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1、控制电机及应用实验指导书(实验地点：技术中心A楼7楼)上海电机学院电气学院2014-10-20实验目录一 旋转变压器实验 1二力矩式自整角机实验7三 控制式自整角机参数的测定12三直流伺服电动机实验15四交流伺服电动机实验20一 旋转变压器旋转变压器是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。当激磁绕组以一定频率的交流电激励时，输出绕组的电压可与转角的正弦、余弦成函数关系，或在一定范围内可以成线性关系。它广泛用于自动控制系统中的三角运算、传输角度数据等，也可以作为移相器用。 一、使用说明HK54旋转变压器实验装置由旋转变压器中频电源和旋转变压器实验仪两部分组成。(一) 实验仪1、旋转变压器技术指标
2、型 号：36XZ20-5电压比：0.56电 压： 60V频 率：400Hz激励方：定子空载阻抗；2000绝缘电阻：100M精 度： 1级 2、刻度盘1） 本装置将旋转变压器转轴与刻度盘固紧连接，使用时旋转刻度盘手柄即可完成转轴旋转。2）刻度盘上的分尺有20小格刻度线，每小格为3，转角按游标尺读数。 3）将固紧滚花螺母拧松后，便可轻松旋转刻度盘（不允许用力向外拉，以防轴头变形）。需固定刻度盘时，可旋紧滚花螺母。 3、接线柱本装置将旋转变压器的引线端与接线柱一一对应连接，使用时根据实验接线图用手枪插头（或鳄鱼夹），将接线柱连结即可完成实验要求。(二) 中频电源1、技术参数波 形：正弦波频 率：40
3、0Hz5Hz电 压：070V失真度：1%负 载：36XZ20-5旋转变压器2、电原理框图二、正余弦旋转变压器实验 （一）实验目的 1、研究测定正余弦旋转变压器的空载输出特性和负载输出特性。 2、研究测定二次侧补偿、一次侧补偿的正余弦旋转变压器的输出特性。 3、了解正余弦旋转变压器的几种应用情况。 （二）预习要点 1、正余弦旋转变压器的工作原理。 2、正余弦旋转变压器的主要特性及其实验方法。 （三）实验项目 1、测定正余弦旋转变压器的空载时的输出特性 2、测定负载对输出特性的影响 3、二次侧补偿后负载时的输出特性 4、一次侧补偿后负载时的输出特性 5、正余弦旋转变压器作线性应用时的接线图 （四）
4、实验方法 1、实验设备序号型 号名 称数 量1HK01电源控制屏1件2HK02实验桌1件3HK56旋转变压器中频电源4XSZ-1旋转变压器实验装置1件 2、屏上挂件排列顺序 HK563、测定正余弦旋转变压器空载时的输出特性图1-1 正余弦旋转变压器空载及负载实验接线图 1）按图1-1接线。图中RL均用屏上900串联90共990阻值。D1、D2为激磁绕组，Z1、Z2为余弦绕组。 2）定子励磁绕组两端D1、D2施加额定电压UfN（60V、400Hz）且保持不变。 3）用手缓慢旋转刻度盘，找出余弦输出绕组输出电压为最小值的位置，此位置即为起始零位。 4）在0-180间每转角20测量转子余弦空载输出电
5、压Ur0与刻度盘转角的数值。并记录于表1-1中。 表1-1 UfN=60V(deg)02040608090UrL(V)(deg)100120140160180UrL(V) 4、测定负载对输出特性影响 1）在图1-1中，开关S3闭合，使正余弦旋转变压器带负载电阻RL运行。 2）重复实验方法3中2）、3）、4）的步骤，记录余弦负载输出电压UrL与转角的数值并记录于表1-2中。 表1-2 UfN=60V(deg)02040608090UrL(V)(deg)100120140160180UrL(V) 5、测量二次侧补偿后负载时的输出特性1） 在图1-2中，闭合S0接通负载电阻RL，且使二次侧正弦输出绕
