运动控制实验指导书

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运动控制系统实验指导书

湖南文理学院电气工程系

潘湘高编

2012年3月

实验注意事项

（一）“综合实验台” 及其挂箱初次使用或较长时间未用时，实验前务必对“实验台”及其挂箱进行全面检查和单元环节调试。

（二）实验前，务必设置“状态”开关（直流、调试、串调、调压），并按下表正确选择主变压器二次侧相电压，认真检查各开关和旋钮的位置以及实验接线是否正确，经教师审核、检查无误后方可开始实验。

主变压器二次侧抽头输出电压及其适用范围

转换开关SC位号 0 1 220／127V 2 170／98V 3 104V／60V 二次电压（线／相）～ 380／220V 适用范围线电压380V鼠笼电机220V直流电动机可逆调线电压220V的 110V直流电变频调速、调压调速及速、线电压220V鼠笼电绕线机串级调速动机可逆调速绕线电机的串级调速。机变频调速与调压调速。注：线电压～ 380V的交流机允许D／Y接线；线电压～ 220V的交流机～ 380V电源时只准Y接线。

（三）出现任何异常，务必立即切除实验台总电源，（即分断空开“Q” ）。（四）为防止调速系统的振荡，在接入调节器时必须同时接入RC阻容箱，

先设定为1：1的比例状态，实验中按需再行改变阻容值，直至满足要求。（五）本实验台“过流”信号取自“交流电流变换（Bi）”单元。因此，在所有交、直流实验电路中都必须接入（Bi）单元，并经常检查、观察综合保护的指示，尤应确保过流保护的完好、可靠。

（六）实验过程中，注意监视主电路的过载电流，不超过系统的允许值，并尽可能缩短必要的过载和堵转状态的时间。

（七）无“电流开环” 又无“电流截止负反馈” 的系统，务必采用“给定积分”输出，否则不可阶跃起动，应从0V缓慢起调。

（八）“闭环系统”阶跃起动前，务必确保负反馈接线正确、各个调节器性能良好、限幅值正确无误。

（九）实验前，先将负载开关分断、负载变阻器置于阻值最大，实验中按需接通负载开关，逐步减少负载电阻，直至所要求的负载电流。

（十）“电流开环”的交流调速系统，给定以积分输出（Un*2 ）为宜。（十一）“双踪示波器”测试双线波形，严防因“双表笔”的共地而短路。（十二）本“实验注意事项” ，适用于采用本实验台的所有实验。

任何改接线，首先断电源；一旦有异常，急停拉空开。

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实验注意事项

实验要求与实验报告内容???????????????????? 1 实验一、带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统??????? 3 实验二、转速、电流双闭环直流调速系统????????????? 11 实验三、逻辑无环流可逆直流调速系统?????????????? 17 实验四、转速开环的电压源型异步电动机变频调速系统 ??????? 25 （实验五、转速闭环的电压源型异步电动机变频调速系统 ????? 32）附录二：交直流调速系统典型实验电路图 ????????????? 37 附图1－1、带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统驶 ????? 37 附图1－2、转速、电流双闭环直流调速系统???????????? 38 附图1－7A、逻辑无环流可逆直流调速系统????????????? 39 附图2–6、转速开环的电压源型异步电动机变频调速系统 ?????? 40 附图2–7、转速闭环的电压源型异步电动机变频调速系统 ?????? 41

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实验注意事项

实验要求与实验报告内容

一、实验要求：

（一）实验前做好预习，熟悉相应交流调速系统及其组成单元的工作原理和应用特点，了解引入反馈和特定控制环节的意义和作用原理。

（二）实验前认真阅读“实验注意事项” 、相应“实验指南”以及相关教材、资料等，完成有关实验参数的设计、计算（机组和综合实验台的有关参数，由实验室提供或实验前到实验室咨询、了解），认真准备好相应实验的思考题，以备正确回答实验指导老师的课前提问。

（三）按指定时间、指定地点准时进入实验室参加实验，不迟到、不早退、不无故缺席、不在实验室嬉笑打闹、不随意乱动与本实验无关的其它实验室设备、仪器。实验完毕，认真整理、归还实验设备、仪器，清理好实验现场。

（四）熟悉实验内容，认真听取实验指导老师的讲解、指导；勤学多问、胆大心细、勇于探索、不放过任何实验现象；认真完成实验全过程，正确观察现象、记录实验数据、绘制实验曲线。

（五）实验后，根据指定实验报告格式，按要求内容，认真、及时完成实验报告，并于指定时间、指定地点及时送达实验室。

（六）严格遵守实验须知和实验室安全规范，如有异常及时切断实验电源，并立即报告实验教师。

二、实验报告内容：

（一）实验名称、目的和主要实验内容。

（二）实验电路组成框图，实验系统及其组成环节的作用原理。

（三）机组和实验台主要参数，完成系统及其环节有关参数的设计、计算。（四）认真整理实验数据，绘制实验曲线。

（五）分析、讨论实验中出现的各类实验现象和故障的原因。（六）实验的收获、体会及改进意见、建议等。

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实验一带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统

一、实验目的

1．熟悉单闭环直流调速系统的组成及其主要组成单元的原理与作用。 2．学习调速系统单元及系统调试的基本方法及其注意事项。

3．分析、研究转速负反馈有静差和无静差直流调速系统的静特性及其特点。 4．熟悉“电流截止负反馈”的组成及其在“转速负反馈系统”中的作用。 5．分析、研究“带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统”的静、动态特性和电流反馈系数β、截止电压（稳压二极管Vs的稳压值）的整定及其对系统静、动特性的影响。

二、实验内容

1．调速系统的单元调试及系统静态参数的整定。 2．直流电动机开环与闭环系统的静态特性测试。

3．分析、研究转速负反馈有静差和无静差直流调速系统的静特性及其特点。 4．“带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统”的静特性测试。 5．“带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统”的静态精度和动态稳定性的实验与分析

