《运动控制系统》实验指导书
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院
2010年1月
目录
一、系统硬件平台 ................................................................................................................................... 2
1.1引言 ............................................................................................................................................ 2 1.2平台组成与工作原理 ................................................................................................................. 2 1.3平台功能 .................................................................................................................................... 4 二、上位机控制及其监控软件 ................................................................................................................ 5
2.1 PCI数据采集卡工作原理及其算法 ....................................................................................... 5 2.2 DSP处理器工作原理及其算法 ............................................................................................... 5 三、实验指导 ........................................................................................................................................... 6
3.1实验注意事项............................................................................................................................. 6 3.2双闭环直流PWM调速系统实验 ................................................................................................. 6 3.3三闭环直流PWM随动系统实验 ............................................................................................... 11 3.4交流电机电压频率协调控制（VVVF）系统实验 ................................................................... 14 3.5矢量控制交流调速系统实验 ................................................................................................... 16 3.6矢量控制交流随动系统实验 ................................................................................................... 18 四、附件 ................................................................................................................................................. 20
4.1有关接线说明........................................................................................................................... 20 4.2相关实验系统的构成原理图 ................................................................................................... 21
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一、系统硬件平台
1.1引言
《电力拖动自动控制系统》或《运动控制系统》是高等院校电类专业的一门重要专业课程，其实验是高等院校电类专业教学中的一个重要环节。随着电力电子技术、脉宽调制技术、矢量控制技术以及以微处理器为核心的数字控制技术的发展，极大地推动了现代交、直流传动技术的进步和应用，促使相应的教材内容必须更新。从上世纪90年代初开始，国内这门课程的教材普遍增加了直流脉宽调速、交流变频调速及其随动系统等新内容。为满足新的教学需要，研制与之相配套的实验装置是十分必要的，否则将使相应的实验教学环节无法有效开展，从而会严重影响这门重要课程的教学效果。
“电力电子与电力传动”是一个多学科交叉的研究领域。近年来，该领域的理论研究、技术开发、产品应用十分活跃，从事该领域研究与开发工作的科技人员日益增多。该领域的研究人员为了验证某个新型控制算法的有效性、为了考察不同控制方案的实际效果，他们通常需要花费大量人力和物力来搭建一个实际研究平台，从而极大地影响了研究与开发的效率。
我所自上世纪90年代初开始长期承担国防预研基金等项目，在现代交、直流调速与随动系统的实现和应用方面成绩显著。在此基础上，结合多年来的教学与科研实践，研制成功了这套“现代交、直流调速综合实验与开发平台”。
1.2平台组成与工作原理
整个平台包括核心组成和外围组成两大部分。核心部分即为“现代交、直流调速综合实验与开发平台”，外围部分由交流电机和直流电机组成的机组、光电编码盘、电阻负载和直流电机励磁调节电路、PC计算机等部分组成。整个平台的实物构成如图1所示。
图1 平台的实物构成示意图
整个平台的控制采用主从式计算机结构，总体技术方案如图2示。
上位计算机为PC机，PC机完成控制系统任务管理，相应工作状态的实时显示、监测、控制器参数和控制程序修改等任务。从机采用高性能16位单片机，主要承担如下工作：电机位置信号、速度信号以及电流信号采集、处理，V/F协调控制，矢量旋转变换，速度环及位置环控制。主从机间采用串行通讯方式交换信息。
ISA卡可重构从机功能，科研人员基于此能直接采用高级语言（如C语言）编写交、直流传动系统新型控制算法。
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功率主电路采用自关断器件绝缘栅极晶体管IGBT构成PWM电压型逆变器，三相不控整流器提供逆变用直流电源。被控对象为鼠笼式异步电机与直流电机构成的机组。
上位计算机（管理及监控层）操作及测试面板 从机部分（核心控制层）功率主电路部分电动机组
图2 总体技术方案
“现代交、直流调速综合实验与开发平台”是整个系统的控制核心，它包含控制板、功率板、操作及测试面板等部分。控制板由80C196KC单片机为核心组成数字式交、直流传动控制系统。功率板包含AC/DC变换电路和DC/AC或DC/DC变换电路，也就是驱动交流电机时功率板实现SPWM变频功能、控制直流电机时功率板实现PWM放大器功能。系统控制原理被绘制在操作及测试面板上，如图3所示。
图3 操作及测试面板
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由图3可见，系统控制原理图已被绘制在操作及测试面板上，并设置有相应测试孔以供示波器观察之用。图中，指示灯A、B和C代表三相交流电源是否存在；“控制电源”开关用于管理控制板电源的有无；故障指示包含三类，即“过流”、“短路”和“过压”。操作按键有以下几种： a）“主控微机”键：该键用于选择核心控制软件是采用从机的固化程序还是用户基于上位机开发的程序。该键有二种模式：PC机模式和MCU模式。在PC机模式下系统将PC机内的ISA卡切入系统，并运行用户基于上位机开发的控制程序；在MCU模式下系统将运行从机的固化程序。 b）“给定方式”键：在MCU模式下系统通过此开关选择给定方式，切到“数字”时系统的给定由PC机通过键盘输入，切到“模拟”时由操作面板上的模拟电位器给定。 c）“方向选择”键：仅对模拟给定方式有效。即在模拟给定方式下，系统输入的模拟量由“方向选择”键选择确定其正负号，从而得到正负给定。 d）“运行模式”键：交流电机有二种控制方式，即V/F控制方式和矢量控制方式。在V/F控制方式下系统运行在开环状态，交流电机的V/F系统实验与开发必须将“运行模式”键置于该方式下。在矢量控制方式下，系统运行在闭环状态，交流电机的矢量控制（磁场定向控制）系统实验与开发必须将“运行模式”键置于该方式下。 e）“电机选择”键：该平台能开展交流电机和直流电机的实验与开发工作。该键位于DM时，直流电机被作为控制对象；该键位于IM时，系统以三相交流异步电机作为控制对象。 f）“运行状态”键：该按键用以控制电机是否运行。当该键位于“停止”状态时，驱动脉冲被封锁，电机断电停止运行；当该键位于“运行”状态时，驱动脉冲未被封锁，电机上电运行。
1.3平台功能
基于该平台，能开展如下教学实验： a) 双闭环直流PWM调速系统实验 b) 三闭环直流PWM随动系统实验 c) 交流电机VVVF系统实验
d) 矢量控制（磁场定向控制）交流调速系统实验 e) 矢量控制（磁场定向控制）交流随动系统实验
除此之外，借助于ISA卡，允许用户采用高级语言（如C语言）自行开发交、直流传动系统的控制算法，并基于该平台加以执行与考察。
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二、上位机控制及其监控软件
2.1 PCI数据采集卡工作原理及其算法
2.2 DSP处理器工作原理及其算法
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三、实验指导