6、组端Z3、Z4经补偿电阻R闭合。图1-2二次侧补偿后负载时的输出特性接线图2）重复实验方法3中2）、3）、4）的步骤，记录余弦负载输出电压UrL与转角的数值并记录于表1-3中。实验时注意一次侧输出电流的变化。表1-3 UfN=60V(deg)02040608090UrL(V) (deg)100120140160180UrL(V) 6、测量一次侧补偿后负载时输出特性1） 在图1-3中，开关S3闭合接通负载电阻RL同时把一次侧接成补偿电路。图1-3一次侧补偿后负载时输出特性接线图 2）重复实验方法3中2）、3）、4）的步骤，记录余弦负载输出电压UrL与转角的数值并记录于表1-4中。表1-4 UfN
7、=60V(deg)02040608090UrL(V) (deg)100120140160180UrL(V) 7、正余弦旋转变压器作线性应用时的接线图 图1-4 正余弦旋转变压器作线性应用时的接线图 1）按图1-4接线。图中RL用屏上900串联90共990阻值。2） 重复实验方法3中2）、3）和4）的步骤，在-60至60间，每转角10记录输出电压Ur与转角的数值并记录于表中。表1-5 UfN=60V(deg)-60-50-40-30-20-100Ur (V) (deg)102030405060Ur (V) 五、实验报告 1、根据表1-1的实验记录数据，绘制正余弦旋转变压器空载时输出电压Ur0与转
8、子转角的关系曲线，即Ur0=f（）。 2、根据表1-2的实验记录数据，绘制负载时输出电压UrL与转子转角的关系曲线，即UrL=f（）。 3、根据表1-3的实验记录数据，绘制二次侧补偿后负载时输出电压UrL与转子转角的关系曲线，即UrL=f（）。4、根据表1-4的实验记录数据，绘制一次侧补偿后负载时输出电压UrL与转子转角的关系曲线，即UrL=f（）。5、根据表1-5的实验记录数据，绘制正余弦旋转变压器作线性应用时输出电压Ur与转子转角的关系曲线，即Ur=f（）。 注：要保持电压不变,可将转角固定,微调旋钮。 六、思考题1、试分析旋转变压器一、二次侧补偿的原理。2、试分析正余弦旋转变压器作线性变
9、压器的原理。二 力矩式自整角机自整角机是一种对角位移或角速度的偏差有自整步能力的控制电机，他广泛用于显示装置和随动系统中，使机械上互不相连的两根或多根转轴能自动保持相同的转角变化或同步旋转，在系统中通常是两台或多台自整角机组合使用。产生信号的一方称发送机，接收信号的一方称为接收机。使用说明：1、自整角机技术参数发送机型号 BD-404A-2 接收机型号 BS-404A 激磁电压 220V5% 激磁电流 0.2A 次级电压 49V 频率 50HZ2、发送机的刻度盘及接收机的指针调准在特定位置的方法旋松电机轴头螺母，拧紧电机后轴头，旋转刻度盘（或手拨指针圆盘）至某要求的刻度值位置，保持该电机转轴位
10、置并旋紧轴头螺母。3、接线柱的使用方法本装置将自整角机的五个输出端分别与接线柱对应相连，激磁绕组用L1、L2（L1、L2）表示；次级绕组用T1、T2、T3、（T1、T2、T3）表示。使用时根据实验接线图要求用手枪插头线分别将接线柱连结，即可完成实验要求。（注：电源线、连接导线出厂配套）。4、发送机的刻度盘上边和接收机的指针两端均有20小格的刻度线，每一小格为3，转角按游标尺方法读数。5、接收机的指针圆盘直径为4cm，测量静态整步转矩=砝码重力圆盘半径=砝码重力2cm。6、将固紧滚花螺钉拧松后，便可用手柄轻巧旋转发送机的刻度盘（不允许用力向外拉，以防轴头变形）。如需固定刻度盘在某刻度值位置不动，
11、可用手旋紧滚花螺钉。7、需吊砝码实验时，将串有砝码勾的线端在指针小圆盘的小孔上，将线绕过小圆盘上边凹槽，在砝码勾上吊砝码即可。8、每套自整角机实验装置中的发送机、接收机均应配套，按同一编号配套。9、自整角机变压器用力矩式自整角接收机代用。10、需要测试激磁绕组的信号，在该部件的电源插座上插上激磁绕组测试线即可。（一）、实验目的1、了解力矩式自整角机精度和特性的测定方法2、掌握力矩式自整角机系统的工作原理和应用知识（二）、预习要点1、力矩式自整角机的工作原理2、力矩式自整角机精度与特性测试方法3、力矩式自整角机比整步转矩的测量方法（三）、实验项目1、测定力矩式自整角发送机的零位误差。2、测定力矩
