机电传动控制实验指导书

1、电机与设备电气控制实验指导书电机与设备电气控制是机械电子工程专业一门重要的专业技术基础 课。它从机电一体化技术的需要出发，综合了电机、控制器、电力拖动等 多项强电教学内容于一体。其课程内容主要包括：常用交直流电机和控制 电机的工作原理、特性及其应用；典型生产机械常用的低压电器工作原理、 图形符号及选用，典型设备的电气控制线路分析和设计等。通过本课程的 教学，使学生了解电机与设备电气控制的一般原理和基础知识，掌握分析、 设计和使用电气控制系统和装置、器件的基本技能，获得工程师必备的知 识储备和技能训练。由于这些教学内容实践性较强，所以必须加强实践教 学环节。为此，需开设必要的实验。本课程开设的实

2、验有：一：直流电动机性能实验二：三相异步电动机性能实验三：步进电动机控制实验四：LD4-C6132数控刀架继电器控制系统实验五：三相异步电动机的正反转实验六：典型设备的电气控制电路实验实验一：直流电动机性能实验一、实验目的：1、掌握直流电动机的起动和反向方法2、掌握直流电动机的机械特性曲线n f T3、掌握直流电动机的调速方法二、实验设备被测试直流电动机（M ）一.台直流发电机（G）一台（M与G机械相连，G是M的负载）起动电阻Rq励磁电阻Re发电机负载电阻Rl直流电流表A， A， Ag三只直流电压表Va，Vg两只转速表一只三、实验接线图四、实验步骤1、起动实验：（1 ）首先将励磁电阻Re调到最

3、小（Re 0 ）处，使If最大，即在满磁通下起动;（2 ）再将起动电阻Rq调到最大；（3）然后电源合闸，注意观察电动机起动时的冲击电流；（4 ）待电机转动后逐渐减小起动电阻 Rq，使电动机起动起来。注意：起动时必须在全磁通下，且起动电阻 Rq应足够大以免起动电流过大产生换 向火花而烧坏电机整流子。2、电机反转实验：（1）切换电枢电源，将电枢两端电源进线互调再重新按起动方法起动电机，观察 电机转向是否发生改变。（2）切换励磁电源，将励关绕组两端电源接线互调，再重新按起动方法起动电机。 观察电机转向是否发生改变。3、求取电动机的机械特性曲线（1 ）按起动方法，将电动机起动，再将起动电阻 Rq从最大

4、调节到零位。（2 ）反复调节励磁电阻Re和发电机负载电阻Rl，使电动机的电枢电流为额定电流I n和电动机转速为额定转速nN，这就是电动机的额定工作点。（3 ）固定Re不变，调节负载电阻Rl，使电动机电枢电流la 1.2I N。（4 ）从la1.21 N开始，逐渐增大负载电阻Rl，使电动机电枢电流逐渐减小，每次记录电动机的电枢电流，电枢电压Ua不变，转速n，以及发电机的输出电压Ug和Ig 直到Rl断开空载状态，这时la Io （ Io为空载电流）。作46组数据，并记录下表。表1-1负载实验数据表实验数据计算数据UaIanUgI GPgP2T1.2InI N0.8I N0.51 n0.31 nla

5、 1。其中：发电机输出功率Pg : Pg UgIg发电机的效率 ：0.854、电枢回路串电阻调速实验：(1 )按起动方法，重新起动电动机后，使Rq从最大调节到0,并找到额定工作点；(2 )找到额定工作点后，固定Re和Rl，逐渐增大Rq ；1(3) 测量电动机转速n和对应的电枢电压Ua，直到转速下降到n -nN为止。作537组数据，并记录下表。表1-2电枢回路串电阻测量数据表电机转速n电枢端电压Ua5、改变励磁电流调速(弱磁调速)(1 )按起动方法，重新起动电动机后，使使 Rq从最大调节到0，并找到额定工作(2)找到额定工作点后，固定Rl，增大励磁电阻Re使I f减小，测量If和n ,作5电动机

6、输出功率P2PgUgIg电动机的转矩T: T9550P2n7组数据，并记录下表。表1-3改变励磁电流调速数据表电机转速n励磁电流1 f注意：限制电枢电流la 1.21 n限制电机转速n 1.3nN ；要求做实验要快，防止损坏电机。6、调压调速（即改变电源电压Ua）（1 ）开动直流发电机组，使单独一组直流发电机组发出 110伏电压，并能通过变 磁而变化输出电压大小；（2 ）把电动机电枢两端接线从公共的直流电源上取下来，接到上述单独一组直流 发电机的输出端。（3）实验室共有8组直流发电机组，其中有4组为一般M-G组，即三相异步电 动机带动直流发电机发电，按图2接线。还有4组为电机放大机，即由三相异

