机电传动控制实验指导书

《机电传动控制》实验指导书

2014年3月

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实验一 他励直流电动机（2节）

一、实验目的

1、 学习电机实验的基本要求与安全操作注意事项。

2、 掌握他励直流电动机的接线方法，以及启动、换向、调速和制动的方法。 3、 掌握使用相关仪器仪表测量他励直流电动机的工作特性和机械特性。

二、实验设备及仪器

1、 NMEL系列电机教学实验台的主控制屏（NMCL-II）。

2、 电机导轨及涡流测功机、转矩/转速调节及测量组件（NMEL-13）。 3、 可调直流稳压电源（NMEL-18，含直流电压、电流、毫安表） 4、 直流电压、毫安、安培表（NMEL-0010）。 5、 直流他励电动机（M03）。 6、 波形测试及开关板（NMEL-05）。 7、 可调电阻箱（NMEL-03/4）

三、实验内容及步骤

实验电路图1-1

M ：他励直流电动机（M03）。

U1：可调直流稳压电源（NMEL-18/1），为电枢绕组供电。 Uf：可调直流稳压电源（NMEL-18/2），为励磁绕组供电。 R1：电枢调节电阻（NMEL-03/4）。

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＋AR112SRLIaV2M－mA＋RfIf＋U1V1UfUa－－GIsRf：励磁调节电阻（NMEL-03/4）。

RL：能耗制动限流电阻（NMEL-03/4中的900Ω可变电阻）。 S ：能耗制动开关（NMEL-05）。

V1：可调直流稳压电源自带直流电压表（NMEL-18/1）。

A ：可调直流电源自带直流电流表（NMEL-18/1），或量程为2A的直流电流表（NMEL-0010）。 V2：量程300V的直流电压表（NMEL-0010）。

mA：可调直流电源自带直流毫安表（NMEL-18/2），或量程为200mA的直流电流表（NMEL-0010）。 G ：涡流测功机，涡流测功机的转矩/转速调节（NMEL-13）。

按实验电路图1-1所示连接好实验设备和线路。经检查无误后，按以下项目及步骤进行实验，测量实验数据。根据数据计算分析后完成实验报告。

1、 他励直流电动机的启动（先励磁通电，后电枢通电）

（1）将R1调至最大，Rf调至最小，将MEL-13“转速控制/转矩控制”选择开关扳向“转矩控

制”，“转矩设定”电位器逆时针旋到底(转矩最小)。开关S扳向“1”端位置。 （2）将直流电源U1（电枢电源）电压调至最小，直流电源Uf（励磁电源）电压调至最大。 （3）按以下顺序操作开关：合上电源总开关（实验台侧面）→按下绿色“闭合”按钮→励磁

电源船形开关扳至“ON”位置→电枢电源船形开关扳至“ON”位置。此时，直流电源的绿色发光二极管亮，表明直流电源接通工作。

（4）旋转电压调节电位器，使可调直流稳压电源U1输出220V电压。 （5）减小R1至最小使电机旋转起来，观察旋转方向和转速。

2、 他励直流电动机的调速

（1） 改变电枢电流大小，通过调节R1的大小实现，调节时观察转速的变化。 （2） 改变励磁电流If大小，通过调节Rf的大小实现，调节时观察转速的变化。 （3） 调节NMEL-13上的转矩设定电位器（假负载），观察转速的变化。注意转矩不要超过

1.1N.m，以免发生堵转现象。

3、 他励直流电动机的换向

（1） 将R1调至最大，“转矩设定”电位器逆时针调到零，先断开电枢回路的可调直流电源

开关，再断开励磁电源开关，使电动机停车。

（2） 将电枢绕组或励磁绕组的两端接线对调后，再按前述启动方法启动电动机，观察电动

机的旋转方向和转速。注意，不能同时对调电枢绕组和励磁绕组的接线；否则，电机旋转方向不会改变。

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4、 他励直流电动机的能耗制动

（1） 开关S扳向“1”端位置，启动电机，待运转正常后，将开关S扳向中间位置切断电源

供电，使电机处于自由停机状态，记录电机转子停止转动所需时间。

（2） 再将开关S扳向“1”端位置重新启动电动机，待运转正常后，把S扳向“2”端，使

电机处于能耗制动状态，记录电机转子停止转动所需时间。 （3） 选择不同RL阻值（900Ω和450Ω），观察对停机时间的影响。

5、 他励直流电动机的机械特性

（1） 将R1调至零（或短接），启动电机后，调节直流可调稳压电源的直流电压U1=220V，再

分别调节Rf（或励磁电源电压）和NMEL-13上的“转矩设定”旋钮（不超过1.1N.m），使电动机达到额定值：Ua=UN=220V、Ia=IN、n=nN=1600r/min，此时直流电机的励磁电流If=IfN（额定值）。

（2） 保持Ua=UN、If=IfN不变的条件下，逆时针调节“转矩设定”旋钮，逐次减小电动机的

负载，读取电动机电枢电流Ia、转速n和转矩T2的测量值，取8组数据填入表1-1中。

表1-1 他励直流电动机的机械特性

实 验 数 据 计 算 数 据 T2（N.m） P2（w） P1（w） η（%） Ia（A） N（r/min） △n（%） Ua＝UN＝220V If＝IfN＝ A