12、式自整角机静态整步转矩与失调角的关系曲线。3、测定力矩式自整角比整步转矩（又称比力矩）及阻尼时间。4、测定力矩式自整角机的静态误差。（四）、实验方法1、实验设备序号型 号名 称数 量备 注1HK01电源控制屏1件2HK02实验桌1件3ZSZ-1自整角机实验装置1件圆盘半径为2cm2、测定力矩式自整角发送机的零位误差1）按图2-1接线。励磁绕组L1、L2接额定激励电压UN（220V），整步绕组T2T3端接电压表。2）旋转刻度盘，找出输出电压为最小的位置作为基准电气零位。图2-1 测定力矩式自整角机零位误差接线图3）整步绕组三线间共有六个零位，刻度盘转过60o，即有两线端输出电压为最小值。4）实测
13、整步绕组三线间6个输出电压为最小值的相应位置角度与电气角度，即T1、T2接电压表，测的两个位置角；T2、T3接电压表，测的两个位置角；T3、T1接电压表，测的两个位置角，记录数据于表2-1中。表2-1理论上应转角度基准电气零位+180 o+60 o+240 o+120 o+300 o刻度盘实际转角误 差注意：机械角度超前为正误差，滞后为负误差，正负最大误差绝对值之和的一半，此误差值即为发送机的零位误差，以角分表示。2、测定力矩式自整角机静态整步转矩与失调角的关系T=f（）图2-2 力矩式自整角机实验接线图1）确保断电情况下，按图2-2接线。2）将发送机和接收机的励磁绕组加额定激励电压220V，
14、待稳定后，发送机和接收机均调整到0 o位置。固紧发送机刻度盘在该位置。3）在接收机的指针圆盘上吊砝码，记录砝码重量以及接收机转轴偏转角度。改换不同重量的砝码在偏转角从零至90 o之间取79组数据并记录于表2-2中。表2-2T（gf.cm）（deg）注意：（1）实验完毕后，应先取下砝码，再断开励磁电源。 （2）表中T=GR 式中G砝码重量（gf）；R圆盘半径2cm3、测定力矩式自整角机的静态误差jt 1）接线图仍按图2-2。2）发送机和接收机的励磁绕组加额定电压220V，发送机的刻度盘不固紧，并将发送机和接收机均调整到0 o位置。3）缓慢旋转发送机刻度盘，每转过20 o，读取接收机实际转过的角度
15、并记录于表2-3中。表2-3发送机转角0 o20 o40 o60 o80 o100 o120 o140 o160 o180 o接收机转角误 差注意：接收机转角超前为正误差，滞后为负误差，正、负最大误差值之和的一半为力矩式接收机的静态误差。4、测定力矩式自整角机的比整步转矩T（1）比整步转矩是指在力矩式自整角机系统中，在协调位置附近，单位失调角所产生的整步转矩称为力矩式自整角机的比整步转矩。（2）测定接收机的比整步转矩时，可按图2-2接线，在励磁绕组L1L2两端上施加额定电压，在指针圆盘上加砝码，使指针偏转5 o左右，测得整步转矩。（3）实验在正、反两个方向各测一次，两次测量的平均值应符合标准规
16、定。将数据记录于表2-4中。表2-4方向G(gf)(deg)T=GR(gf.cm)T=T/2(gf.cm)正向反向比整步转矩T按下式计算： T=T/2式中T=GR整步转矩，单位为（gf.cm）克厘米 指针偏转的角度，单位为（deg）度 G砝码重量，单位为（g） R轮盘半径，为2（cm）5、阻尼时间的测定（1）阻尼时间tm是指在力矩式自整角系统中，接收机自失调位置至协调位置，达到稳定状态所需时间。测定阻尼时间可按图3-3接线。（2）将发送机和接收机的励磁绕组加上额定电压，使发送机的刻度盘和接收机的指针指在0 o位置并固紧发送机的刻度盘在该位置。旋转接收机指针圆盘使系统失调角为177 o，然后松手