7、步电动机 带动电机扩大机发电，其输出电压也是可调的，按图 3接线；(4)找出直流电同的额定工作点。保持 Re和Rl不变，改变电动机工作电压，记录 相应转速。作57组数据，并记录下表。表1-4调压调速数据表电动机工作电压U a电动机转速n五、实验报告1、绘制直流电动机的机械特性曲线n fT ;2、绘制电枢串电阻调速特性曲线n f Ua ;3、绘制弱磁调速特性曲线n f If ；4、绘制调压调速特性曲线n fUa ;5、分析上述三种调速方法中，电枢电流是如何变化的?实验二三相异步电动机实验一、三相异步机空载实验1、实验目的：通过实验测量数据讨算空载机械损耗Pm和铁损PFe ,以及参数Rm和Xm。2

8、、实验设备和仪器：交流电流表一只交流电压表一只功率表两只三相调压嚣一.台被测三相绕线式异步机一.台3、实验步骤：(1) 按图4将线路接好，经检查线路无误后，便可合闸接通电源(2) 作空载特性曲线：Po f U1和Io f Ui方法：将调压器调节在异步机额定电压 Sn的1.1UiN左右，开始逐渐降低电压读取数据，填入下表内，便可绘制 Po f Ui和Io f Ui说明：PoPcuiPFePCu22P2,PFeUi表2-1 空载特性曲线数据表空载电压u No.3Uno.4Un0.6Un0.8UnUnI.IUn空载功率Po空载电流I o 当Ui o.3UiN左右，这时电机磁通较小，Io亦较小，故铁损

9、 PFe和定子铜损PCu1 miIo2ri亦很小，这时测得的PoPm ；2 Ui UiN时，因为 PFeUi，Pcui较小，故略去，这时测得 PoP：uiPePmPFePm求APFE的方法:机械损耗Pm仅与速度变化有关与电压无关，认为在Ui变化前后，FM定值,则可用在o.3Un测得的P)'与Un时测得的P)之差求得PFe将调压器调至三相异步电机的额定电压Uin，记录空载功率Po和空载电流I。PFeXm.Zm'表2-2空载实验数据表测量数据计算数据额定电压UinPoI 0FFeZmRmXm计算公式：Zm U；(电机为丫接法)二、三相异步机短路实验(转子用机械方法卡往)1、 实验目

10、的：通过实验计算电机的铜损 Pcu氐1 FCu2和短路参数Rk、Xk2、实验设备和仪器：同空载实验注意：电流袭和功率表量程应扩大到电机额定电流值以上，以免烧坏仪表。3、实验步骤：(1) 接线：可采用空载实验接线，但应将调压器手柄扳回到输出为零处，并将电 流表和功率表量程改变到所需的量程，再卡住转子，合上电源开关。(2) 调节三相调压器，使输出电压逐渐升高(调压时一定要注意电流表的读数上 升情况)。(3) 当电流上升到额定电流时，记录下短路电压 Uk和短路损耗Pk o表2-3短路实验数据表测量数据计算数据11 NP<UkZkRkXk说明：短路实验时，P2， Pm，且因Uk较低，故PFe 0

11、，所以短路实验在h l!N时，测得的功率PkPCu1P FePCu2R/lP2CulFou2计算公式：ZKUk（电机为丫接法）3InRkPk3In2Xk,Zk2Pk2、异步电动机起动实验1、实验目的：通过实验证明转子串入电阻可减少起动电流2、实验设备和仪器：三相绕线式异步机一台交流电流表一只电流互感器一.台直流发电机一.台直流电压表一.台转速表一.台三相可变电阻R一个电阻箱Rl一个3、实验原理图：如图5。4、实验步骤：按实验原理图将线按姆，经检查无误后便可开始实验。（1）首先将发动机励磁回路断开，使电动机在空载下进行起动实验；（2 ）将转子外串电阻R调节到R 0 ,再合闸进行直接起动实验，观察

12、和记录直接 起动电流Iq，因直接起动电流较大，故可接入电流互感器扩大电流表的量程；（3 ）转子串入适当的电阻R，再合闸观察和记录转子串入电阻后的起动电流 Iq（4）分析比较直接起动和串入逛阻起动的起动电流变化。注意，直接起动因电流较大，故不能连续多次直接起动。图5异步电动机起动调速实验接线图四、异步电动机转子串电阻的人为特性和调速实验1、实验目的：通过实验要求做转子串入电阻后，稳定部分的机械特性曲线N fT 在负载转矩T T0 TZ Tn时，转子串入不同电阻转速变化情况；在空载时 T T0在上 述串入不同电阻R的转速变化情况。2、实验接线：如起动实验图5。3、实验步骤：（1 ）首先将发电机负载