6、 他励直流电动机的调速特性

（1） 改变电枢电压调速

第一步，启动电机后，将电阻R1调至零，并同时调节负载（调节“转矩设定”电位器）、电枢电压和Rf，使电机的Ua＝UN、Ia＝0.5IN、If＝IfN，记录此时的T2＝ N.m。

第二步，保持T2、If＝IfN不变，逐次增加R1阻值（降低电枢电压Ua），R1从零调至最大值，每次读取电动机的端电压Ua，转速n和电枢电流Ia的测量值，取8组数据填入表1-2中。

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表1-2 他励直流电动机的改变电枢电压调速特性

Ua（V） n（r/min） Ia（A） If＝IfN＝ A, T2＝ N.m （2） 改变励磁电流调速

第一步，启动电机后，将R1和Rf调至零，调节可调直流电源的输出电压，调节“转矩设定”电位器，使电动机的Ua＝UN＝220V,Ia=0.5IN，记录此时的T2＝ N.m。

第二步，保持T2和Ua＝UN不变，逐次增加Rf阻值，直至n＝1.3nN，每次读取电动机的n、If和Ia的测量值，取8组数据填写入表1-3中。

表1-3 他励直流电动机的改变励磁电流调速特性

n（r/min） If（A） Ia（A） U＝UN＝220V，T2＝ N.m 四、实验结果分析

1、 由表1-1计算出P2和η，并绘出n、T2、η＝f(Ia)及n＝f(T2)的特性曲线。

电动机输出功率：P2＝0.105nT2（输出转矩T2的单位为N2m，转速n的单位为r／min） 电动机输入功率：P1＝UI 电动机输入电流：I＝Ia＋IfN 电动机效率：η＝

P2P13100％

3100％（no－空载转速，转矩为零时的转速）

转速变化率：Δn＝

nO?nNnN2、 由表1-2绘出电动机调速特性曲线n＝f（Ua），由表1-3绘出电动机调速特性曲线n＝f

（If），分析在恒转矩负载时两种调速的电枢电流变化规律以及两种调速方法的优缺点。

五、思考题

1、什么是直流电动机的机械特性？ 2、直流电动机调速原理是什么？

3、能耗制动时间与制动电阻RL的阻值有什么关系？为什么？该制动方法有什么缺点？

4、他励直流电动机带负载运行时，当励磁回路断线时是否一定会出现“飞速”？为什么？

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实验三 步进电动机（2节）

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、实验设备及仪器

1、 NMEL系列电机教学实验台主控制屏。 2、 电机导轨及测功机（NMEL-13） 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（NMEL-0010）

三、实验内容和步骤

1、 驱动波形观察

（1） 在不接电机情况下（如果接上步进电机运行，因干扰严重无法测量信号波形），合上步

进驱动电源船形开关，分别按下MEL-10上的“连续”控制开关和“正转/反转”、“三拍/六拍”，“启动/停止”开关，使驱动电源按正转三拍连续运行状态输出脉冲信号。 （2） 用示波器观察CP脉冲信号输出波形，改变“调频”电位器旋钮，频率变化范围应不小

于5Hz～1KHz，也可从频率计上读出脉冲频率。

（3） 用示波器观察驱动电源输出的三相A、B、C脉冲信号波形之间的相序，以及与CP脉冲

波形之间的关系。

（4） 按下“三拍/六拍”开关，使电源按正转六拍连续运行状态输出脉冲信号，重复（2）

和（3）的步骤。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，再重新启动。

（5） 按下“正转/反转”开关，使电源处于反转三拍连续运行状态输出脉冲信号，重复（2）

和（3）的步骤。

2、 步进电机特性的测定和动态观察

（1） 按实验电路图3-1所示接线，测功机和步进电机脱开，接线时需断开控制电源。注意，

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

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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。

（2） 单步运行状态：分别以“三拍”和“六拍”工作方式接通电源，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，不断按下“单步”按钮，电机转子也不断作步进运行，按下“正转/反转”开关，电机作反向步进运动。

置数连续单步正转三拍启动脉冲频率计数G置数CPABC转矩转速的测量与控制控制信号清零复位单步调频

反转六拍停止电流调节步进电机ON

LaLbLcRiOFF电机绕组实验电路图3-1

（3） 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，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3-1中。并利用公式计算电机偏转角度与实际值是否一致。

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表3-1 步进电动机角位移和脉冲数关系的测试

序 号 1 2 预置步数 实际转子偏转角度 理论电机偏转角度 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（可观察电机是否能正常实现正反转），使电机处于正常工作状态。 （4） 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。

（5） 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_____________Hz。 （6） 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。 （7） 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

Ri波形，即为控制绕组电流波形，改变频率，观察波形的变化。

（8） 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NMEL-13的“转

矩设定”旋钮，观察定子绕组电流波形。

（9） 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，填入表3-2中。从中得出n=f（f）曲线。

表3-2 步进电机的转速与信号频率特性

序 号 1 2 3 4 5

（10） 矩频特性的测量：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，记录此时的转矩值。改变频率，重复上述过程

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f（Hz） n(r/min) 得到一组频率f对应的转矩T值，即为步进电机的矩频特性T=f（f），填入表3-3中。 （11） 静力矩特性的测量：断开电源，将直流电流表（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NMEL-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5组记录于表3-4中。