17、使接收机趋向平衡位置。图2-3 测定力矩式自整角机阻尼时间接线图。（五）、实验报告1、根据实验结果，求出被试力矩式自整角发送机的零位误差。2、作出静态整步转矩与失调角的关系曲线T=f（）。3、实测比整步转矩和接收机的阻尼时间数值为多少？4、求出被试力矩式自整角机的静态误差jt。三 控制式自整角机参数的测定（一）、实验目的1、通过实验测定控制式自整角机的主要技术参数2、掌握控制式自整角机的工作原理和运行特性（二）、预习要点1、控制式自整角机的工作原理和运行特性2、控制式自整角机的主要技术指标（三）、实验项目1、测自整角变压器输出电压与失调角的关系U2=f（）2、测定比电压U和零位电压U0（四）、
18、实验方法1、实验设备序号型 号名 称数 量备 注1HK01电源控制屏1件2HK02实验桌1件3ZSZ-1自整角机实验装置1件圆盘半径为2cm2、测定控制式自整角变压器输出电压与失调角的关系U2=f（）1）按图3-1接线。发送机加额定电压，旋转发送机刻度盘至0o位置并固紧。2）用手缓慢旋转自整角变压器的指针圆盘，接在L1、L2两端的数字电压表就有相应读数，找到输出电压为最小值的位置，即为起始零点。3）然后，用手缓慢旋转自整角变压器的指针圆盘，在指针每转过10 o时测量一次自整角变压器的输出电压U2。测取各点U2及值并记录于表3-1中。表3-1角度(deg)0 o10 o20 o30 o40 o5
19、0 o60 o70 o80 o90 o电压U2(V)角度(deg)100 o110 o120 o130 o140 o150 o160 o170 o180 o电压U2(V)图3-1 控制式自整角机实验接线图2、测定比电压U比电压是指自整角变压器在失调角为1o时的输出电压，单位为v/deg。在刚才测定控制式自整角变压器输出电压与失调角关系的实验时，用手缓慢旋转自转角变压器的指针圆盘，使指针转过起始零点5 o，在这位置记录自整角变压器的输出电压U2值，计算失调角为1 o时的输出电压。3、测定零位电压U01）按图3-2接线。调压器输出电压为最小位置，绕组T2、T3两端点短接。图3-2 测定控制式自整角
20、机零位电压接线图2）合上交流电源，缓慢调节调压器使输出电压为49V，并保持不变。3）用手缓慢旋转指针圆盘，找出控制式自整角机输出电压为最小的位置，即为基准电气零位。指针转过180 o，仍找出零位电压位置。4）同样方法，改接绕组（使T1、T3短接，T1、T2短接），找出零位电压位置，测量六个位置的零位电压值并记录于表3-2中。表3-2绕组接法T1-T2T3T2-T1T3T3-T1T2理论零位电压位置0 o180 o60 o240 o120 o300 o实际刻度值零位电压大小（五）、实验报告1、作自整角变压器的输出电压与失调角的关系曲线U2=f（）。2、该自整角变压器的比电压为多少？3、被测试自整
21、角变压器的零位电压数值为多少？四 直流伺服电动机 （一）实验目的 1、通过实验测出直流伺服电动机的参数ra、Ke、KT。 2、掌握直流伺服电动机的机械特性和调节特性的测量方法。 （二）预习要点 1、分析掌握直流伺服电动机的运行原理。 2、如何测量直流伺服电动机的机电时间常数，并求传递函数。 （三）实验项目 1、测直流伺服电动机的电枢电阻。 2、测直流伺服电动机的机械特性T=f（n）。 3、测直流伺服电动机的调节特性n=f（Ua）。 4、测定空载始动电压和检查空载转速的不稳定性。 5、测量直流伺服电动机的机电时间常数。 （四）实验方法 1、实验设备序号型 号名 称数 量备 注1HK01电源控制屏