3.1实验注意事项
1．操作及测试面板上的“电机选择”、“主控微机”、“给定方式”、“运行模式”键应在控制程序运行之前设置完毕。“方向选择”键只对面板上的模拟给定信号起作用，在系统运行过程中系统对该键的状态变化会立即作出反应。 2. 送上“控制电源”、且控制程序运行之后，方能合上主电源（即压合操作及测试面板上“主电源”键）。否则，主电源不可能被接通。切记压合操作及测试面板上“主电源”键时让“运行状态”键处于“停止”态。待主电源合上之后，切换“运行状态”键处于“运行”态，电机处于带电状态，将以给定指令和方式开始运转。
3．如果要修改控制器参数，最好通过调压器将直流母线电压调到零伏左右之后进行。各参数取值范围如下：
位置调节器：前馈系数3—4.69，初始设置值 4.68 比例系数0.1--0.7，初始设置值0. 4 积分系数：实际系统未用 微分系数：实际系统未用
速度调节器：比例系数1.0--4.0，初始设置值2. 8 积分系数0--0.4，初始设置值0. 07 微分系数0--0.4，初始设置值0.05
若要恢复初始固化参数，只需重新上电复位即可。
4．在合上“主电源”键之前，切记使调压器处于零输出。待主电源合上之后，调节调压器让直流母线电压升高，对于交流电机一般以300--450伏为宜，最高不超过540伏；对于直流电机以200--250伏为宜。
5．在退出上位机监控软件、结束系统运行之前，请先将调压器调到零输出。
3.2双闭环直流PWM调速系统实验
实验目的
通过实验熟悉双极式PWM放大器的工作原理、深入了解直流PWM调速系统原理及特性、考察调节器对系统动态和静态性能的影响。 预备知识
复习相关教材中的双极式直流PWM调速系统原理及特性、了解直流PWM调速系统调节器的工程设计方法。
关于电流检测和速度检测 （1）霍尔电流传感器
在高要求的电力传动系统中，对电机电流的快速准确检测是至关重要的。本实验平台采用了零磁平衡方式的霍尔电流传感器。该霍尔电流传感器具有测量精度高、反应速度快、可以做到无接触检测，并且输出与输入在应用频率范围内呈线性关系等优点。本系统选用输入输出比为1000：1（即被检测电流为1安培时，霍尔电流传感器输出为1毫安）的霍尔元件检测直流电机电枢电流或异步电机定子电流。
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图6 霍尔电流采样及电平转换处理电路
由于霍尔元件输出的是弱电流信号，因此，应将该电流信号转换成电压信号，然后经过滤波放大处理。由于霍尔电流传感器的输出为有正负方向的电流信号，若采用的A/D转换器的输入为0～+5V的电压信号，则需要有电平偏移电路。将霍尔元件输出的小电流信号首先变换为电压信号，再经放大滤波后进人A／D通道。在这部分电路中，稳压片给后续运放提供-5V电压基准。并将有正负极性的电压信号变换成A/D转换器所需的单极性电压信号，为防止电压过高或者过低，设计了由二极管组成的限幅电路；由于电流反馈信号具有较大的噪音纹波信号，电路中还设计了模拟滤波环节。图6是实现这一系列目的的电路原理图。若被检测的电流不需要转化为数字量，则图6中运算放大器U5的输出量即可用于控制或显示。
图6 中，取R1>>R2，另外运算放大器U5的输入电阻也很大，从而可忽略R1对霍尔元件输出电流的分流作用，则R2将霍尔元件输出的电流信号线性地转换为电压信号，经过运算放大器U1将具有正负极性的电压反馈信号转换为单极性信号送入A/D转换器。
（2）光电脉冲发生器
高性能的电力传动系统一般都要求有高精度的位置或速度检测元件。光电脉冲发生器是一种直接把角位移变量转换为数字信号的位置检测元件，它也可以用于速度信号的测量。
光电脉冲发生器的结构原理如图7示。它由灯泡、聚光透镜、光电盘、光栏板、光敏三极管等组成。光电盘与光栏板是用光学玻璃材料经研磨、抛光制成，玻璃表面真空镀上一层不透光的铬层，透光的条纹是用照相腐蚀而成的。光电盘上的透光条纹分圆周等分的条纹和零脉冲条纹两行。光栏板只腐蚀有A、B、C三条透光条纹，如图8示。对其位置要求是，当光栏板透光条纹A与光电盘任一条纹重合时，则光栏板透光条纹B与光电盘另一透光条纹的重合性错开1/4周期。
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聚光镜光栏板光敏二极管灯泡连接轴滚动轴承光电盘ACB
光栏板A、B、C三条透光条纹后面都装有一个光敏三极管，构成一条信号输出通道。当电动机轴带动光电盘一起转动时，光敏三极管就接受到光线亮暗变化的信号，引起光敏管所通过的电流大小的变化，从A、B两光敏管上将得到两相相位差为900的近似正弦波的电压信号，经过放大、整形输出A、B两相相位差900的矩形脉冲波。当电动机正转时，A相超前B相900；反转时，A相滞后B相900，据此可以鉴别电动机的转向。
在光电盘上，对应光栏板零脉冲透光条纹圆周上，仅腐蚀一条透光条纹。因此，光电盘转动一周，C光敏管受光一次，输出一个脉冲，这个脉冲称为零脉冲，可用来调整电气和机械的零位置。 本平台使用的光电脉冲发生器是八线增量式光电脉冲发生器，从A、B两相脉冲的脉冲个数和相位关系可以得到位置偏移量。本系统选用的位置检测元件均为2500脉冲／转的光电脉冲发生器，为提高位置检测的分辨率和速度测量的精度，通常会采用四倍频技术，这就意味着电机转动1转产生的脉冲个数将为10000个。
图7 光电脉冲发生器的结构示意图图8 光栏板透光条纹
图9 光电脉冲发生器信号处理电路
