控制電機實驗指導書

1、安徽工程大學控制電機課程實驗指導書專 業(yè)：自動化安徽工程大學電氣工程學院2013年12月目 錄步進電動機使用說明2實驗一 步進電動機（2學時）5實驗二 交流伺服機電動機（2學時）10步進電動機說明 步進電動機又稱脈沖電機，是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種重要的執(zhí)行元件，它是將電脈沖信號變換成轉角或轉速的執(zhí)行電動機，其角位移量與輸入電脈沖數(shù)成正比；其轉速與電脈沖的頻率成正比。在負載能力范圍內(nèi)，這些關系將不受電源電壓、負載、環(huán)境、溫度等因素的影響，還可在很寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)調(diào)速，快速啟動、制動和反轉。隨著數(shù)字技術和電子計算機的發(fā)展，使步進電機的控制更加簡便、靈活和智能化。現(xiàn)已廣泛用于各種數(shù)控機床、繪圖機、自動化

2、儀表、計算機外設，數(shù)、模變換等數(shù)字控制系統(tǒng)中作為元件。 一、使用說明 D54步進電機實驗裝置由步進電機智能控制箱和實驗裝置兩部分構成。 （一）步進電機智能控制箱 本控制箱用以控制步進電機的各種運行方式，它的控制功能是由單片機來實現(xiàn)的。通過鍵盤的操作和不同的顯示方式來確定步進電機的運行狀況。 本控制箱可適用于三相、四相、五相步進電動機各種運行方式的控制。 因?qū)嶒炑b置僅提供三相反應式步進電動機，故控制箱只提供三相步進電動機的驅(qū)動電源，面板上也只裝有三相步進電動機的繞組接口。 1、面板示意圖（見附錄） 2、技術指標 功 能：能實現(xiàn)單步運行、連續(xù)運行和預置數(shù)運行；能實現(xiàn)單拍、雙拍及電機的可逆運行。 電

3、脈沖頻率：5Hz1KHz 工作條件：供電電源 AC220V±10%，50Hz環(huán)境溫度 -540相對濕度80% 重 量：6kg 尺 寸：390×200×230mm3 3、使用說明(1)開啟電源開關，面板上的三位數(shù)字頻率計將顯示“000”；由六位LED數(shù)碼管組成的步進電機運行狀態(tài)顯示器自動進入“9999888877776666555544443333222211110000”動態(tài)自檢過程，而后停顯在系統(tǒng)的初態(tài)“.3”。 (2)控制鍵盤功能說明 設置鍵：手動單步運行方式和連續(xù)運行各方式的選擇。 拍數(shù)鍵：單三拍、雙三拍、三相六拍等運行方式的選擇。 相數(shù)鍵：電機相數(shù)(三相、

4、四相、五相)的選擇。 轉向鍵：電機正、反轉選擇。 數(shù)位鍵：預置步數(shù)的數(shù)據(jù)位設置。 數(shù)據(jù)鍵：預置步數(shù)位的數(shù)據(jù)設置。 執(zhí)行鍵：執(zhí)行當前運行狀態(tài)。 復位鍵：由于意外原因?qū)е孪到y(tǒng)死機時可按此鍵，經(jīng)動態(tài)自檢過程后返回系統(tǒng)初態(tài)。 (3)控制系統(tǒng)試運行 暫不接步進電機繞組，開啟電源進入系統(tǒng)初態(tài)后，即可進入試運行操作。 1)單步操作運行：每按一次“執(zhí)行鍵”，完成一拍的運行，若連續(xù)按執(zhí)行鍵，狀態(tài)顯示器的末位將依次循環(huán)顯示“BCAB”；由五只LED發(fā)光二極管組成的繞組通電狀態(tài)指示器的B、C、A將依次循環(huán)點亮，以示電脈沖的分配規(guī)律。 2)連續(xù)運行：按設置鍵，狀態(tài)顯示器顯示“3000”,稱此狀態(tài)為連續(xù)運行的初態(tài).此時

5、,可分別操作“拍數(shù)”、“轉向”和“相數(shù)”三個鍵，以確定步進電機當前所需的運行方式。最后按“執(zhí)行”鍵，即可實現(xiàn)連續(xù)運行。三個鍵的具體操作如下（注：在狀態(tài)顯示器顯示“3000”狀態(tài)下操作）： a、按“拍數(shù)”鍵：狀態(tài)顯示器首位數(shù)碼管顯示在“”、“ ”、“ ”之間切換，分別表示三相單拍、三相六拍和三相雙三拍運行方式。 b、按“相數(shù)”鍵：狀態(tài)顯示器的第二位，在“3、4、5”之間切換，分別表示為三相、四相、五相步進電機運行。 c、按“轉向”鍵：狀態(tài)顯示器的首位在“”與“”之間切換，“”表示正轉，“”表示反轉。 3）預置數(shù)運行：設定“拍數(shù)”、“轉向”和“拍數(shù)”后，可進行預置數(shù)設定，其步驟如下： a、操作“數(shù)