22、1件2HK02实验桌1件3HK03涡流测功系统导轨1件4DJ25直流电动机1件9记忆示波器1件自 备 2、用伏安法测直流伺服电动机电枢的直流电阻 图4-1测电枢绕组直流电阻接线图 (1) 按图4-1接线，电阻R用屏上900和900串联共1800阻值。 (2) 经检查无误后接通可调直流电源，并调至220V，合上开关S，调节R使电枢电流达到0.2A，迅速测取电机电枢两端电压U和电流I，再将电机轴分别旋转三分之一周和三分之二周。同样测取U、I，记录于表4-1中，取三次的平均值作为实际冷态电阻。 表4-1序号U（V）I（A）Ra（）Raref（） (3) 计算基准工作温度时的电枢电阻 由实验直接测得电
23、枢绕组电阻值，此值为实际冷态电阻值，冷态温度为室温，按下式换算到基准工作温度时的电枢绕组电阻值。 式中： Raref换算到基准工作温度时电枢绕组电阻，（） Ra电枢绕组的实际冷态电阻，（） ref基准工作温度，对于E级绝缘为75 a实际冷态时电枢绕组温度，（） 4、测取直流伺服电动机的机械特性 图4-2 直流伺服电动机接线图(1) 按图4-2接线，图中Rf2选用屏上1800阻值，开关S选用D51， A1、A2选用毫安表、安培表。 (2)把Rf1调至最小，先接通励磁电源，再接通可调直流电源并调至220V。 (3) 合上开关S，调节涡流测功机给电机加载。调节Rf2阻值，使n=nN=1600r/mi
24、n，Ia=IN=0.8A，U=UN=220V，此时电机励磁电流为额定励磁电流。 (4) 保持此额定励磁电流不变，逐渐减载，从额定负载到空载（断开开关S），测取其机械特性n=f（T），记录n、Ia、T 7-8组于表4-2中。表4-2 U=UN=220V If=IfN= mAn(r/min)Ia(A)T(N.m) (5) 调节可调直流电源电压为U=160V，调节Rf1，保持电动机励磁电流的额定电流If=IfN，调节涡流测功机使Ia=1A，再调节涡流测功机一直到空载，其间记录7-8组于表4-3中。表4-3 U=160V If=IfN= mAn(r/min)Ia(A)T(N.m) (6) 调节可调直流
25、电源电压为U=110V，调节Rf1，保持电动机励磁电流的额定电流If=IfN，调节涡流测功机使Ia=0.8A，再调节涡流测功机一直到空载，其间记录7-8组于表4-4中。表4-4 U=110V If=IfN= mAn(r/min)Ia(A)T(N.m) 5、测取直流伺服电动机的调节特性 （1） 按4中（1）、（2）、（3）步骤起动电动机，保持If=IfN不变。调节负载使电动机输出转矩为额定输出转矩并保持不变，调节直流伺服电动机电枢电压（注：单方向调节控制屏上旋钮）测取直流伺服电动机的调节特性n=f(U),直到n=100r/min记录7-8组于表4-5中表4-5 If=IfN= mA T=TN =
26、 N.mUa（V）n(r/min)（2）保持电动机输出转矩T=0.5TN，重复以上实验，记录7-8组数据于表4-6中。表4-6 If=IfN= mA T=0.5TN = N.mUa（V）n(r/min)（3）保持电动机输出转矩T=0，调节直流伺服电动机电枢电压，直至n=0r/min，其间取7-8组数据记录于表4-7中。表4-7 If=IfN= mA T=0Ua（V）n(r/min)6、测定空载始动电压和检查空载转速的不稳定性（1） 空载始动电压 按5、（3）步骤起动电机，把电枢电压调至最小后，直至n=0r/min，再慢慢增大电枢电压，使电枢电压从零缓慢上升，直至转速开始连续转动，此时的电压即为
27、空载始动电压。（2）正、反向各作三次，取其平均值作为该电机始动电压，将数据记录于表4-8中。表4-8 If=IfN= mA T=0 次 数123平均正向Ua（V）反向Ua（V）（3）正（反）转空载转速的不对称性 注：正（反）转空载转速的不对称性应3%7、测量直流伺服电动机的机电时间常数按图4-2中右半边接线，直流伺服电动机加额定励磁电流，用记忆示波器拍摄直流伺服电动机空载启动时的电流过渡过程，从而求得电动机的机电时间常数。（五）实验报告 1、由实验数据求得电机参数：Raref、Ke、KTRaref直流伺服电动机的电枢电阻电势常数 转矩常数2、由实验数据作出直流伺服电动机的三条机械特性和三条调节