实际应用时，由于光电脉冲发生器通常安装在电机转子轴上，必然受到较强的电磁干扰，为提高系统的抗干扰性能，它发出的脉冲信号需要先经过差动输入和光电隔离元件隔离之后，才能进行处理。本系统采用MC3486差动接收器实现线路阻抗的匹配，光电隔离器6N137（A、B、Z脉冲）使控制电路和光电脉冲发生器电路不发生电的联系，避免了反馈信号对高速CPU的电磁干扰。图9为其处理电路。
采用光电脉冲发生器进行数字式速度测量用的较多的方法有：M法、T法、M/T法三种方式。本平台采用了M法测速方式。所谓M法测速就是在相等的时间间隔内用读取码盘脉冲的个数来计
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算转速。设在时间T（秒）内读到脉冲数为m1，码盘每转产生m2个脉冲，则转速为：
n?(60?m1)/(m2?T)（转/分）
回答下列问题：
[1] 调节直流电机的速度主要有哪几种方法？调速系统的性能指标主要有哪些？ [2] 如何检测电机的旋转速度和电流？ 实验设备
三相调压器一台
交流电机+直流电机机组一套 实验与开发平台一套 PC机一台
双线示波器一台 转速表一只
（四）实验步骤与内容 第一步：计算机仿真实验
某双极式PWM 放大器供电的双闭环直流调速系统，系统动态结构框图如图10示。系统被控他励直流电机的固有参数为：Un＝180V，ne＝1000r/min，Ie＝11.5A，Ce＝0.1414V﹒min /rev，Tl＝0.004s，Tm＝0.07s，R=2.4欧。
系统中PWM放大器的功率器件采用IGBT，三角载波频率为4KHz。系统的速度环（ASR）和电流环（ACR）均采用微处理器由软件方式实现，速度环采样周期为1毫秒，电流环采样周期为250微秒。速度给定的最大数字量为2048（对应电机额定转速），速度调节器输出限幅值为?2048（对应直流电机电枢电流给定最大值15A），电流调节器输出限幅值为?2048（对应直流电机电枢电压额定值）。请回答下列问题：
（1）确定系统中的PWM放大器的放大系数Ks及延迟时间Ts、速度反馈系数α、电流反馈系数β、电流和速度滤波时间常数Toi和Ton。
（2）用工程设计方法设计ASR、ACR调节器参数，并采用MATLAB加以仿真验证。具体设计要求为稳态指标：无静差；动态指标：电流超调量≤5％；空载起动到额定转速时的转速超调量≤10％。
图10
三角波双闭环直
**UctUiLUnIdI-流调速系-Ks1/R11ASRACRT++1Toi+1Ton+1s1+-TlS-统 -EUiUn
?第二步：物Toi+1理实验 1．断开总ER?1/CTsTon+1电源开关，
n检查实验设备的连
接线。（注意将标号为U、V的电线连接到直流电机电枢两端，励磁电源线接入到直流电机的励磁两端）。
em 9
2．合上总电源开关，压合“控制电源”键，控制电源指示灯亮。
3．选择操作及测试面板上相关按键的状态：设置“主控微机”键为“MCU”状态、设置“给定方式”键为“数字”状态（若希望由上位计算机发出命令）或“模拟”状态（若给定由面板上模拟电位器设置）、“运行模式”键此时不起作用、设置“电机选择”键为“DM”状态、设置“运行状态”键为“停止”状态。
4．接通计算机电源，运行监控软件并进入其主菜单。运行控制程序，逆时针旋转三相调压器手柄以保证调压器输出为零，继而合上“主电源”按键，然后将“运行状态”键设置为“运行”状态。注意：任何时候在压合“主电源”键之前请务必先将三相调压器输出电压调至0伏，否则有可能烧坏功率管。
5．用示波器观察三角波信号、以及双极式PWM放大器中同一桥臂的上下功率管栅极驱动信号P1和P4、
P3和P6之间的关系，并读出它们之间的死区时间。
6．用手转动电机轴，观察并记录光电编码盘输出A、B信号对GND的波形。对比电机在正反转两种情况下信号A、B之间的相位关系。
7. 顺时针旋转三相调压器手柄使直流母线电压达到期望值（观察操作及测试面板上的电压表指示，以200-250伏为宜）。监控软件进入主菜单“速度”下的“给定”项，输入一速度给定值（容许范围-1000rpm—1000rpm，例如可取1000rpm、500rpm、10rpm等典型的高、中、低速度指令），电机开始转动。（注意若电机“飞车”，表明系统被连成了速度正反馈，此时需要交换直流电机电枢两端的连线或者交换直流电机励磁两端的连线）。退出“给定”选项，选择 “速度”菜单下的“显示”项，稍等片刻，计算机屏幕显示如图11的窗口。图中左边图形框用来显示转速过渡过程曲线，右边文字框用来输入图形坐标参数。电流标定指图形中能显示的电流最大值（一般设置为10—15），速度标定指图形中能显示的速度最大值（一般设置为速度给定量的1.5倍）；逐项输入相应参数，图形框将显示电动机启动时的过渡过程曲线。请记录这些响应曲线，并根据所显示的曲线估算速度超调量、上升时间和稳态误差为5%时的过渡过程时间。在电机运行于某一稳定转速情况下，输入速度给定值为“0”，电机将停止转动，在速度“显示”菜单下可观察到系统的制动过程，请记录制动时间及制动波形。 8. 稳态电流和转速观察：让电机在不同转速给定下运行，通过示波器观察电机实际电枢电流波形
idf（在直流母线电压很高的情况下，采用示波器测试面板上的信号一定要十分小心，一旦短路有
可能烧坏功率器件）；采用转速表测量电机的实际转速，并与给定转速比较。