6．分析研究电流截止负反馈环节的作用和参数变化对系统特性的影响。

三、实验设备与仪器

1．综合实验台主体（主控箱）及其主控电路、转速变换（BS）、交直流电流变换（Bi、BC）等单元以及负载变阻箱（RLD）、平波电抗器、无源数显阻容箱（RC）等。

2．直流可逆调速挂箱（DS101） —— D101、D102单元。 3．给定及调节器挂箱（DS301） —— D301、D304单元。 4．直流电动机、发电机机组

5．慢扫描双踪示波器、数字万用表等测试仪器

6．微机及打印机（存储、演示、打印实验波形，可无，但相应内容省略）。

四、实验电路的组成

“带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统”是单闭环直流调速系统的典型实例，系统的组成框图如图1－1所示，接线电路见附图1－1。主要由“D101” 、 “D102” 、“D301” 、“D304”以及电流、转速变换器等基本

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实验一带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统

图1－1 带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统的组成环节组成。该系统简单、实用，在要求不高的场合常见采用。

五、实验步骤与方法

（一）实验电路连接、检查及调试。

1．本实验系统所使用的单元环节，其中“触发器单元GT1（D101）”和“直流调速系统主电路（D102）” 的调试要点和方法见《直流可逆调速挂箱（DS101）使用说明》。“给定及给定积分器（D301）”和“转速调节器ASR（D304）”的调试要点和方法见《给定与调节器挂箱（DS301）使用说明》。

2．按附图1－1连接系统：整流装置输出端接好电动机负载，主电路接直流电流、电压表（图中未画出）和平波电抗器；闭合发电机、电动机励磁开关（右下面板），并整定至额定励磁电流；分断负载开关SG，负载变阻器RG调至阻值最大；确保转速和电流的给定和反馈极性正确合理，反馈系数α、β调至最大（将转速和直流电流变换单元BS、BC的输出电位器置于输出电压最大位置）；“状态切换”置“直流”档；给定单元（D301）的极性开关S1、阶跃开关关S2拨向上方，并置正、负给定电位器输出为0。

3．将转速调节器ASR输入端子Un和Ui1的转速和电流负反馈输入，改为接地输入，即先断开转速负反馈和电流截止负反馈；ASR接成1 : 1的比例状态（取Rn=R0＝40kΩ、短接电容Cn＝0）；经实验指导教师检查认可后，推合总电源空开（左下面板），检查各指示灯状态，确认无异常后开始以下步骤。

4．闭合控制回路（右上面板控制按钮ON），保持主电路分断。旋动正、负给定电位器，经极性开关切换，依次使给定U*n＝±0.5、±2V，检查转速调

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实验一带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统

节器ASR的比例特性；取给定U*n＝±2V，电容Cn＝0.5 ～ 1μF，用万用表测量ASR的输出，同时整定所要求的限幅值。

5．检查并调整“触发器单元GT1”和“直流调速系统主电路”，整定触发零位：用双踪示波器检查触发脉冲斜率、相位、双窄脉冲输出以及主电路接线的正确与否；触发电路和主电路正常后，微调“D101”单元的移相电位器，使U*n＝0时，触发角α＝90°（整定零位）。

6．控制电路状态正常后，将正、负给定电位器重新旋动至0端，将阶跃开关拨向上方，极性开关拨向下方（为什么？）。（二）直流电动机的开环机械特性测试

1．闭合负载开关SG；保持转速负反馈和电流截止负反馈为断开状态，转速调节器ASR重复接成1 : 1的比例状态，检查无误后，闭合主电路（右上面板主电路按钮ON）。

注意：“开环系统”或“无电流截止负反馈”的“单闭环系统” ，不得阶跃起动，实验中只能缓慢改变给定电压和电机转速（为什么？）。

2．缓慢增大给定电压U*n，使电动机转速逐渐上升，用双踪示波器观察整流装置输出电压Ud，看波形是否正常、连续可调。当电动机电枢电压达到额定值Ud＝Udnom，即n＝n o 时，记录并保持此时的转速给定U*n1不变，调节负载电阻RG，使负载电流Id在0～Idm之间分别读取负载电流Id和转速n等五组数据录于表1－1；减小给定并恒定于U*n2＜U*n1（约1／2U*n1为宜），调节负载电阻RG，在0～Idm之间分别读取电流Id和转速n等五组数据录于表1－1。

3．计算转速比n*＝n／n0 和电流比I*d＝Id／Idnom，也录于表1－1。 4．依次（①、④）绘制高、低速两条机械特性曲线 n = f （Id）于图1－2中。

表1－1 开环机械特性实验数据

U *n（V） Id（A） I*d n（r∕min） n* 额定参数 U *n1＝ Id0 U *n2＝ Id m Id 1 Id nom Id2 Id0 Id1 Id nom Id2 Id m N nom＝ KW；U nom＝ V；Idnom＝ A；n nom＝ r∕min （三）转速负反馈有静差直流调速系统

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实验一带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统

1．重新缓慢旋动给定电位器至0（输出0V），侍电机停止后“分断”主电路；按附图1－1恢复转速负反馈（接线端子Un由接地改为转速负反馈输入，注意

图1－2 直流电动机的开环机械特性与转速负反馈系统的闭环静特性开环机械特性： ①高速闭环静特性：有静差系统 ②高速 ⑸低速 ④低速无静差系统 ③高速 ⑥低速反馈极性，确保负反馈无误，但仍不接电流截止负反馈）；负载变阻器RG调至阻值最大，检查无误后闭合主电路。