表3-3 步进电机的矩频特性

序 号 1 2 3 4 5

表3-4 步进电机的最大静力矩特性

序 号 1 2 3 4 5

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，应先将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。

I（A） Tmax（N.m） f（Hz） T（N.m） 四、实验结果分析

1、 根据实验现象和数据，步进电机在三拍、六拍工作方式下，单步运行的步距角各是多少。 2、 根据实验现象和数据，总结步进电机的角位移和脉冲数的关系。

3、 根据实验现象和数据，写出步进电机的空载突跳频率和空载最高连续工作频率。

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4、 根据实验现象和数据，绘出n=f（f）、T=f（f）和Tmax=f（I）曲线

五、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？

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将调速系统控制单元（低电压单元）的“G”输出电压调至0V，即将控制电压Uct调至零，用示波器观察U2电压（即“2”孔）及U5的波形，调节偏移电压Ub（即调RP），使?＝180。

调节调速系统控制单元（低电压单元）的给定电位器RP1，增加给定电压Uct，观察脉冲的移动情况，要求Uct＝0时，?＝180O，以满足移相范围?＝30°～180°的要求。

O

电源控制屏U变压器直流电流表VA单相半控整流实验电阻负载Rd平波电抗器L调速系统控制单元低压单元触发电路锯齿波触发电路UctG给定Ug

图5－1

2、单相桥式晶闸管半控整流电路供电给电阻性负载：

（1） 按图5－1所示连接电路，并短接平波电抗器L。调节电阻负载Rd至最大（大于400Ω）。 （2） 调速系统控制单元（低电压单元）的G给定电位器RP1逆时针调到底Ug＝0，使Uct＝0。 （3） 合上主电路电源，调节调速系统控制单元（低电压单元）的G给定电位器RP1，使α＝

90°，测取此时整流电路的输出电压Ud＝f（t），以及晶闸管端电压UVT＝f（t）波形，并测定交流输入电压U2、整流输出电压Ud，验证 。 Ud?0.9U2（4） 调节Ug，分别测取α＝60°、90°、120°时的Ud、Uvt波形和数据，记录于表5-1中。

表5-1

α=60° α=90° Ud 图 图 图 Uvt 图 图 图 1?cos?2α=120°

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3、单相桥式半控整流电路供电给电阻—电感性负载

（1） 接平波电抗器，调速系统控制单元的G给定电位器RP1逆时针调到底Ug＝0，使Uct＝0。 （2） 合上主电源，调节Ug，使α＝90°，测取输出电压Ud=f（t）数值。减小电阻Rd，观察

波形如何变化，注意观察电流表防止过流。

（3） 调节Ug，分别测取α＝60°、90°、120°时的Ud、Uvt波形和数据，记录于表5-2中。

表5-2

a=60 a=90 a=120

Ud 图 图 图 Uvt 图 图 图 五、实验报告

1、 绘出单相桥式半控整流电路带电阻负载、电阻—电感性负载的情况下，当α＝90°时的Ud、id、UVT、iVD等波形图并加以分析。

2、 作出带电阻负载整流电路的输入—输出特性Ud=f（Uct），触发电路特性Uct=f（α）及Ud/U2=f（α）曲线。

3、 分析续流二极管作用及电感量大小对负载电流的影响。

六、思考

1． 在可控整流电路中，续流二极管VD起什么作用？在什么情况下需要接入？ 2． 能否用双踪示波器同时观察触发电路与整流电路的波形？

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LdR1R2R7DV3R36TDVVG1T4VDVKA图5-2 - 23 -

图4-6 单相桥式半控整流实验六 双闭环可逆直流脉宽调速系统

一、实验目的

1、 掌握双闭环可逆直流脉宽调速系统的组成、原理及各主要单元部件的工作原理。 2、 熟悉直流PWM专用集成电路SG3525的组成、功能与工作原理。 3、 熟悉H型PWM变换器的各种控制方式的原理与特点。

4、 掌握双闭环可逆直流脉宽调速系统的调试步骤、方法及参数的整定。

二、实验设备及仪器

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—10组件或MCL—10A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。

三、实验系统的组成和工作原理

*U0*U0GM

＋ ASR ＋ ACR UPW DLD GD PWM U- Ui FA TA M TG 图6—1 双闭环脉宽调速系统的原理图

双闭环脉宽调速系统的系统组成和基本原理见图6—1所示。图中可逆PWM变换器主电路系采用MOSFET所构成的H型结构形式，UPW为脉宽调制器，DLD为逻辑延时环节，GD为MOS管的栅极驱动电路，FA为瞬时动作的过流保护。

脉宽调制器UPW采用美国硅通用公司（Silicon General）的第二代产品SG3525，这是

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一种性能优良，功能全、通用性强的单片集成PWM控制器。

四、注意事项

1、直流电动机工作前，必须先加上直流励磁。

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、 系统开环连接时，不允许突加给定信号Ug起动电机。

5、 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。 6、 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。