9．调节器参数实验：逆时针旋转三相调压器手柄以使调压器输出为零后，在上位机监控软件的“参数”菜单栏中，改变速度调节器的比例系数（注意调整范围为1.0—4.0，初始固化值为2.8）或积分系数（注意调整范围为0—0.4, 初始固化值为0.07）。待参数修改完毕，再顺时针旋转三相调压器手柄使直流母线电压达到期望值（观察操作及测试面板上的电压表指示，以200-250伏为宜），重复上面步骤7的实验，对比分析速度调节器参数对系统性能的影响。
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图11 速度响应的显示窗口 （五） 实验报告要求
1．参考操作及测试面板上绘制的系统控制原理图，详细画出这种双极式直流PWM调速系统的工作原理框图，深入分析其工作原理。
2．整理光电编码盘输出A、B信号的波形，分析其检测速度的原理。
3．结合步骤7和步骤9的实验结果，分析速度调节器参数对系统性能的影响。
4．由步骤8的实验可知该系统为无静差系统，若速度调节器仅为比例调节（即积分系数为零），系统是否可获得无速度静差？请加以分析。
3.3三闭环直流PWM随动系统实验
实验目的
通过实验，掌握三闭环直流PWM随动系统组成及其控制原理，考察这类系统的动静态性能。 （二） 预习要求 复习教材中相关内容 回答下问题
[1] 随动系统与调速系统有何区别？ [2] 随动系统有哪些性能指标？ [3] 复合控制有什么作用？ （三） 实验设备 同3.2的实验设备。 实验步骤与内容
1．断开电源总开关，检查实验设备的连接线。（注意将标号为U、V的电线连接到直流电机电枢两端，励磁电源线接入到直流电机的励磁两端）。
2．合上电源总开关，压合“控制电源”键，控制电源指示灯亮。
3．选择操作及测试面板上相关按键的状态。设置“主控微机”键为“MCU”状态、设置“给定方式”键为“数字”状态（若希望由上位计算机发出命令）或“模拟”状态（若给定由面板上模
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拟电位器设置）、“运行模式”键此时不起作用、设置“电机选择”键为“DM”状态、设置“运行状态”键为“停止”状态。
4．接通计算机电源，运行监控软件并进入主菜单。运行控制程序，逆时针旋转三相调压器手柄以保证调压器输出为零，继而合上“主电源”按键，然后将“运行状态”键设置为“运行”状态。注意：任何时候在压合“主电源”键之前请务必先将三相调压器输出电压调至0伏，否则有可能烧坏功率管。
5．顺时针旋转三相调压器手柄使直流母线电压达到期望值（观察操作及测试面板上的电压表指示，以200-250伏为宜）。选择监控软件“位置”菜单下的“定位”选项后，屏幕弹出如图12所示窗口，根据提示输入给定位置量（系统按脉冲个数指定其位置，这里10000个脉冲意味着电机旋转一转，即3600。其范围为-109~109，建议给定值在-100000--100000之间），逐项输入相应参数，然后让电机运行，图形显示框内将显示系统的位置响应曲线。图中：“位置标定”表示图形显示栏内显示位置曲线时，纵轴每格所表示的脉冲个数，一般按位置给定值除以5—6所得数值为宜；“误差标定”表示图形显示栏内显示误差曲线时，纵坐标每格所表示的脉冲数；按动F1--F10键，选择时间轴每格所表示的时间。
图12 定位窗口1
7．退出定位选项，选择“位置”项的显示功能，屏幕弹出如图13所示窗口，标定图形显示参数。图中将显示定位过程中的系统位置θ=f（t）和速度n=f（t）变化曲线。
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图13 定位窗口2
系统随动实验：选择监控软件“位置”选项下的随动功能，显示屏弹出如图14所示窗口，根据提示输入相关参数，电机运行，图形显示框内显示系统响应曲线。“跟踪速度”代表给定的跟踪位置量的变化速度；“积分时间”为电机达到跟踪速度时的积分时间常数；“位置标定”和“误差标定”如前所述，在选择时间轴时间后，电机开始转动。开始时刻电机位于一随机位置，被跟踪位置处于坐标圆点（零位置）；系统启动后，被跟踪位置量按一定斜率（该斜率对应于输入的跟踪速度）在坐标图上向上移动，电机按指定的跟踪速度运行，按动“ESC”键系统将停止随动过程。
图14 随动实验窗口
9. 分别改变位置调节器的前馈系数（改变范围3---4.69）和比例系数（改变范围0.1---0.7），重复上述位置和随动实验，观察并记录其响应过程，考察这些系数对系统性能的影响。（注意位置调节器的积分系数和微分系数在实际系统中并没被使用） （六） 实验报告要求
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1．参考操作及测试面板上绘制的系统控制原理图，详细画出三闭环直流PWM随动系统的工作原理框图，深入分析其工作原理。
2．结合步骤6和步骤9的实验结果，分析位置调节器的比例系数对系统定位快速性和定位精度的影响。此时位置调节器的前馈系数对系统性能有无影响？
3．结合步骤8和步骤9的实验结果，分析位置调节器的比例系数和前馈系数对系统跟踪快速性和跟踪稳态精度的影响。
4．结合实验结果，说明复合控制对随动系统的重要性。
3.4交流电机电压频率协调控制（VVVF）系统实验
（一） 实验目的
通过实验加深了解交—直—交电压型逆变器的工作原理，弄清交流电机V/F协调控制的基本方法，了解相应系统的特点。
（二） 预习要求
1．复习V/F协调控制交—直—交电压型变频调速的有关内容，熟悉其工作原理和V/F控制系统的调速特点。 回答下列问题：
[1] 为什么V/F变频调速系统在转速较高时，其启动转矩和过载能力好，但在低速时，其启动转矩和过载能力差？如何解决？