28、特性曲线。3、求该直流伺服电动机的传递函数。 （六）思考题 1、转矩常数KT的计算现采用 ，而没有采用公式 来求取，这是为什么。用这两种方法所得之值是否相同，有差别时其原因是什么？2、若直流伺服电动机正（反）转速有差别，试分析其原因？五 交流伺服电动机伺服电动机在自动控制系统中作为执行元件又称为执行电动机，它把输入的控制电压信号变为输出的角位移或角速度。它的运行状态由控制信号控制，加上控制信号它应当立即旋转，去掉控制电压它应当立即停转，转速高低与控制信号成正比。（一）实验目的 1、观察交流伺服电动机的自制动过程2、掌握交流伺服电动机的机械特性及调节特性的测量方法（二）预习要点1、对交流伺服电动
29、机有什么技术要求？2、交流伺服电动机有几种控制方式？3、何谓交流伺服电动机的机械特性和调节特性？（三）实验项目1、测交流伺服电动机幅值控制时的机械特性和调节特性2、测交流伺服电动机幅值相位控制时的机械特性3、观察自转现象（四）实验方法1、实验设备序号型 号名 称数 量备 注1HK01电源控制屏1件2HK02实验桌1件3HK03涡流测功系统导轨1件4HK57交流伺服电机控制箱1件5HK57交流伺服电机1件2、屏上挂件排列顺序3、幅值控制1）实测交流伺服电动机=1（即UC=UN=220V）时的机械特性（1） 关断三相交流电源，按图5-1接线。图中T1选用HK57挂件，T2选用HK01挂件（2） 启
30、动三相交流电源，使Uf=220V，调节三相调压器T2使UC=UN=220V。（3） 调节涡流测功机，将力矩T及电机转速记录于表5-1中。表5-1 Uf= V UC= V序 号T=（N.cm）n（r/min）2）实测交流伺服电动机=0.75（即UC=0.75UN=165V）时的机械特性（1）保持Uf=220V不变，调节三相调压器T2使UC=0.75UN=165V。 （2）重复上述步骤，将所测数据记录于表5-2中。表5-2 Uf = V UC= V序 号T（N.cm）n（r/min）3）实测交流伺服电动机的调节特性（1）调节三相调压器使Uf=220V，电机空载。逐次调节三相调压器T2。使控制电压U
31、C从220V逐次减小直到0V。（2）将每次所测的控制电压UC与电动机转速n记录于表5-3中。表5-3 Uf=220VU（V）n（r/min）图5-1交流伺服电动机幅值控制接线图4、幅值相位控制1）实测交流伺服电机U1=127V，=1（即UC=UN=220V）时的机械特性。（1）关断三相交流电源，按图5-2接线。图中T1、C选用HK57挂件。（2）调节三相调压器T2使UC=UN=220V。调节测功机手柄逐次增大力矩。（3）记录电机从空载至堵转时电机的转矩及转速于表5-4中。表5-4 Uf= V UC= V序 号T（N.cm）n（r/min）2）实测交流伺服电机U1=127V，=0.75（即UC=
32、0.75UN=165V）时的机械特性。（1）调节三相交流电源和单相调压器使UC=0.75UN=165V，重复上面实验，将数据记录于表5-5中。表5-5 Uf= V UC= V序 号T（N.cm）n（r/min）图5-2 交流伺服电动机幅值相位控制接线图5、观察交流伺服电动机“自转”现象1）接线图同5-1一样，调节调压器使U1=127V，UC=220V，再将UC开路，观察电机有无“自转”现象。2）接线图同5-1一样，调节调压器使U1 =127V，UC=220V，再将UC调到0V，观察电机有无“自转”现象。（五）实验报告1、作交流伺服电动机幅值控制时的机械特性和调节特性2、作交流伺服电动机幅值相位控制时的机械特性3、分析实验数据及实验过程中发生的现象（六）思考题1、分析无“自转”现象的原因？怎样消除“自转”现象？2、幅值相位控制时的交流伺服电动机，什么条件下电机气隙磁场为圆形磁场？其理想空载转速是多大？