2．取最大给定U*nm＝－10V， RC阻容箱取Rn＝kpR0（kp为转速调节器ASR的放大倍数，以系统稳定运行为限，尽量取大些，或实验前设计、计算得出）、短接电容Cn（Cn＝0）。

3．缓慢增大给定U*n，使电机转速逐渐上升，当给定电压达到U*n1＝－10V时保持恒定（即取U*n＝U*n1＝U*nm＝U*nnom＝－10V），调整（减小）转速反馈直至n＝nnom，同时用万用表测量反馈电压Unnom以完成转速反馈系数的整定，并计算转速反馈系数α（α＝Unnom／nnom）录于表1－2。

4．调节负载电阻RG，在 0 ～ Id m 之间分别读取负载电流 Id 和转速 n 等五组数据录于表1－2；置负载电阻RG至最大，减小给定并恒定于U*n2＜U*n1（约1／2U*n1为宜），调节负载电阻RG，在0 ～ Id m 之间分别读取电流 Id 和转速 n 五组数据录于表1－2。

5．缓慢旋动给定电位器至0（输出0V），侍电机停止后“分断”主电路；将转速反馈强度、负载电阻RG调至最大。

6．计算转速比n*＝n／n0 、电流比 I*d ＝Id ／I nom，也录于表1－2。 7．于图1－2中，依次（②、⑤）绘制高、低速两条静特性曲线 n = f（Id）。

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实验一带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统

表1－2 转速负反馈有静差系统静特性实验数据

U *n（V） Id（A） I*d n（r∕min） n* Id0 U *n 1＝ Id1 U *n2＝ Id m Id nom Id2 Id0 Id1 Id nom Id2 Id m 反馈系数 α＝U n nom／nnom＝ V／ A＝ V／A （四）转速负反馈无静差直流调速系统实验

1．将转速调节器 ASR 改接成 PI 调节器，取Cn＝0.5μF ～ 1μF，检查无误后闭合主电路。

2．缓慢增大给定电压U*n直至U*n＝U *n 1＝U*nm恒定，调整（减小）转速反馈直至 n＝nnom，从而完成转速反馈系数α的整定。（为什么？）

3．重复有静差实验步骤4、5、6相应数据录于表1－3。

4．于图1－2中，依次（③、⑥）绘制高、低速两条静特性曲线 n = f（Id）。并分析、比较图1－2中高、低速各三组特性曲线，得出开环系统、有静差和无静差转速负反馈系统等三类简单直流调速系统的特点。

表1－3 转速负反馈无静差系统静特性实验数据

U *n（V） Id（A） I*d n（r∕min） n* Id0 U *n 1＝ Id 1 U *n2＝ Id m Id nom Id2 Id0 Id1 Id nom Id2 Id m （五）带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统实验

1．连接并调试完成电流截止负反馈（接线端子Ui1由接地改为电流反馈输入，其比较电压为Ucom＝UVS1注意反馈极性），检查无误后闭合主电路。

注：电流截止负反馈环节参数按《给定与调节器挂箱（DS301）使用说明》中转速调节器的单元调试部分确定，此处不另重复。

2．增大给定U*n直至U*n＝U *n 1＝－10V、n＝no恒定；系统稳定后，缓慢调节电流反馈强度和负载电阻RG直至Id＝Id nom（电流截止负反馈尚未起作用）；用万用表测量此时的电流反馈电压Uci1（ASR输入端子Ui1处）和负载电阻RG，并令电流反馈系数β＝β1＝Uci1／Id nom、负载电阻RG＝RGnom录于

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实验一带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统

表1－4；最后恢复负载电阻RG至最大。

3．调节负载电阻RG，在 0 ～ Id m 之间分别读取负载电流 Id 和转速 n 等五组数据录于表1－4；保持此时的转速反馈和电流反馈不变、负载电阻RG调至最大。

4．保持比较电压Ucom＝UVS1不变，增大电流反馈系数使β＝β2＞β1（令β2＝Uci2／Id nom，录于表1－4）；重复调节负载电阻RG，在 0 ～ Id m 之间分别读取电流 Id 和转速 n 五组数据，录于表1－4；保持此时的转速反馈和电流反馈不变、负载电阻RG调至最大。

5．保持β＝β2＞β1，改变比较电压使Ucom＝UVS2＞UVS1（将电流反馈由接线端子Ui1改为Ui2输入）；重复调节负载电阻RG，在0 ～ Id m 之间分别读取电流 Id 和转速 n 五组数据，录于表1－4；保持此时的转速反馈和电流反馈不变、负载电阻RG调至最大。

6．保持比较电压Ucom＝UVS2＞UVS1，恢复电流反馈系数β＝β1（参照步骤2）；重复调节负载电阻RG，在0 ～ Id m 之间分别读取电流 Id 和转速 n 五组数据录于表1－4；旋动给定电位器至0（输出0V），侍电机停止后“分断”主电路；保持转速和电流反馈不变，分断负载开关SG，置负载电阻RG＝RGnom；恢复比较电压Ucom＝UVS1（将电流反馈由接线端子Ui2恢复为Ui1输入）。

7．计算各转速比n*＝n／n0 和电流比 I*d ＝Id ／I nom，录于表1－4。

表1－4 带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统静特性实验数据特性 ① β＝β1、Ucom＝UVS1 ② β＝β2＞β1 、Ucom＝UVS1 Id（A） I*d n（r∕min） n* 特性 Id（A） Id0 Id1 Id 2 Id3 Id m Id0 Id1 Id2 Id3 、 Id m ③ β＝β2＞β1 Ucom＝UVS2＞UVS1 ④ β＝β1 Ucom＝UVS2＞UVS1 I*d n（r∕min） n* β1＝Uci1／Id nom＝ β2＝Uci2／Id nom＝ RGnom＝

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实验一带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统