[2] 对于实验所用的2对极异步电机而言，若电机的给定同步转速分别为30、60、120、180、240、360、480、720、960、1440、1800rpm，则变频调速控制装置产生的三相电压正弦波信号的频率分别应为多少？
（三）实验设备 三相调压器一台
交流电机+直流电机机组一套 实验与开发平台一套 PC机一台
双线示波器一台 转速表一只
灯炮负载一组
（四）实验系统组成原理图 V/F变频实验系统组成及其原理如图
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图15 V/F变频实验系统原理图
15所示，转动三相调压器上的手柄可调节变频调速装置的三相电源输入电压。系统中的交流异步电动机IM以直流电机DM
为其负载，由于直流电机的励磁电压可调，这样可通过调节直流电机输出端所接灯泡的数量或者直流电机的励磁电压以调整交流异步电动机的负载转矩，从而改变交流异步电动机的定子电流大小。V/F变频系统为开环控制系统，因此变频调速控制装置（含在实验与开发平台内）产生的三相正弦电压信号直接决定了变频器输出U、V、W的频率和幅值，实验中可以通过测量该信号绘制V/F控制曲线，而不用测量交流电动机的实际三相电压值。 实验步骤与内容
1．断开电源总开关，检查实验设备的连接线。
2．合上电源总开关，压合“控制电源”键，控制电源指示灯亮。
3．选择操作及测试面板上相关按键的状态。设置“主控微机”键为“MCU”状态、设置“给定方式”键为“数字”状态（若希望由上位计算机发出命令）或“模拟”状态（若给定由面板上模拟电位器设置）、设置“运行模式”键为“V/F”状态、设置“电机选择”键为“IM”状态、设置“运行状态”键为“停止”状态。
4．接通计算机电源，使监控软件进入主菜单。运行控制程序，逆时针旋转三相调压器手柄以保证调压器输出为零，继而合上“主电源”按键，然后将“运行状态”键设置为“运行”状态。注意：任何时候在压合“主电源”之前请务必先将三相调压器输出电压调至0伏，否则有可能烧坏功率管。
用示波器观察三角波信号，记下幅值与频率（如图16所示）
AmTt
图16 三角波信号
在上位机监控软件的V/F菜单栏中，设置给定转速为零值，观察PWM波形观察同一桥臂上下功率管栅极驱动信号P1和P4、
Pa，Pb，Pc 。继而
P3和P6、P5和P2之间的关系，读出它们之间
的死区时间（如图17所示，图中td为死区时间）。
sasatd
图17 同一桥臂上下管栅极驱动信号示意图
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7．在上位机主菜单下选择“V/F”选项，并选择其子菜单“给定”项，按表1输入给定转速。采用示波器观察并记录操作及测试面板上的信号Va、 Vb 、Vc的幅值及频率，并记录到表1中。 表1
给定速度30 60 120 180 240 360 480 720 960 1441800 0 rpm 幅值（伏） 频率HZ 实际转速 rpm 8．断开所有灯泡。顺时针旋转三相调压器手柄使直流母线电压达到期望值（观察操作及测试面板上的电压表指示，不要超过540伏）。使电机分别运行在表1所指定的给定转速下，观察实际电流波形iaf 、ibf 、icf（在直流母线电压很高的情况下，采用示波器测试面板上信号一定要十分小心，一旦短路有可能烧坏功率器件）。采用转速表测量电机的实际转速并记录在表1中。 9．在给定转速分别为500rpm和800rpm（也可由学生自由选择）时，调节励磁电压或者灯泡数量以改变负载大小，将电机实际运行速度（用转速表测量）和对应的实际电流iaf 、ibf 、icf幅值（用示波器观测一相即可）记录下来，录入到表2和表3中。 表2 （500rpm） 实际转速 电流 表3 (800rpm) 实际转速 电流 实验报告要求
参考操作及测试面板上绘制的V/F系统控制原理图，详细画出电压频率协调控制交—直—交电压型变频调速系统（V/F系统）的工作原理框图，深入分析其工作原理，指出该系统的优点和不足之处。
采用表1数据在坐标纸上画出电压/频率（V/F）控制曲线图、电压/转速（V/n）曲线图。分析这类系统在低速时进行电压补偿的必要性。
由表2和表3可以得到什么结论？如何提高这类系统的带负载能力？如何使系统成为无静差系统？
3.5矢量控制交流调速系统实验
（一） 实验目的
通过物理实验，掌握矢量控制原理，熟悉滑差频率型矢量控制变频调速系统的构成及其动静态性能。 预习要求
复习教材中相关内容 回答下问题
[1] 交流电机矢量控制的基本思想是什么？
[2] 滑差频率型矢量控制变频调速系统的基本构成包括那些环节？ （三） 实验设备
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同3.4的实验设备。
（四） 实验系统的组成原理图
矢量控制交流调速实验系统的组成与3.4中V/F控制系统的组成（见图15）基本相同，只是系统中的光电编码盘在此起到作用，该系统中的光电编码盘对电机的实际转速进行检测。 实验步骤与内容
1．断开电源总开关，检查实验设备的连接线。
2．合上电源总开关，压合“控制电源”键，控制电源指示灯亮。
3．选择操作及测试面板上相关按键的状态。设置“主控微机”键为“MCU”状态、设置“给定方式”键为“数字”状态（若希望由上位计算机发出命令）或“模拟”状态（若给定由面板上模拟电位器设置）、设置“运行模式”键为“矢量”状态、设置“电机选择”键为“IM”状态、设置“运行状态”键为“停止”状态。