6、位”鍵，可使狀態(tài)顯示器逐位顯示“0.”，出現(xiàn)小數(shù)點的位即為選中位。 b、操作“數(shù)據(jù)”鍵，寫入該位所需的數(shù)字。 c、根據(jù)所需的總步數(shù)，分別操作“數(shù)位”和“數(shù)據(jù)”鍵，將總步數(shù)的各位寫入顯示器的相應位。至此，預置數(shù)設定操作結束。 d、按“執(zhí)行”鍵，狀態(tài)顯示器作自動減1運算，直減至0后，自動返回連續(xù)運行的初態(tài)。 4）步進電機轉速的調(diào)節(jié)與電脈沖頻率顯示 調(diào)節(jié)面板上的“速度調(diào)節(jié)”電位器旋鈕，即可改變電脈沖的頻率，從而改變了步進電機的轉速。同時，由頻率計顯示出輸入序列脈沖的頻率。 5）脈沖波形觀測 在面板上設有序列脈沖和步進電機三相繞組驅(qū)動電源的脈沖波形觀測點，分別將各觀測點接到示波器的輸入端，即可觀測到相

7、應的脈沖波形。 經(jīng)控制系統(tǒng)試運行無誤后，即可接入步進電機的實驗裝置，以完成實驗指導書所規(guī)定的各項實驗內(nèi)容。 （二）BSZ-1型步進電機實驗裝置 該裝置系統(tǒng)由步進電動機、刻度盤、指針以及彈簧測力矩機構組成。 1、步進電動機技術數(shù)據(jù) 型號：70BF10C 相數(shù)：三相 每相繞組電阻：1.2 每相靜態(tài)電流：3A 直流勵磁電壓：24V 最大靜力矩：6kgf.cm 2、裝置結構 （1）本裝置已將步進電動機緊固在實驗架上，步進電動機的繞組已按星形（“Y”形）接好并已將四個引出線接在裝置的四個接線端上。運行時只需將這四個接線端與智能控制箱的對應輸入端相連接即可。 （2）步進電動機轉軸上固定有紅色指針及力矩測量

8、盤，底面是刻度盤（刻度盤的最小分度為1º）。 （3）本裝置門形支架的上端，裝有定滑輪和一固定支點（采用卡簧結構），20N的彈簧秤連接在固定支點上，30N的彈簧秤通過絲線與下滑輪、測量盤、棘輪機構等連接。裝置的下方設有棘輪機構。整套系統(tǒng)由絲繩把棘輪機構、定滑輪、彈簧秤、力矩測量盤等連接起來構成一套完整的力矩測量系統(tǒng)。附錄：實驗一 步進電動機（2學時）一、實驗目的1、通過實驗加深對步進電動機的驅(qū)動電源和電機工作情況的了解。2、掌握步進電動機基本特性的測定方法。二、預習要點1、了解步進電動機的工作情況和驅(qū)動電源。2、步進電動機有哪些基本特性？怎樣測定？三、實驗項目1、單步運行狀態(tài)2、角位移

9、和脈沖數(shù)的關系3、空載突跳頻率的測定4、空載最高連續(xù)工作頻率的測定5、轉子振蕩狀態(tài)的觀察6、定子繞組中電流和頻率的關系7、平均轉速和脈沖頻率的關系8、矩頻特性的測定及最大靜力矩特性的測定四、實驗線路及操作步驟1、實驗設備序 號型 號名 稱數(shù) 量1D54(BSZ-1)步進電機控制箱1臺2BSZ-1步進電機實驗裝置1臺3D41三相可調(diào)電阻器1件4D31直流電壓、毫安、安培表1件2、屏上掛件排列順序：D54、D31、D413、基本實驗電路的外部接線 圖1表示了基本實驗電路的外部接線。實驗裝置ABCOABC24V控制箱圖1 步進電機實驗接線圖4、步進電機組件的使用說明及實驗操作步驟(1) 單步運行狀態(tài)