7、 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。

8、 实验时需要特别注意起动限流电路的继电器有否吸合，如该继电器未吸合，进行过流保

护电路调试或进行加负载试验时，就会烧坏起动限流电阻。

五、实验内容和步骤

1、 PWM控制器SG3525（MCL-10组件上）性能测试

（1） 分别连接“3”和“5”、“4”和“6”、“7”和“27”、“31”和“22”、“32”和“23”，然

后打开面板右下角的电源开关。

（2） 用示波器观察“25”端的电压波形，记录波形的周期，幅度（需记录S1开关拨向“通”

和“断”两种情况）

（3） S5开关打向“OV”, 用示波器观察“30”端电压波形，调节RP2电位器，使方波的占

空比为50％。

（4） S5开关打向“给定”分别调节RP3、RP4，记录“30”端输出波形的最大占空比和最小

占空比。（分别记录S2打向“通”和“断”两种情况） 2、 控制单元调试 （1） 逻辑延时时间的测试

S5开关打向“0V”，用示波器观察“33”和“34”端的输出波形。并记录延时时间。 td=

（2） 同一桥臂上下管子驱动信号死区时间测试

分别连接“7”和“8”、“10”和“11”，“12”和“13”、“14”和“15”、“16”和“17”、

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“18”和“19”，用双踪示波器分别测量VVT1。GS和VVT2。GS以及VVT3。GS和VVT4。GS的死区时间。 td.VT1.VT2= td.VT3.VT4=

注意，测试完毕后，需拆掉“7”和“8”以及“10”和“11”的连线。 3、 系统开环调试 （1） 速度反馈系数的调试

断开主电源，并逆时针调节调压器旋钮到底，断开“9”、“10”所接的电阻，接入直流电动机M03，电机加上励磁。S4开关扳向上，同时逆时针调节RP3电位器到底，合上主电源，调节交流电压输出至220V左右。调节RP3电位器使电机转速逐渐升高，并达到1400r／min，调节FBS的反馈电位器RP，使速度反馈电压为2V。

注： MCL—Ⅲ、Ⅴ无三相调压器，直接合上主电源。以下均同。 （2） 系统开环机械特性测定

参照速度反馈系数调试的方法，使电机转速达1400r/min，改变测功机加载旋钮（或直流发电机负载电阻Rd），在空载至额定负载范围内测取7—8个点，记录相应的转速n和转矩M（或直流发电机电流id） n=1400r/min n(r/min) id(A) M(N.m) 调节RP3，使n=1000/min和n=500r/min，作同样的记录，可得到电机在中速和低速时的机械特性。

n=1000r/min n(r/min) id(A) M(N.m) n=500r/min n(r/min) id(A) M(N.m) 断开主电源，S4开关拨向“负给定”，然后按照以上方法，测出系统的反向机械特性。 4、 系统闭环调试

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将ASR,ACR均接成PI调节器接入系统，形成双闭环不可逆系统。 按图6—2接线

（1）速度调节器的调试

（a）反馈电位器RP3逆时针旋到底，使放大倍数最小； （b）“5”、“6”端接入MEL—11电容器，预置5～7μF； （c）调节RP1、RP2使输出限幅为±2V。 （2）电流调节器的调试

（a）反馈电位器RP3逆时针旋到底，使放大倍数最小； （b）“5”、“6”端接入MEL—11电容器，预置5～7μF；

（c）S5开关打向“给定”，S4开关扳向上，调节MCL-10的RP3电位器，使ACR输出正饱和，调整ACR的正限幅电位器RP1，用示波器观察 “30”的脉冲，不可移出范围。

S5开关打向“给定”，S4开关打向下至“负给定”，调节MCL-10的RP4电位器，使ACR输出负饱和，调整ACR的负限幅电位器RP2，用示波器观察 “30”的脉冲，不可移出范围。 5、 系统稳态、动态特性测试

（1）机械特性n=f（Id）的测定

S5开关打向“给定”，S4开关扳向上，调节MCL-10的RP3电位器，使电机空载转速至1400 r/min，再调节测功机加载旋钮（或发电机负载电阻Rg），在空载至额定负载范围内分别记录7～8点，可测出系统正转时的静特性曲线n=f（Id）

n(r/min) I(A) S5开关打向“给定”，S4开关打向下至“负给定”，调节MCL-10的RP4电位器，使电机空载转速至1400 r/min，再调节测功机加载旋钮（或发电机负载电阻Rg），在空载至额定负载范围内分别记录7～8点，可测出系统反转时的静特性曲线n=f（Id）

n(r/min) I(A) （2）闭环控制特性n=f(Ug)的测定 S5开关打向“给定”，S4开关扳向上，调节MCL-10的RP3电位器，记录Ug和n，即可测出闭环控制特性n=f(Ug)。

n(r/min) Ug(V)

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6、 H型PWM变换器不同控制方式时的性能测试。

用二踪慢扫描示波器观察动态波形，用光线示波器记录动态波形。在不同的调节器参数下，观察，记录下列动态波形：

（1）突加给定起动时，电动机电枢电流波形和转速波形。 （2）突加额定负载时，电动机电枢电流波形和转速波形。 （3）突降负载时，电动机电枢电流波形和转速波形。

注：电动机电枢电流波形的观察可通过MCL-03的ACR的第“1”端 转速波形的观察可通过MCL-03的ASR的第“1”端。 以下的实验方法针对MCL-10A组件： 1．SG3525性能测试