4．接通计算机电源，使监控程序进入主菜单。运行控制程序，逆时针旋转三相调压器手柄以保证调压器输出为零，继而合上“主电源”按键，然后将“运行状态”键设置为“运行”状态。任何时候在压合“主电源”之前请先将三相调压器输出电压调至0伏，否则有可能烧坏功率管。 5．在上位机监控软件的“速度”菜单栏中，设置给定转速为零值。用示波器观测面板上的三角波信号；给定电流
??i?aibic,,波形；PWM波形
Pa，Pb，Pc ；同一桥臂上下功率管栅极驱动信号
P1和P4、P3和P6、P5和P2波形。并记录这些波形以作分析用。
6．断开所有灯泡。顺时针旋转三相调压器手柄使直流母线电压达到期望值（观察操作及测试面
板上的电压表指示，调至350—450伏即可，不要超过540伏）。监控软件进入主菜单“速度”下的“给定”项，输入一速度给定值（容许范围-1000rpm—1000rpm，例如可取1000rpm、500rpm、10rpm等高、中、低速），电机开始转动。退出“给定”选项，选择 “速度”菜单下的“显示”项，稍等片刻，计算机屏幕显示如图11的窗口，图中左边图形框用来显示转速过渡过程曲线，右边文字框用来输入图形坐标参数。电流标定指图形中能显示的电流最大值（一般设置为10—15），速度标定指图形中能显示的速度最大值（一般设置为速度给定量的1.5倍）；逐项输入相应参数，图形框将显示电动机启动时的过渡过程曲线。请记录该响应曲线，并根据所显示的曲线估算速度超调量、上升时间和稳态误差为5%时的过度过程时间。在电机运行于某一稳定转速情况下，输入速度给定值为“0”，电机将停止转动，在速度“显示”菜单下可观察到制动过程，请记录制动时间及制动波形。
7．稳态电流和转速观察：让电机在不同转速给定下运行，通过示波器观察电机实际电流波形
iaf、
ibf、
icf，并记录这些电流波形的幅值和频率（在直流母线电压很高的情况下，采用示波器测试
面板上信号一定要十分小心，一旦短路有可能烧坏功率器件）；采用转速表测量电机的实际转速，并与给定转速比较。
8．加载实验：给直流电机施加励磁电源，通过切换灯炮数量以改变交流电机的负载。重复上面步骤7，选择“速度”菜单下的“显示”选项，在上位机屏幕上观察系统的起制动变化过程。同时，通过示波器观察电机实际电流波形
iaf、
ibf、
icf，并记录这些电流波形的幅值和频率（在直
流母线电压很高的情况下，采用示波器测试面板上信号一定要十分小心，一旦短路有可能烧坏功率器件）；采用转速表测量电机的实际转速，并与给定转速比较。
9．调节器参数实验：逆时针旋转三相调压器手柄以使调压器输出为零后，在上位机监控软件的“参数”菜单栏中，改变速度调节器的比例系数（注意调整范围为1.0—4.0，初始固化值为2.8）
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或积分系数（注意调整范围为0—0.4, 初始固化值为0.07）。待参数修改完毕，再顺时针旋转三相调压器手柄使直流母线电压达到期望值（观察操作及测试面板上的电压表指示），重复上面步骤6的实验，对比分析速度调节器参数对系统性能的影响。 （六） 实验报告要求
1．参考操作及测试面板上绘制的滑差频率矢量控制变频调速系统的控制原理图，详细画出这类系统的控制原理框图，深入分析其工作原理，并与3.4中的V/F系统作比较，说明该系统的特点。 2．在步骤5的实验中，既然转速给定为零，但给定电流
i?a、
i?b、
i?c为什么会是正弦变化的？
3．整理光电编码盘输出A、B信号的波形，分析其检测速度的原理。
4．整理步骤7的实验曲线和数据，说明这种矢量控制系统的动静态性能特点。
5．对比步骤7和步骤8的实验结果可知，在相同转速给定下，电机实际电流的幅值不一样，其原因是什么？电机实际电流的幅值主要由什么因素确定？
6．由步骤7和步骤8的实验结果可知，这种变频调速系统可获得无速度静差，分析其原因。 7．在步骤9的实验结果基础上，分析速度调节器参数对系统动静态性能的影响。 8．操作及测试面板上的电流调节采用了大比例调节器，它的作用是什么？
3.6矢量控制交流随动系统实验
（一）实验目的
通过实验，掌握交流随动系统构成原理及其控制方法，考察交流随动系统的跟随性能。 （二） 预习要求
1．复习教材中相关内容 2．回答下问题
[1] 随动系统与调速系统有何区别？
[2] 随动系统对功率装置和它的检测传感器有何要求？ [3] 复合控制有什么作用？ （三） 实验设备 同3.4的实验设备。
（四） 实验系统的组成原理图 如3.4中所示。 实验步骤与内容
1．断开电源总开关，检查实验设备的连接线。
2．合上电源总开关，压合“控制电源”键，控制电源指示灯亮。
3．选择操作及测试面板上相关按键的状态。设置“主控微机”键为“MCU”状态、设置“给定方式”键为“数字”状态、设置“运行模式”键为“矢量”状态、设置“电机选择”键为“IM”状态、设置“运行状态”键为“停止”状态。
4．接通计算机电源，使监控程序进入主菜单。运行控制程序，逆时针旋转三相调压器手柄以保证调压器输出为零，继而合上“主电源”按键，然后将“运行状态”键设置为“运行”状态。注意：任何时候在压合“主电源”之前请务必先将三相调压器输出电压调至0伏，否则有可能烧坏功率管。
5．断开所有灯泡。顺时针旋转三相调压器手柄使直流母线电压达到期望值（观察操作及测试面板上的电压表指示，调至350—450伏即可，不要超过540伏）。选择监控软件“位置”菜单下的“定位”选项后，屏幕弹出如图13所示窗口，根据提示输入给定位置量（系统按脉冲个数指定其位置，这里10000个脉冲意味着电机旋转一转，即3600。其范围为-109~109，建议给定值在