10、接通電源，將控制系統(tǒng)設置于單步運行狀態(tài)，或復位后，按執(zhí)行鍵，步進電機走一步距角，繞組相應的發(fā)光管發(fā)亮，再不斷按執(zhí)行鍵，步進電機轉子也不斷作步進運動。改變電機轉向，電機作反向步進運動。(2) 角位移和脈沖數(shù)的關系控制系統(tǒng)接通電源，設置好預置步數(shù)，按執(zhí)行鍵，電機運轉，觀察并記錄電機偏轉角度，再重設置另一置數(shù)值，按執(zhí)行鍵，觀察并記錄電機偏轉角度于下面兩表中，并利用公式計算電機偏轉角度與實際值是否一致。 步數(shù)= 步 序 號實際電機偏轉角度理論電機偏轉角度 步數(shù)= 步序 號實際電機偏轉角度理論電機偏轉角度 (3) 空載最高連續(xù)工作頻率的測定步進電機空載連續(xù)運轉后緩慢調(diào)節(jié)速度調(diào)節(jié)旋鈕使頻率提高，仔細觀察電

11、機是否不失步，如不失步，則再緩慢提高頻率，直至電機能連續(xù)運轉的最高頻率，則該頻率為步進電機空載最高連續(xù)工作頻率。記為 Hz。 (4) 定子繞組中電流和頻率的關系（只能測三項單拍）在步進電機電源的輸出端（公共端）串接一只直流電流表（注意+、-端）使步進電機連續(xù)運轉，由低到高逐漸改變步進電機的頻率，讀取并記錄5-6組電流表的平均值、頻率值于下表中，觀察示波器波形，并作好記錄?？刂葡銩BC24V實驗裝置ABCO+A圖2 步進電機電流和頻率的關系實驗接線圖序 號f（Hz）I（A）(5) 平均轉速和脈沖頻率的關系接通電源，將控制系統(tǒng)設置于連續(xù)運行狀態(tài)，再按執(zhí)行鍵，電機連續(xù)運轉，改變速度調(diào)節(jié)旋鈕，測量頻率

12、f與對應的轉速n，即n=f（f）。記錄5-6組于下表中。序 號f（Hz）n(r/min)(6) 矩頻特性的測定置步進電機為逆時針轉向，試驗架上左端掛20N的彈簧秤，右端掛30N的彈簧秤，兩秤下端的弦線套在皮帶輪的凹槽內(nèi)，控制電路工作于連續(xù)方式，設定頻率后，使步進電機啟動運轉，旋轉棘輪機構手柄，彈簧秤通過弦線對皮帶輪施加制動力矩力矩大?。ㄞD盤直徑D=6cm），仔細測定對應設定頻率的最大輸出動態(tài)力矩（電機失步前的力矩）。改變頻率，重復上述過程得到一組與頻率f對應的轉矩T值，即為步進電機的矩頻特性T=f（f）。記錄于下表中。序 號f（Hz）F大（N）F小（N）T（N.cm） (7) 靜力矩特性T=f

13、（I）關閉電源，控制電路工作于單步運行狀態(tài)，將可調(diào)電阻箱的兩只90電阻并接（阻值為45，電流2.6A），把可調(diào)電阻及一只5安直流電流表串入A相繞組回路（注意+、-端），把弦線一端串在皮帶輪邊緣上的小孔并固定，另一端盤繞皮帶輪凹槽幾圈后結在30N彈簧秤下端的勾子上，彈簧秤的另一端通過弦線與定滑輪、棘輪機構連接。接通電源，R調(diào)至最大，并使A相繞組通過電流。緩慢旋轉手柄，讀取并記錄彈簧秤的最大值（彈簧秤彈回時）即為對應電流I的最大靜力矩Tmax值（），改變可調(diào)電阻并使阻值逐漸減小，重復上述過程，可得一組電流I值及對應I值的最大靜力矩Tmax值，即為Tmax=f（I）靜力矩特性。共取4-5組記錄于下表

14、中。序 號I（A）F（N）Tmax（N.cm） 圖3 步進電機靜力矩特性實驗接線圖五、實驗報告經(jīng)過上述實驗后，須對照實驗內(nèi)容寫出數(shù)據(jù)總結并對電機試驗加以小結。1步進電機驅(qū)動系統(tǒng)各部分的功能和波形試驗。(1) 方波發(fā)生器(2) 狀態(tài)選擇(3) 各相繞組間的電流關系2步進電機的特性(1) 單步運行狀態(tài)：步矩角(2) 角位移和脈沖數(shù)（步數(shù)）關系(3) 空載最高連續(xù)工作頻率(4) 繞組電流的平均值與頻率之間的關系(5) 平均轉速和脈沖頻率的特性n=f（f）(6) 矩頻特性T=f（f）(7) 最大靜力矩特性Tmax=f（I）六、思考題1、影響步進電機步距的因素有哪些？對實驗用步進電機，采用何種方法步距最