（1）用示波器观察“1”端的电压波形，记录波形的周期、幅度。

（2）用示波器观察“2”端的电压波形，调节RP2电位器，使方波的占空比为50%。 （3）用导线将“G”的“1”和“UPW”的“3”相连，分别调节正负给定，记录“2”端输出波形的最大占空比和最小占空比。

2．控制电路的测试 （1）逻辑延时时间的测试

在上述实验的基础上，分别将正、负给定均调到零，用示波器观察“DLD”的“1”和“2”端的输出波形，并记录延时时间td=

（2）同一桥臂上下管子驱动信号列区时间测试

分别将“隔离驱动”的G和主回路的G相连，用双踪示波器分别测量VVT1.GS和VVT2.GS以及VVT3.GS和VVT4.GS的列区时间： tdVT1.VT2= tdVT3.VT4= 3．开环系统调试 按图6—11a接线

（1）电流反馈系数的调试

a．将正、负给定均调到零，合上主控制屏电源开关，接通直流电机励磁电源。 b．调节正给定，电机开始起动直至达1800r/min

c．给电动机拖加负载，即逐渐减小发电机负载电阻，直至电动机的电枢电流为1A。 d．调节“FBA”的电流反馈电位器，用万用表测量“9”端电压达2V左右。

（2）速度反馈系数的调试

- 28 -

在上述实验的基础上，再次调节电机转速的1400r/min，调节MCL-18（或MCL-III型主控制屏）的“FBS”电位器，使速度反馈电压为5V左右。

4．其余方法可参考的实验步骤。

六、实验结果分析

1、 根据实验数据，列出SG3525的各项性能参数、逻辑延时时间、同一桥臂驱动信号死区时

间、起动限流继电器吸合时的直流电压值等。

2、 列出开环机械特性数据，画出对应的曲线,并计算出满足S=0.05时的开环系统调速范围。 3、 根据实验数据，计算出速度反馈系数α和电流反馈系统β。

4、 列出闭环机械特性数据，画出对应的曲线，计算出满足S=0.05时的闭环系统调速范围，

并与开环系统调速范围相比较。

5、 列出闭环控制特性n=f（uc）数据，并画出对应的曲线。 6、 画出下列动态波形

（1）突加给定时的电动机电枢电流和转速波形，并在图上标出超调量等参数。 （2）突加与突减负载时的电动机电枢电流和转速波形。

七、思考题

1、 为了防止上、下桥臂的直通，有人把上、下桥臂驱动信号死区时间调得很大，这样做行

不行，为什么？您认为死区时间长短由哪些参数决定？

2、 与采用晶闸管的移相控制直流调速系统相对比，试归纳采用自关断器件的脉宽调速系统

的优点。

- 29 -

MVT1VT3 UFBS(速度变换器)DVT2VT442RPRP131TG2ASR(转速调节器)5RP341+15V2-+RP2RP4-15VRP13RP367UFI - 30 - 主控ACR(电流调节器)111正给定 ±给定给定输出 21&1 31910负给定 111&解除制屏输封锁RP38+15V456-+RP4-15VRP2RP17 出通断通断通断过 流 保 护复位告警6-11 双闭环直流脉宽调速系统

(脉宽调制变换器) MFBS(速度变换器)13RPRP4UD21TG2ASR(转速调节器)5RP341+15V2-+隔离及驱动RP4RP2-15VRP13RP367电流取样主ACR(电流调节器)1(限流保护)复位告警(电流反馈)隔离及驱动- 31 - 112(逻辑延时)1&11控制屏输3出 45-+1 910RP38+15VRP17 (给定)(脉宽调制器)+15V 正给定RP1负给定S1S2 ±给定RP211&DZS输入RP46-15VRP2-15V6-11a 双闭环直流脉宽调速系统DZS输出

调速系统控制单元调速系统控制单元低压单元G给定UgDZS零速封锁器FBS速度变换器1241323ASR(转速调节器）142CA835637调速系统控制单元ACR(电流调节器）7910CC1现代电力电子及直流脉宽调速UPW3FBAu6电源控制屏U直流电机励磁电源VMW转速计TG负载M直流电机励磁电源

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附录一 实验组件介绍

一、电机

1、直流他励/并励电动机M03 ：PN=185W，UN=220V，IN=1.1A，n=1500r/min 2、三相笼型异步电动机M04 ：PN=100W，UN＝220V，IN＝0.48A，n＝1400/min 3、三相绕线型异步电动机M09：PN=100W，UN=220V，IN=0.55A，n=1350r/min 4、三相步进电动机M10 ： 二、MCL-05E挂件