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-100000--100000之间），逐项输入相应参数，然后让电机运行，图形显示框内将显示系统的位置响应曲线。图中：“位置标定”表示图形显示栏内显示位置曲线时，纵轴每格所表示的脉冲个数，一般按位置给定值除以5—6所得数值为宜；“误差标定”表示图形显示栏内显示误差曲线时，纵坐标每格所表示的脉冲数；按动F1--F10键，选择时间轴每格所表示的时间。
6．退出定位选项，选择“位置”项的显示功能，屏幕弹出如图14所示窗口，标定图形显示参数。图中将显示定位过程中的系统位置θ=f（t）和速度n=f（t）变化曲线。
系统随动实验：选择监控软件“位置”选项下的随动功能，显示屏弹出如图14所示窗口，根据提示输入相关参数，电机运行，图形显示框内显示系统响应曲线。“跟踪速度”代表给定的跟踪位置量的变化速度；“积分时间”为电机达到跟踪速度时的积分时间常数；“位置标定”和“误差标定”如前所述，在选择时间轴时间后，电机开始转动。开始时刻电机位于一随机位置，被跟踪位置处于坐标圆点（零位置）；系统启动后，被跟踪位置量按一定斜率（该斜率对应于输入的跟踪速度）在坐标图上向上移动，电机按指定的跟踪速度运行，按动“ESC”键系统将停止随动过程。
8. 分别改变位置调节器的前馈系数（改变范围3---4.69）和比例系数（改变范围0.1---0.7），重复上述位置和随动实验，观察并记录其响应过程，考察这些系数对系统性能的影响。（注意位置调节器的积分系数和微分系数在本系统中并没被使用） （六） 实验报告要求
1．参考操作及测试面板上绘制的系统控制原理图，详细画出滑差频率矢量控制交流随动系统的工作原理框图，深入分析其工作原理。
2．结合步骤5和步骤8的实验结果，分析位置调节器的比例系数对系统定位快速性和定位精度的影响。此时位置调节器的前馈系数对系统性能有无影响？
3．结合步骤7和步骤8的实验结果，分析位置调节器的比例系数和前馈系数对系统跟踪快速性和跟踪稳态精度的影响。
4．结合实验结果，说明复合控制对随动系统的重要性。 5．比较直流随动系统和交流随动系统的异同点。
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四、附件
4.1实验系统接线图
实验与开发平台背面总共有五个插座。说明如下： 针式DB9计算机插座：用于与上位计算机通信。
孔式DB15计算机插座：采用ISA卡开发时使用，否则不用。 孔式DB9计算机插座：光电编码盘输入口。 八孔航空插座：电机连接线。 十孔航空插座：电源连接线。
3.2和3.3实验连接线如下：
连接好计算机通信线（即将上位计算机通信接口线插入针式DB9计算机插座）；连接好光电编码盘线（即将码盘线插入到孔式DB9计算机插座）。
将对应的十孔航空插座线插入到十孔航空插座。注意十孔航空插座线的具体接线，标号A、B、C的长线连接到电网的火线上，标号“0”的长线连接到电网的零线上；标号A、B、C的短线连接到调压器的输入端，标号a、b、c的电线连接到调压器的输出端。
将对应的八孔航空插座线插入到八孔航空插座。注意八孔航空插座线的具体接线，标号U、V的电线连接到直流电机的电枢两端（即直流电机接线端子H1、H2）；标号B1、B2的电线连接到直流电机的励磁两端（即直流电机接线端子B1、B2）；标号“地”的电线连接到大地上（若无大地端可连，则悬空该线）。标号W、A1、A2的电线悬空（用绝缘胶布分别包裹各电线端，以避免短路）。
3.4、3.5和3.6实验连接线如下：
连接好计算机通信线（即将上位计算机通信接口线插入针式DB9计算机插座）；连接好光电编码盘线（即将码盘线插入到孔式DB9计算机插座）。
将对应的十孔航空插座线插入到十孔航空插座。注意十孔航空插座线的具体接线，标号A、B、C的长线连接到电网的火线上，标号“0”的长线连接到电网的零线上；标号A、B、C的短线连接到调压器的输入端，标号a、b、c的电线连接到调压器的输出端。
将对应的八孔航空插座线插入到八孔航空插座。注意八孔航空插座线的具体接线，标号U、V、W的电线连接到交流电机的定子输入端，即交流电机接线端子U1、V1、W1（交流电机其它的接线端子U2、V2、W2相互短接）；标号B1、B2的电线连接到直流电机的励磁两端（即直流电机接线端子B1、B2）；标号A1、A2的电线连接到直流电机的电枢两端（即直流电机接线端子H1、H2）；标号“地”的电线连接到大地上（若无大地端可连，则悬空该线）。
基于ISA卡开发时的连接线如下：
连接好计算机通信线（即将上位计算机通信接口线插入针式DB9计算机插座）；连接好ISA卡与平台间的连接线(即连接线一端的DB15插入ISA卡上；另一端（含DB15和DB9两个插头）的DB15插入平台的DB15上，插头DB9直接与码盘输出线相连接)。
若对直流电机进行开发实验，其他连接线（即十孔航空插座线和八孔航空插座线）与上面3.2和3.3实验连接线相同。
若对交流电机进行开发实验，其他连接线（即十孔航空插座线和八孔航空插座线）与上面3.4、
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3.5和3.6实验连接线相同。
4.2实验系统原理图
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