明其功能。

②画出ωref=120rad/s时电机输出转矩及转速波形，概要标出其坐标值；分析逆变器输出线电压UAB以及电机转子三相电流is_abc的波形特点。

③画出ωref为一阶跃输入（初始值为100，t=0.5s后终值为160）时电机输出转矩及转速波形，概要标出其坐标值；分析逆变器输出线电压UAB以及电机转子三相电流is_abc的波形特点。

④当ωref为一阶跃输入时，如果改变初始值，其它不变。观测电机输出转矩及转速波形以及逆变器输出线电压UAB、电机转子三相电流is_abc的波形如何变化。

3.思考题:

⑴描述矢量控制的基本思想？

⑵矢量控制系统中都用到那些坐标变换？