该挂件为触发电路专用挂箱，其中有单结晶体管，正弦波，锯齿波同步移相触发电路。面板左上方装有同步变压器原边组的接线柱，下有“触发选择开关”，可根据需要选择“单结管”，“正弦波”，“锯齿波”等触发电路。当外加同步电压220V为时，通过触发电路选择直键开关可选择输出至单结管触发电路, 正弦波触发电路，锯齿波触发电路的同步电压分别为12360V、15V、7V。 1、 单结晶体管触发电路 D由单结晶体管V3，整流稳压环节，及由V1,V2等组成的等效可变电阻等组成，见附图1所示。 1N4007VD1A620/8WBR11N4007VST12CW109VD3 CR21KR55.1KR73.6KV23CG23BR8240 220VT1VST22CW10960VR3C1DCVD5VD6V13DG6CR61KRP14.7KV3BT35CC26831N4007VD7E*TP*1N4007VD81N4007VD41N4007VD247u/25V BVST32CW109VD91N4007R4 1N4007附图1 单结晶体管触发电路 由同步变压器副边输出60V的交流同步电压，经全波（或半波）整流，再由稳压管VST1,VST2进行削波，而得到梯形波电压，其过零点与晶闸管阳极电压的过零点一致，梯形波通过R7,V2向电容C2充电，当充电电压达到单结晶体管的峰点电压时，单结晶体管V3导通，从而通过ATitle图1-12 单结晶体管触发电路脉冲变压器输出脉冲。同时C3经V3放电，由于时间常数很小，Uc2很快下降至单结晶体管SizeNumberA4Date:7-Oct-2002 的谷点电压,V3重新关断，C2再次充电。每个梯形波周期，V3可能导通，关断多次，但只有File:D:\\USER\\MCL\\mcl05\\mcl05.Ddb123SD- 33 - 第一个输出脉冲起作用。电容C2的充电时间常数由等效电阻等决定，调节RP3的滑动触点可改变V1的基极电压，使V1,V2都工作在放大区，即等效电阻可由RP1来调节，也就是说一个梯形波周期内的第一个脉冲出现时候（控制角）可由RP1来调节。元件RP1装有面板上，同步信号已在内部接好。 2、 正弦波同步触发电路

由同步移相和脉冲形成放大等环节组成，见附图2所示。同步信号由同步变压器副边提供。晶体管V1左边部分为同步移相环节，在V1的基极上综合了同步信号UT，偏移电压Ub及控制电压Uct，RP2可调节Ub，调节Uct可改变触发电路的控制角。脉冲形成放大环节是一1234集基耦单稳态脉冲电路，V2的集电极耦合到V3的基极，V3的集电极通过C4,RP3耦合到V2的基极。当同步移相环节送出负脉冲时，使单稳电路翻转，从而输出脉宽可调的触发脉冲。调节元件均装在面板上，同步变压器副边已在内部接好 +15DR920/2WVD8TP1R1030GC51042K 220V1R515KUc-15R647KR73.9KC3473VD7C4474RP347KR45.1KFVD6V33DG12CVD9R11CEVD5KRP22.2KR36.8KCBC21000pVD3DVD2VD4V23DG6CR8390T1R12KARP127KC11uR251KB 附图2 正弦波触发电路 图1-13 正弦波触发电路3、 锯齿波同步移相触发电路 2CW51VST11N4001VD6D3DG6V130VVD1234 1RP4.7KR34.7KV13CG23R110KV323DG6CR4200V23DG6CR247KUcUbC247410KTPVD71N4001VD81N4001TitleR96.2KR1030KC3R116.2KASizeNumberRC104VD31N40013.3KR6R73.3K6.8KR8V53DG6CR12473C5474A4Date:File:7-Oct-2002 D:\\USER\\MCL\\mcl05\\mcl05.DdbSheet of Drawn By:4VD41N4001V43DG6C1N4001VD5C4104-151N4001VD11N4001VD2V63DG6CC11uFB附图3 锯齿波触发电路 图1-14 锯齿波触发电路- 34 - R5由同步检测，锯齿波形成，移相控制，脉冲形成，脉冲放大等环节组成，见附图3所示。由VD1,VD2,C1,R1等元件组成同步检测环节，其作用是利用同步电压来控制锯齿波产生的时刻和宽度。由VST1,V1,R3等元件组成的恒流源电路及V2,V3,C2等组成锯齿波形成环节。控制电压Uct,偏移电压Ub及锯齿波电压在V4基极综合叠加，从而构成移相控制环节。V5,V6构成脉冲形成放大环节，脉冲变压器输出触发脉冲。元件RP装在面板上 ，同步变压器副边已在内部接好。

三、MCL—31（MCL—18）挂件

由G（给定），零速封锁器（DZS），速度变换器（FBS），转速调节器（ASR），电流调节器（ACR），过流过压保护等部份组成。 1、G（给定）：

见附图4所示，它的作用是得到下列几个阶跃的给定信号： （1）0V突跳到正电压，正电压突跳到0V； （2）0V突跳到负电压，负电压突跳到0V； （3）正电压突跳到负电压，负电压突跳到正电压。 正负电压可分别由RP1、RP2两多圈电位器调节大小（调节范围为0??13V左右）。数值由面板右边的数显窗读出。只要依次扳动S1、S2的不同位置即能达到上述要求。

RP2G(给定)+15VRP1RP1S1S2-15V+ 正给定 给定-

RP2S1 负给定S20V图1-1 给定原理图附图4 G给定的工作原理 （1） 若S1放在“正给定”位，扳动S2由“零”位到“给定”位即能获得0V突跳到正电压的信号，再由“给定”位扳到“零”位能获得正电压到0V的突跳。

（2） 若S1放在“负给定”位，扳动S2，能得到0V到负电压及负电压到0V的突跳。 （3） S2放在“给定”位，扳动S1，能得到正电压到负电压及负电压到正电压的突跳。