图1－4 带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统的闭环静特性 ① β＝β1 Ucom＝UVS1 ② β＝β2＞β1 、Ucom＝UVS1 ③ β＝β2＞β1 Ucom＝UVS2＞UVS1 ④ β＝β1 、Ucom＝UVS2＞UVS1 8．根据表1－4 数据绘制以上四条系统静特性n = f（Id）于图1－4。注意观察四条系统静特性的斜率、截止电流Idcr、堵转电流Idbl之异同，并讨论、分析以得出正确结论。

9．将阶跃开关拨向下方，置给定 U*n＝－10V，通过负载开关SG切换，完成空载和带载（额定负载）时的突加给定起动过渡过程实验，由双踪示波器观察电流Id和转速n的过渡过程。变动 RC 阻容箱的阻、容值，直至过渡过程曲线满意，并认真临模最满意的一组曲线于图1－5。

图1－5 突加给定起动的过渡过程曲线 ①空载 ②带载

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实验一带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统

10．分析比较图1－5的两条曲线，讨论空载和带载起动过渡过程的异同。 11*．通过右上面板的微机接口电路（D0U4），接好微机系统，演示、存储、打印相应过渡过程曲线，供撰写实验报告和分析、研究系统动态性能。（未配置微机时可采用“存储示波器” ，或将此项内容省略。）

8．实验完毕，将阶跃开关拨向下方，待电机停转后，依次分断主电路、控制电路和空开Q。

六、思考题

1．为什么“单闭环直流调速系统” ，在未带电流截止负反馈前，不得阶跃起动，只能缓慢增加给定？

2．在转速负反馈系统中，引入“电流截止负反馈”的目的是什么？ 3．有静差系统为什么要限制其开环放大倍数？产生静差的原因是什么？为什么说，理论上讲该系统是无法消除静差的，为什么？

4．无静差转速负反馈系统最终如何消除静差的？实际上，真的能使系统的误差为零吗，为什么？

5．带电流截止负反馈的直流调速系统中，改变β和Ucom将引起系统的静、动态特性有何变化？为什么？

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实验二转速、电流双闭环直流调速系统

一、实验目的

1．熟悉“转速、电流双闭环直流调速系统”的组成及其工作原理。 2．熟悉“转速、电流双闭环直流调速系统”及其主要单元环节的调试。 3．分析、研究“转速、电流双闭环直流调速系统”的静特性及其特点。 4．分析、研究“转速、电流双闭环直流调速系统”在突加给定起动过渡过程曲线和系统在突加、突卸负载时的抗扰性以及参数对系统动态性能的影响。

二、实验内容

1．系统的单元调试及静态参数的整定。

2．“转速、电流双闭环直流调速系统”的静特性测试。

3．“转速、电流双闭环直流调速系统”突加给定起动过渡过程研究。 4．“转速、电流双闭环直流调速系统”突加、突卸负载时的抗扰性研究。

三、实验设备与仪器

2．直流可逆调速挂箱（DS101） —— D101、D102单元。 3．给定及调节器挂箱（DS301） —— D301、D304、D305单元。 4．直流电动机、发电机机组

5．慢扫描双踪示波器、数字万用表等测试仪器

6．微机及打印机（存储、演示、打印实验波形，可无，但相应内容省略）。

四、实验电路的组成

“转速、电流双闭环系统”是不可逆直流调速中，应用最普遍、最基本的典型实例，也是各种可逆和不可逆的直流调速系统的基本组成部分，系统的组成框图如图2－1所示，接线电路见附图1－2。主要由“D101” 、“D102” 、“D301” 、“D304” 、“D305”以及电流、转速变换器等基本环节组成。

五、实验步骤与方法

（一）实验路的连接与检查。

1．本实验系统所使用的单元环节，与实验一基本相同，只是增加了一个“电

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实验二转速、电流双闭环直流调速系统

图2－1 转速、电流双闭环直流调速系统组成流调节器ACR（DS305）”单元以组成电流内环，其调试要点和方法见《给定与调节器挂箱（DS301）使用说明》。

2．按附图1－2连接系统：整流装置输出端接电动机负载，主电路接直流电流、电压表（图中未画出）和平波电抗器；闭合右下面板的发电机励磁开关，整定其至额定励磁电流，并分断电动机的励磁开关（即不接电动机励磁，以整定电流内环）；分断负载开关SG，置负载电阻RG于最大；确保各给定和反馈极性正确合理，反馈系数α、β调至最大；“状态切换”置“调试”档。

3．调节器ASR、ACR接成1 : 1的比例状态（Rn＝Ri = R0＝40kΩ、Cn＝Ci＝0）；正、负给定电位器输出置0V；切断转速和电流负反馈（接线端子Un和Ui的反馈输入改为接地）。

4．经实验指导教师检查认可后，推合总电源空开（左下面板），检查各指示灯状态，确认无异常后开始以下步骤。（二）静态参数的整定

1．主要单元环节的检查、调整及其参数整定

1）闭合控制电路（右上面板控制按钮ON），主电路保持分断，将给定单元的阶跃开关S2拨向上方；依次使正、负给定U *n＝±0.5、±2V，测量ASR、ACR的输入、输出，检查比例特性；取U *n＝±2V， Cn ＝Ci ＝0.5 ～ 1μF，用万用表分别测量ASR、ACR的输出并整定其限幅。