15、??？2、平均轉速和脈沖頻率的關系怎樣？為什么特別強調(diào)是平均轉速？3、最大靜力矩特性是怎樣的特性？由什么因素造成？4、對該步進電機矩頻特性加以評價，能否再進行改善？若能改善應從何處著手？5、各種通電方式對性能的影響？實驗二 交流伺服機電動機（2學時）伺服電動機在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件又稱為執(zhí)行電動機，它把輸入的控制電壓信號變?yōu)檩敵龅慕俏灰苹蚪撬俣?。它的運行狀態(tài)由控制信號控制，加上控制信號它應當立即旋轉，去掉控制電壓它應當立即停轉，轉速高低與控制信號成正比。一、 實驗目的 1、觀察交流伺服電動機的自制動過程2、掌握用實驗方法配圓形磁場3、掌握交流伺服電動機的機械特性及調(diào)節(jié)特性的測量方法二、預習

16、要點1、對交流伺服電動機有什么技術要求？2、交流伺服電動機有幾種控制方式？3、何謂交流伺服電動機的機械特性和調(diào)節(jié)特性？三、實驗項目1、用實驗方法配堵轉圓形磁場2、測交流伺服電動機幅值控制時的機械特性和調(diào)節(jié)特性3、測交流伺服電動機幅值相位控制時的機械特性4、觀察自轉現(xiàn)象四、實驗設備序號型 號名 稱數(shù) 量備 注1D57交流伺服電機控制箱1件2JSZ-1交流伺服電機實驗裝置1件圓盤半徑為3cm3D32交流電流表1件4D33交流電壓表1件5D41三相可調(diào)電阻器1件6示波器1臺另配屏上掛件排列順序：D57、D33、D32、D41五、實驗方法圖2-1 交流伺服電動機幅值控制接線圖1、實測交流伺服電動機=1

17、（即UC=UN=220V）時的機械特性（1）關斷三相交流電源，按圖2-1接線。圖中T1、T2選用D57掛件，V1、V2選用D33掛件。（2）啟動三相交流電源，調(diào)節(jié)調(diào)壓器，使Uf=220V，再調(diào)節(jié)單相調(diào)壓器T2使UC=UN=220V。（3）調(diào)節(jié)棘輪機構，逐次增大力矩T T=（F10-F2）×3，將彈簧稱讀數(shù)及電機轉速記錄于表中。 Uf= V UC= V序 號F10（N）F2（N）T=（F10-F2）×3（N.cm）n（r/min）2、實測交流伺服電動機=0.75（即UC=0.75UN=165V）時的機械特性（1）保持Uf=220V不變，調(diào)節(jié)單相調(diào)壓器T2使UC=0.75UN=

18、165V。 （2）重復上述步驟，將所測數(shù)據(jù)記錄于下表中。 Uf = V UC= V序 號F10（N）F2（N）T=（F10-F2）×3（N.cm）n（r/min）3、實測交流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性（1）調(diào)節(jié)三相調(diào)壓器使Uf=220V，松開棘輪機構，即電機空載。逐次調(diào)節(jié)單相調(diào)壓器T2。使控制電壓UC從220V逐次減小直到0V。（2）將每次所測的控制電壓UC與電動機轉速n記錄于下表中。 Uf=220VU（V）n（r/min）4、幅值-相位控制1）用實驗方法使電機堵轉時的旋轉磁場為圓形磁場（1）關斷三相交流電源，按圖2-2接線。圖中T1、T2、C選用D57掛件。A1、A2表選用D32上1A檔。V1、V2、V3選用D33上300V檔。R1、R2選用D41掛件上90并聯(lián)90共45阻值并用萬用表調(diào)定在5阻值。示波器兩探頭地線應接圖中N線，X蹤和Y蹤幅值量程一致，并設在迭加狀態(tài)。圖2-2 交流伺服電動機幅值-相位控制接線圖（2）合上三相交流電源，調(diào)節(jié)三相調(diào)壓器使U1=127V，再調(diào)節(jié)單相調(diào)壓器T2使UC=U1=127V，調(diào)節(jié)棘輪機構使電機堵轉。（3）調(diào)節(jié)可變電容C，觀察A1和A2表，使If=IC，此時觀察示波器軌跡應為圓形旋轉磁場。并且此時