使用注意事项：给定输出有电压时，不能长时间短路，特别是输出电压较高时，否则容易烧坏限流电阻。

2、FBC+FA+FT（电流变送器与过流过压保护）：

此单元有三种功能：一是检测电流反馈信号，二是发出过流信号，三是发出过压信号。

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电路图见附图5所示。 （1）电流变送器

电流变送器适用于可控硅直流调速装置中，与电流互感器配合，检测可控硅变流器交流进线电流，以获得与变流器电流成正比的直流电压信号，零电流信号和过电流逻辑信号等。电流互感器的输出接至输入TA1、TA2、TA3，反映电流大小的信号经三相桥式整流电路整流后加至9R1、9R2、VD7及RP1、9R3、9R20组成的各支路上，其中：

a．9R2与VD7并联后再与9R1串联，在其中点取零电流检测信号。 b．将RP1的可动触点输出作为电流反馈信号，反馈强度由RP1进行调节。

c．将可动触点RP2与过流保护电路相联，输出过流信号，可调节过流动作电流的大小。 （2）过流保护（FA）

当主电路电流超过某一数值后(2A左右)，由9R3，9R20上取得的过流信号电压超过运算放大器的反向输入端，使D触发器的输出为高电平，使晶体三极管V由截止变为导通，结果使继电器K的线圈得电，继电器K由释放变为吸引，它的常闭触点接在主回路接触器的线圈回路中，使接触器释放，断开主电路。并使发光二极管亮，作为过流信号指示，告诉操作者已经过流跳闸。 1234SA为解除记忆的复位按钮，当过流动作后，如过流故障已经排除，则须按下以解除记忆，D恢复正常工作。 TA1TA2TA39R1RP19C19R209R2VD79R59R3+159R4RP2675A1B9R6DA536DCLKSQQ21L19R89R15K19R13C VD8SA4R9V149R17IoIf+15B ATV19C2TV29R21RP32349R109R11A1A1DB9118DCLKSQQ1213L29R99R16K29R149R1289V13S210R9R79V159R18附图5 电流变送器与过流保护原理图 123TitleSizeA4Date:File:NumberR12-Jun-2002D:\\USER\\MCL\\mcl01\\Fbc.DDBSheet of Drawn By:4- 36 -

3、零速封锁器（DZS）

零速封锁器的作用是当调速系统处于静车状态，即速度给定电压为零，同时转速也确为1234零时，封锁调节系统中的所有调节器，以避免静车时各放大器零漂引起可控硅整流电路有输D出使电机爬行的不正常现象。电路见附图6所示。 VD1-15R7R11R15R19A1ALF353134R3R25DD401113111298102C2 VD2R4DC4011VD11DA40111VD123VST BVT13DG130B8R23R16R12R20R8+15VD9R27R28R29 +15附图6 零速封锁器 ATitle它的总输入输出关系是： 123SizeA4NumberR（1） 当1端和2端的输入电压的绝对值都小于0.07 V左右时，则3端的输出电压应为0V。 （2） 当1端和2端的输入电压绝对值或者其中之一或者二者都大于0.2V时，其3端的输出

电压应为―15V。

（3） 当3端的输出电压已为―15V，后因1端和2端的电压绝对值都小于0.07V，使3端电

压由―15V变为0V时，需要有100毫秒的延时。

3端为OV时输入到各调节器反馈网络中的场效应管，使其导通，调节器反馈网络短路而被封锁，3端为―15V时输入到上述场效应管使其夹断，而解除封锁。具体原理如下：

它是由两个山形电平检测器和开关延时电路组成。

（1）DZS前半部分别由线性集成电路A1：A和A1：B组成二个山形电平检测器，山形电平极测器的输入输出特性如图1—4所示，输入电压是指1或2端送入的电压（S3放在封锁位），输出电压是指在4或5上得到的电压。调整参数到输出电压突跳的几个输入电压为：

Ua=―0.2V Ub=―0.07V Uc=+0.07V Ud=+0.2V

输出正向电压无限幅，约为+12V，输出负向电压用二极管VD9和VD10箝位到―0.7V。

- 37 -

Date:File:6-Oct-2002 D:\\USER\\MCL\\mcl01\\mcl01.DdbSheet of Drawn By:4（2）DZS的后关部为开关延时电路

（a）当1和2端电压绝对值均小于0.07V，则4和5得到的电压都为+15V，高电平为“1”态，输入单与门4011，其输出10脚也为“1”态，二极管VD11截止，这样单与非门的输入为“1”态，输出3脚为“0”态，VD12导通，使稳压管VST不能击穿，所以三极管VT1截止，从而3端输出为0V。

（b）当1和2端电压绝对值或其中之一或二者都大于0.2V时，则在4和5上或者4 为―0.7V，或者5为―0.7V，或者4、5均为―0.7V，低电平为“0”态，三种情况输入D：C，其输出都为“0”态，VD11导通，接0V，D:A输入为“0”态，其输出为“1”态，使VD12截止，稳压管VST在30V的电压作用下而击穿，VT1饱和导通，可使3端输出为―15V。

（c）当已在（b）的情况，3端子输出为―15V，此时D:C的输出为0V，D:A上输入电压接近0V。若要回到（a）的情部，则D：C的输出先由“0”态变成“1”态，VD11截止，D:A上输入上电压应为+15V，但电容C5二端电压不能突变，+15V电源通过R27对C5充电，C5电压逐步上升，上升到一定数值后D：A的输出由“1”态变为“0”态，从而使3端输出为0V，所以3端由―15V变为0V有一延时时间，其延时长短取决于R27C5的充电回路时间常数。