2）．检查并调整“触发器单元GT1”和“直流调速系统主电路”，整定触发零位：用双踪示波器检查触发脉冲斜率、相位、双窄脉冲输出；检查主电路接

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实验二转速、电流双闭环直流调速系统

线，确认触发电路和主电路正常后，整定系统零位，即微调“D101”单元的移相电位器，使U *n＝0时，触发角α＝90°。

2．电流内环静态参数整定

1）给定及给定积分器（D301）单元的阶跃输出端U*n1由引向转速调节器的U*n端改为直接直接引向电流调节器的U*I输入端，（即暂且去掉ASR，注意！U*n1端不得与ASR的U*n端和ACR的U*i端同时相接）；电流调节器ACR接成PI调节器Ci ＝0.5μF ～ 1μF）（取 Ri = R0＝40kΩ、。检查无误后闭合主电路。

2）闭合负载开关SG，给定单元的极性开关S2拨向下方，缓慢增大给定直至U*n＝－U*im；待系统稳定运行后，同时调节电流反馈和负载电阻RG直至 Id ＝Idm＝1.5Idnom（设电流过载倍数 λ＝1.5 ，若 λ不同，系数应随之变更），整定电流反馈系数β＝U*im／Idm，并锁定之。系统重新稳定运行后，减小给定U*n至0，电机停止后切除主电路。

以上是电流反馈系数β的实用整定方法，也可用以整定过电流保护。但以此方法整定β值或过电流保护，应尽量缩短直流电动机无励磁过载状态的时间，以免损坏电机。其实，直接以负载电阻RG置换直流电动机M，待电流反馈系数β或过电流保护整定完成后再行恢复接线，也是一种较好的方法。

3．转速外环静态参数整定

1）闭合电动机的励磁开关，并整定至额定励磁电流，“状态切换”置“直流”档；恢复“转速、电流双闭环直流调速系统”（即恢复ASR的给定输入引自给定单元的阶跃输出端U*n1，ACR的输入U*i引自ASR的输出），将ASR接成 PI 调节器（取 R n = R0＝40kΩ、C n＝0.5μF ～ 1μF）。经检查无误后闭合主电路。

2）（D301）单元的极性开关S1拨向上方，置给定为U*n=U*nm=+10V，电机升速至某值稳定后。调节（减小）转速反馈直至n＝nnom，以完成转速反馈系数α＝U*nm／nnom的整定，并锁定之。

3）减小给定U*n至0，电机停止后切除主电路。分断负载开关SG，并将负载电阻RG调至最大。

（三）转速、电流双闭环直流调速系统的静特性研究

“转速、电流双闭环直流调速系统”的二个调节器（ASR、ACR）都是 PI调节器，无论是内环（电流环）还是外环（转速环）都是无静差系统。理论上，无静差系统的静特性是一条平行于横坐标的直线，即偏差ΔUn＝U*n－Un＝0。实际并非尽然，内、外闭环都存在误差，即ΔUn≠0，故静特性也不是一条平行于横坐标的直线。因此，有必要测试其静特性，并分析产生偏差的原因。

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实验二转速、电流双闭环直流调速系统

1．按实验前设计、计算之阻、容（Rn、Cn、Ri、Ci），设定DS304、DS305两个单元的参数，检查无误后闭合主电路。

2．增大给定并恒定至U*n1=U*nm=+10V、n＝nnom；稳定后，调节负载电阻RG，在0 ～ Idm 之间分别读取电流 Id 和转速 n 五组数据录于表2－1；置负载电阻RG至最大，减小给定并恒定于U*n2＜U*n1（约1／2U*n1为宜），调节负载电阻RG，在0 ～ Idm 之间分别读取电流 Id 和转速 n 五组数据录于表2－1。

表2－1 转速、电流双闭环系统静特性实验数据

U*n（V） U*n1＝ Id0 Id（A） n（r／min） Idm＝ Id0 U*n2＝ Idm＝ 3．减小给定电压 U *n 至 0，电机停止后，切除主电路。

4．根据表2－1 数据分别绘制高、低速两条静特性n = f（Id）于图2－2。 5．分析双闭环系统静特性的特点，并与实验一“带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统”及其实验结果进行比较，得出相应结论。

图2－2 转速、电流双闭环直流调速系统的静特性 ①高速 ②低速（四）转速、电流双闭环直流调速系统突加给定时的起动过渡过程

1．先置给定U*n=U*nm=+10V，再置阶跃开关S2于下方（⊥端）。保持 ASR、ACR 为 PI 调节器，参数同前。负载电阻RG调至最大，并分断负载开关SG，使机组接近空载。检查无误后闭合主电路。

2．由阶跃开关S2进行高速、空载、突加给定时的过渡过程实验，通过双踪示波器观察电流Id和转速n的过渡过程曲线，反复变更 RC 阻容箱的阻容值，直至满意，并认真临模最满意的一组曲线于图2－3。

3．阶跃开关S2拨向下方，待电机停转后，将转速给定设定为 1／2 U *n 。

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实验二转速、电流双闭环直流调速系统

重新阶跃起动进行低速、空载、突加给定时的过渡过程实验，通过双踪示波器观察电流Id和转速n的过渡过程曲线。

4．阶跃开关S2拨向下方，电机停止后闭合负载开关SG；阶跃起动电机到额定转速直至稳定运行后，调节负载电阻，使电枢电流Id ＝ Idnom；尔后重复步骤 2、3 ，完成带载突加给定起动时的过渡过程实验，并通过双踪示波器观察电流Id和转速n的过渡过程，并认真临模高速时的一组曲线于图2－3。

图2－3 突加给定起动的过渡过程曲线 ①空载 ②带载 5．分析比较图2－3讨论空载和带载起动过渡过程的异同。

6．通过右上面板的微机接口电路（D0U4），接好微机系统，演示、存储、打印相应过渡过程曲线，供撰写实验报告和分析、研究系统动态性能。（未配置微机时可采用“存储示波器” ，或将此项内容省略。）

7．阶跃开关S2拨向下方。待电机停转后，切除主电路，分断负载开关SG。（五）转速、电流双闭环直流调速系统突加负载时的抗扰性研究

1．接好双踪示波器准备观察电流Id和转速n的过渡过程曲线；闭合主电路，阶跃起动到给定转速直至稳定运行。

2．反复分、合（适当保持时间间隔）负载开关SG，由双踪示波器观察突加和突卸负载时的电流和转速的过渡过程曲线并临模于图2－4。

3．分析、讨论图2－4的过渡过程曲线，得出正确结论。

4*．通过右上面板的微机接口电路（D0U4），接好微机系统，演示、存储、打印相应过渡过程曲线，供撰写实验报告和分析、研究系统动态性能。（未配置微机时可采用“存储示波器” ，或将此项内容省略。）

5．本实验台还可利用D303单元的微分开关SM（拨向下方），实现转速微分负反馈。微分负反馈的RC参数已按常规配置，若欲调整，必须从挂箱（DS301）内部D304单元的印制板中变更，不尽完美。

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实验二转速、电流双闭环直流调速系统

图2－4 突加和突卸负载时的过渡过程曲线

6．实验完毕，将阶跃开关S2拨向下方，待电机停转后，依次切除主电路、控制电路和空开Q。

六、思考题

1．电流环对于系统的静态和动态各有什么作用？

2．转速和电流闭环各自对负载扰动和电网电压波动有否调节能力？ 3．电流内环采用直流电动机不加励磁的方法整定，应注意什么？ 4．转速、电流双闭环系统，在其它参数不变的条件下，若将电流反馈系数β 减小一倍，系统的转速n和电枢电流I d 各有何变化？为什么？

5．转速、电流双闭环系统，在稳定运行的状态下，其电流反馈或转速反馈线突然断开，系统各发生什么变化？为什么？

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实验三逻辑无环流可逆直流调速系统

一、实验目的

1．熟悉、了解“电平变换器” 的工作原理及其在“逻辑无环流可逆直流调速系统”中的作用。

2．熟悉、了解“逻辑控制器”的组成及其工作原理。

3．熟悉、了解“ 逻辑无环流可逆直流调速系统”的组成及特性。 4．分析、研究“ 逻辑无环流可逆直流调速系统”的正、反向切换原理及其切换过程。

二、实验内容

1．“转矩极性”检测和“零电流”电平转换单元的实验研究。 2．“逻辑控制器”的组成及其逻辑电平的测试。

3．“逻辑无环流可逆直流调速系统”正、反向切换过程的分析、研究。 4．“逻辑无环流可逆直流调速系统” 中，推“β” 的作用及其实现方法。

三、实验设备与仪器

2．直流可逆调速挂箱（DS101）—— D101、D102单元。

3．给定及调节器挂箱（DS301）—— D301、D304、D305、D306单元。 4．专用控制单元挂箱（DS302）—— D311、D312单元 5．直流电动机、发电机机组

6．慢扫描双踪示波器、数字万用表等测试仪器

7．微机及打印机（存储、演示、打印实验波形，可无，但相应内容省略）。

四、实验电路的组成

“逻辑无环流可逆直流调速系统”只是在“自然环流可逆直流调速系统”的基础上，增加一个“极性鉴别与逻辑控制DLC（D312）”单元。其基本特点是通过该单元的“电平变换器DIP”将“转矩极性”和“零电流”两个模拟信号输入转换为相应的数字信号输出，利用“逻辑控制器LCR” ，对正、反两组触发单元GTI、GTII 的“开通”或“封锁” ，按逻辑要求进行控制。采用“数字逻辑控制”使系统主电路在任何时刻、任何状态、任何条件下只有一组整流

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装置工作。这就从根本上切断了环流的通路，以确保可逆系统不存在任何环流。

“逻辑无环流可逆直流调速系统” 主要有“逻辑控制”和“逻辑选触控制”两种基本类型。“逻辑控制”的系统采用两个电流调节器，而“逻辑选触控制”的系统只须一个电流调节器，是前者的改进形式。两类系统的组成框图分别如图7－1、图7－2所示，采用“逻辑控制”的无环流可逆直流调速系统的接线电路如附图1－7A所示，采用“逻辑选触控制”的无环流可逆直流调速系统的接线电路如附图1－7B所示。在实际应用中，“逻辑选触控制”的系统，通常只需一套“触发单元” ，由模拟开关选择触发。本实验台已配置了两套触发单

图7－1 逻辑无环流可逆直流调速系统的组成图7－2 逻辑选触无环流可逆直流调速系统的组成

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元，节省其中一套并无实际意义，故仍采用两套触发单元而不另增设模拟开关。

本实验台虽然同时配备了“逻辑控制”和“逻辑选触控制”两类“逻辑无环流可逆系统”实验电路，用户只需按各自的实际情况和要求选择其中之一。

“逻辑无环流可逆直流调速系统”的正、反向切换，采用数字逻辑控制，具有安全、可靠的优点。但是，由于切换过程中存在着工作组“关断”和待工作组“触发”所需的两段延时时间，造成切换死区。所以正、反向切换的快速性，一般不如有环流可逆系统和错位无环流可逆系统。

五、实验步骤与方法

（一）极性鉴别与逻辑控制器（DLC）的组成与原理

1．“极性鉴别与逻辑控制（DLC）”是“逻辑无环流可逆直流调速系统”的关键部件，如图7－3所示。由图可见，它由“电平变换（DIP）”和“逻辑控制（LCR）” 两部分组成。图中“电平变换（DIP）” 以虚线框内符号表示，具体电路示于图7－4，它是逻辑控制器（LCR）的输入电平转换，它将“转矩极性”和“零电流”“逻辑控制（LCR）” 两个模拟信号输入转换为相应的数字信号输出。部分是逻辑控制器的核心，其电路原理单独画出示于图7－6，它根据“电平变换” 的数字信号输出，实现逻辑运算和判断，并正确送出“开通” 或“封锁” 信号，以控制两组触发单元。