（d）钮子开关S3有二个位置，放在“封锁位”，用在调速系统正常工作的情况，即为上述分析情况，放在“解除位”，A1：A组成的山形电平检测器输入总是+15V，3端子电位总是―15V，使各调节器解除封锁，以便单独调试调节器用。 4、电源输入输出端：

面板下部的L1、L2、L3三接线柱表示三相电源的输入，U、V、W表示电源输出端。在进行实验时，调压器的输出端接到L1、L2、L3，U、V、W接到可控硅或电机，在L1、U，L2、V，L3、W间接有电流互感器，L1、L2间接有电压互感器，当电流过大或电压过高时，过流保护和过压保护动作。使用注意事项：接到可控硅的电压必须从U、V、W引出，否则过流保护和过压保护不起作用。 -0.2V-0.07V0.07V0.2V图1-4 电平检测器输入输出特性附图7 电平检测输入输出特性 - 38 - 5、FBS（速度变换器） 速度变换器（FBS）用于转速反馈的调速系统中，将直流测速发电机的输出电压变换成适用于控制单元并与转速成正比的直流电压，作为速度反馈。其原理图见附图8所示。 附图8 速度变换器 图1-5 速度变换器使用时，将测速发电机的输出端接至速度变换器的输入端1和2。分两路输出。 （1）一路经电位器RP2至转速表，转速表(0??2000n/s)已装在电机导轨上。 （2）另一路经电阻及电位器RP，由电位器RP中心抽头输出，作为转速反馈信号，反馈强度由电位器RP的中心抽头进行调节，由电位器RP输出的信号，同时作为零速封锁反映转速的电平信号。元件RP装在面板上。 6、ASR（速度调节器） 速度调节器ASR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。它由运算放大器，输入与反馈网络及二极管限幅环节组D12312RPRP34成。其原理图见附图9所示。转速调节器ASR也可当作电压调节器AVR来使用。 UfnR510KC6224C2473R910KR15120KR162MR1010KC14741N4007VD3V53DJ6H+15RP14.7KR20470C1.5KRP21N4007VD463415 UsrR610KC7224R1110K B2R211.5KVD51N40071.5KRP3-15UA7417R1410K图1-6 速度调节器附图9 速度调节器 速度调节器采用电路运算放大器，它具有两个输入端，同相输入端和倒相输入端，其输出电压与两个输入端电压之差成正比。电路运算放大器具有开环放大倍数大，零点漂移小，线性度好，输入电流极小，输出阻抗小等优点，可以构成理想的调节器。图1-7中，由二极- 39 - ATitleSizeA4Numbe管VD4，VD5和电位器RP2，RP3组成正负限幅可调的限幅电路。由C2，R9组成反馈微分校正网络，有助于抑制振荡，减少超调，R15，C1组成速度环串联校正网络。场效应管V5为零速封锁电路，当4端为0V时VD5导通，将调节器反馈网络短接而封锁，4端为-13V时，VD5夹断，调节器投入工作。RP1为放大系数调节电位器。

元件RP1，RP2，RP3均安装在面板上。电容C1两端在面板上装有接线柱，电容C2两端也装有接线柱，可根据需要外接电容。 7、ACR（电流调节器）

电流调节器适用于可控制传动系统中，对其输入信号（给定量和反馈量）时进行加法、

12减法、比例、积分、微分，延时等运算或者同时兼做上述几种运算。以使其输出量按某种予3定规律变化。它是由下述几部分组成：运算放大器，两极管限幅，互补输出的电流放大级、输入阻抗网络、反馈阻抗网络等。 D 2CW54VST1C247310KR912KR15R162M1N4007474C1RP14.7K470R510KR610KR710K2CW54R35.1K9013R810K2CW54VST3R45.1K9013V2V1224C6R1010KR11C710K224R12+15VD3V53DJ6H+15C VST21N4007415RP22.2KR1830010K2UA741R216V33DG6CC822431.5K7R1310KR1410K1N4007RP32.2K-15V43CG23R19300-15B C9224附图10 电流调节器 电流调节器与速度调节器相比，增加了4个输入端，其中2端接过流推?信号，来自电流变换器的过流信号U?，当该点电位高于某值时，VST1击穿，正信号输入，ACR输出负电压使触发电路脉冲后移。UZ、UF端接逻辑控制器的相应输出端，当这二端为高电平时，三极管V1、A图1-7 电流调节器V2导通将Ugt和Ugi信号对地短接，用于逻辑无环流可逆系统。 晶体管V3和V4构成互补输出的电流放大级，当V3、V4基极电位为正时，V4管（PNP型晶体1- 40 - 23管）截止，V3管和负截构成射极跟随器。如V3，V4基极电位为负时，V3管（NPN型晶体管）截止，V4管和负截构成射极跟随器。接在运算放大器输入端前面的阻抗为输入阻抗网络。改变输入和反馈阻抗网络参数，就能得到各种运算特性。元件RP1、RP2、RP3装在面板上，C1、C2的数值可根据需要，由外接电容来改变。

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