“极性鉴别与逻辑控制（DLC）”《专用控制单元（DS302）单元的调试可参阅挂箱使用说明》的调试要点，此处不另复述。

图7－3 极性鉴别与逻辑控制（DLC）单元

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2．“极性鉴别与逻辑控制（DLC）”“电单元的平变换”部分包括“转矩极性检测”和“零电流信号检测”两个基本相同的环节，分别将“转矩极性”和“零电流”两个模拟信号输入转换为相应的数字信号输出。其电路结构与原理如图7－4所示，回环特性如图7－5所示。

图7－4 电平变换电路的结构与原理图7－5 电平变换单

元的回环特性图7－4的上半部分是转矩极性检测电路，其

输入取自 ASR 的输出U *i ，即转矩极性模拟信号。输出为数字信号UT，送至逻辑控制电路（图7－6）。转矩极性检测电路的回环特性示于图 7－5 a）。

图7－4的下半部分是零电流检测电路，其输入为零电流模拟信号Ui0。输出是数字信号UI，也送至逻辑控制电路，其回环特性示于图 7－5b）。

由图7－4、图7－5不难看出，转矩极性检测和零电流信号检测两个环节的区别，仅在于其偏置值和回环宽度的整定不同。电平变换单元设置回环特性是为了提高检测系统的抗干扰能力。

3．“极性鉴别与逻辑控制（DLC）” 单元的“逻辑控制”部分由数字逻辑电路组成，其电路结构如图7－6 所示，它包括“逻辑判断、延时电路、多 1 保护” 等环节，并设置有两组推β环节。其中，UβI 、UβII 输出端主要用于采用两个ACR 的“逻辑无环流可逆系统” ，“推β” 输出端用于只有一个ACR 的“逻辑选触无环流可逆系统” 。系统的两段切换延时时间分别由电位器 RPL1、RPL2 和电容 C1、C2 组成，其中 RPL1、C1 组成“关断延时” 、RPL2、C2 组成“触发延时”（实际为关断和触发延时时间之和）。

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实验六转速开环的电压源型异步电动机变频调速系统

图7－6 逻辑控制器（LCR）的电路结构 4．电平变换电路的回环宽度和偏置以及逻辑控制电路的两段延时时间等参数，产品出厂时已按标准设计整定，轻易无须变更。确需重新调整时，应从挂箱内部的相应印制板电路上进行。

（二）基本参数的整定

1．采用“逻辑控制”的无环流可逆直流调速系统按附图1－7A接线，采用“逻辑选触控制”的无环流可逆直流调速系统按附图1－7B接线。无论采用何者，主电路按反并联接线，整流装置输出接电动机负载，主电路接直流电流、电压表（图中未画出）和电抗器L1（含于图中Ld，只要电感量足够，无须另增L1）；闭合右下面板的发电机、电动机励磁开关，整定至额定励磁电流；分断负载开关SG，将负载电阻RG调至最大；调节器ASR（D304）和ACR（ID305）按实验二的优化参数设置为 PI 调节器（采用图7－1A接线时，ACR II（D306）的结构和参数与ACR I 完全相同），并确保它们的给定和反馈极性的正确合理，同时将转速和电流反馈系数α、β调至最大；给定单元的极性开关S1、阶跃开关S2拨向上方，“状态切换”置“直流”档。

2．经实验指导教师检查认可后，推合总电源空开（左下面板），检查各指示灯状态，确认无异常后闭合控制开关，并开始以下步骤。

3．按常规整定ASR和ACR的输出限幅，尤其ACR I （以及ACR II ）的输出限幅（±Uctm＝±￣Uctm）严格按限制αmin＝β

min＝30

整定。

4．按实验五相同的方法整定两个触发单元，确保反相器AR（D311）的比例系数kP＝－1且具有良好的线性度，两组触发特性严格对称且确保α＝β，并将系统的零位整定于90°，即当Uct＝￣Uct＝0时整定使α＝β＝90°。

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5．将“D301”单元的转速给定 U *n设定为零；暂时断开转速负反馈接线Un改为直接接地）（将ASR的Un输入端由引自转速变换单元的输出￣。

6．将 ASR暂时改接为1:1的比例调节器；闭合负载开关SG，经检查无误后闭合主电路。

7．缓慢增加给定至U*n＝2／3U*im恒定（设电流过载倍数 λ＝1.5 ，若 λ不同，系数应随之变更），系统稳定后，同时调整（减小）电流反馈和负载电阻RG，直至n＝nnom、Id＝Idnom；调整完毕，锁定反馈系数β并减少给定至U*n＝0，电机停止后，分断主电路和负载开关SG。

8．恢复转速调节器的负反馈接线（恢复ASR的Un输入端由BS单元的输Un引入，并恢复其为 PI 调节器）出￣，经检查无误后闭合主电路；增加给定至U*n＝U*nom，调整（减小）转速反馈直至转速n＝nnom ，锁定反馈系数α。调整完毕，缓慢减少给定至U*n＝0，电机停止后，切除主电路。

步骤5、6、7、8除将“D301”单元的转速给定U *n设定为零外，ASR、ACR及其反馈系数的调试要点和方法同实验二，实验前由实验室调试完成为宜）（三）逻辑控制器（DLC）的电平测试

1．分别以（D301）单元的输出 U*n1模拟“转矩极性”信号（用极性开关S1切换转矩极性）、（D309）单元的输出＋Uic模拟“零电流”信号（由切换开关模拟电流有、无）。为此，将“极性鉴别与逻辑控制（D312）”单元的转矩输入端U *i由引自ASR（D304）的输出端U *i改由（D301）单元的输出 U*n1引入，将其零电流输入端Ui0由引自“交流电流变换（Bi）”（D309）单元的输出Ui0改由单元的输出＋Uic。“D401” （绝对值变换器）单元的上输入端子 U i n 连接，将以此模拟“零电流” 信号输入U *i。

2．通过切换（D301）单元的极性开关S1和（D309）单元的切换开关依次模拟“①正向转矩、无电流” 、“②正向转矩、有电流” 、“③反向转矩、有电流” 、“④反向转矩、无电流” 、“⑤反向转矩、有电流” 、“⑥零转矩、有电流” 、“⑦零转矩、零电流” 七种不同情况，并用电平测试笔或万用表依次测量逻辑控制器（DLC）的A1、A2、B1、B2、D1、D2、E1、E2、F1、F2、Uβ 各点电位及“运行指示灯”的状态（亮者为工作组）记录于表7－1。

3．分析、检查表7－1各点电位的变化及“运行指示灯” 的状态，是否正确？如果有误则检查接线及测试过程，直至正确。

4．测试完毕，按附图1－7A或附图1－7B恢复正常接线，即将“极性鉴别与逻辑控制（D312）”单元的转矩输入端U *i恢复由ASR（D304）的输出端U *i 引入，将零电流输入端Ui0恢复由“交流电流变换（Bi）” 单元的输出Ui0引入。

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（四）逻辑无环流可逆直流调速系统的动态过程

1．暂且拔除“推β”连接线，闭合主电路。正向阶跃起动电动机至额定转速，同时由双踪示波器观察转速和电流的过渡过程曲线。

表7－1 逻辑控制器（DLC）的运行状态序号电平检测转矩正电流无组别 I II I II I II I II I II I II I II 状态指示灯 A B D E F U β 1 2 正有 3 反有 4 反无 5 反有 6 0 有 7 注 0 0 电平： 1 — 高、 0 — 低；状态指示灯：亮 — 开通、灭 — 封锁 2．直接反向阶跃起动电动机至反向额定转速，同时由双踪示波器观察转速和电流的过渡过程曲线。

3．再次直接反向阶跃起动电动机至正向额定转速，同时由双踪示波器观察转速和电流的过渡过程曲线，并认真临模于图7－7 （注意观察、临模切换过程

2 23 2 －DS 型电环气流控可制系综合实验系台统 2 直速系统换实（验指 β图77 — 逻辑无逆统直流调速的正流、调反向切无南推 II ）

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（四）系统起、制动以及直接正、反转控制

1．置正、反向给定分别至U*n＝U*nm= ±10V；极性开关拨向上方，阶跃

图6－2 转速开环的电压源型异步电动机变频调速系统的静特性 ①固有特性 ②人工特性（高速） ③人工特性（低速）开关拨向下方；PI调节器AVR、ACR取计算参数；GFC取Rf＝20～30 KΩ，并调节输入电位器RP2使比例系数kp＝1，取电容Cf＝0.1μF ；按表6将负载电阻调至 RG＝RG nom ，检查无误后闭合交流电路。

2．通过阶跃开关空载、正向起动电机至空载转速 no，用双踪示波器分别自转速和交流电流变换单元（Bs、Bi）的输出端，观察转速 n 和定子电流 Is 的波形；协调两个调节器的参数和频率给定动态校正（GFC）单元的反馈电容Cf，并反复起、制动直至系统稳定、过渡过程曲线满意；完成“转速开环的电压源型异步电动机变频调速系统”在积分给定时的正、反向空载起、制动至 no以及直接正反转的过渡过程实验。认真临摹最满意的一组正向空载起、制动过渡过程的转速 n 和定子电流 Is 的波形，绘于图6－3a）；最后将阶跃开关拨向下方，直至电机停止。

3．“给定及给定积分器（ G I R ）单元”由积分输出“U*n2” 改为阶跃输出“U*n1” ；闭合负载开关 SG ；阶跃起动电机到额定转速直至稳定，调节负载电阻 RG ，使负载电流 IG ＝ IGnom ；重复步骤 2 ，完成“转速开环的电压源型异步电动机变频调速系统”，空载和带载时的突加给定起、制过渡过程实验，同时用双踪示波器分别观察空载和带载时，突加给定起、制动以及直接正反转时的电机转速 n 和定子电流 I s 的波形，认真临摹两组（空载、带载）正向阶跃起、制动的过渡过程曲线，绘于图6－3b）。4*．通过右上面板的微机接口电路（D0U4），接好微机系统，演示、存储、打印步骤 2、3 的过渡过程曲线，供

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撰写实验报告和分析、研究系统动态性能。

（未配置微机时可采用“存储示波器”，或省略此项内容。）

5．阶跃开关拨向下方，停止电机并分析、讨论之。

a）积分给定时的空载正向起、制动过渡过程曲线 b）突加给定时的正向起、制动过渡过程曲线b ①空载突加给定 ②带载突加给定图6－3 转速开环的电压源异步电动机变频调速系统正向起、制动过渡过程曲线（五）突加负载时的抗扰性研究

1．任意设定某个给定U*n（或U*nm）；分断负载开关 SG ，但保持负载电阻RG＝RGnom；接好双踪示波器，准备观察电机转速n和定子电流Is的波形。

2．闭合主电路，阶跃起动电机到给定转速直至稳定运行。

3．先后闭合、分断负载开关SG（适当选择不同间隔时间），由双踪示波器观察系统在突加和突卸负载时的电机转速n和定子电流I s的变化，并临摹较满意的一组绘于图6－4。

4*．通过右上面板的微机接口电路（D0U4），接好微机系统，演示、存储、打印突加和突卸负载时的过渡过程曲线，供撰写实验报告和分析、研究系统动态性能。（未配置微机时可采用“存储示波器”，或省略此项内容。）

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