13、电阻R调节到最大位置，再起动异步机，待异步机转速升 高稳定后，再将转子电阻R调节到R 0。（2 ）在发电机发电后，调节发电机负载电随R馒异步电动机的定子电流（即工作电流）h升高到1.2®，才开始读取一组数据,然后调节R使h分别为1倍，0.71讪，0.41讪 和Ii Io几点，分别读取上述各据并填入表 2-4中。表2-4 U Uin ,R 0时的实验数据实验读取数据计算数据定子电流丨1转速n发电机电压U F电流IfP2T111.2Il N1 111 N11°.71讪11°.4IinIi Io00PoTo（3）调节转子外串电阻使R R' （ R'的值是

14、对应调节发电机负载电阻R使其转速n 0.7nN，Ii Iin时的值）。按上述R 0时的实验方法读取一组数据填入表 2-5 。表2-5 U Uin，RR'时的实验数据实验读取数据计算数据定子电流Ii转速n发电机电压U F电流IfP2T1 11.2I1N1111 N11°.7Iin110.4 IinIi Io00PoTo（4）按同样的方法，调节R R''读取一组数据填入表2-6。（R''的值是对应调节发电机负载电阻Rl使其转速n 0.5nN，h 1讪时的值。R'' R）。表2-6 U Uin， R R''时的实验数据

15、实验读取数据计算数据定子电流h转速n发电机电压U F电流IfP2T1 12I1N1111 N11°.71讪110.4 I1NIl Io00PoTo说明：表中P2为异步机输出功率：就是发电机输入功率Pf UfIf为直流发电机输出功率。设发电机效率F0.85，则P2-Pf U F 1 F千瓦F2 f103 0.85Po :可用空载实验求得的空载损耗异步机的电磁转矩T : T Tz 975空 公斤？米n（5）根据表2-4的数据便可绘制出异步机的固有机械特性；根据表2-5和表2-6的数据便可绘制出异步机R R'和R R''时的人为特性;根据绘制在同一坐标中的三条异步电

16、动机稳定工作部分，对机械特性分析在不同 R时转速的变化情况。实验三步进电动机控制试验一、实验目的1、了解步进电机控制系统的组成及工作原理2、熟悉步进电机的控制方法二、实验器材：DM4240A步进电机DM402步进电机驱动器和电机控制实验箱三、实验原理：（一）DM402步进电机驱动器DMD402是采用美国IMS公司先进技术合资生产的步进电机细分驱动器，具有 高性能、低价格的特点，适合驱动两相或四相混合式步进电机。由于采用新型的双极性 恒流斩波器驱动技术，使用同样的电机时可以比其他驱动方式输出更大的功率。其细分功能使步进电机低频振动减小，噪声降低，同时有助与运转精度提咼。其特点为:1.双极恒流斩波

17、方式，斩波频率20KHZ。2.输入信号TTL兼容。3.自动办流功能。4.电流设定方便，最大驱动电流2A/相（峰值）。5.细分数最高可达125其上排端子处有4个接线柱，每个接线柱具体含义见表3-1所示；下排端子有6个 接线柱，每个接线柱具体含义见表 3-2所示。其电气特性如表3所示。表3-1 DMD402上排端子引脚含义引脚号信号功能1Pul脉冲信号：此光隔输入端导通一次驱动电机一次步进，步进量取决于细分数设置2Dir方向信号：此光隔输入端用于改变电机的转向，实际转向还取决于电机绕组的联结情况。3Co m光隔电源：+ 5VDC为各光隔输入端提供电源， 也可用更高的电源电压， 但应采 取限流措施使

18、流过的电流不超过15mA。4Ena使能信号；此光隔输入端用于使能/禁止驱动器的输出部分，光耦导通时电机相电 流被切断，转子处于自由状态（即脱机）；光耦不导通为使能状态，但此输入端并不能屏敝脉冲输入，因此，当重新使其为使能状态时，驱动输出将根据禁止期 间所接收的脉冲数发生改变。表3-2 DMD402下排端子引脚含义引脚号信号功 能1DC-直流电源地2DC+直流电源正极，电压范围+14V+ 40V3、4A+、A-电机A相5、6B+、B-电机B相表3-3 DMD402 的电气特性(Tj= 25 C )说明DMD402最小值典型值最大值单位输出相电流（峰值）0.25一2.0A电压源（直流）143240

19、V逻辑输入电流61030mA步进脉冲频率0一200KHz绝缘电阻500M Q1、设定细分数和输出电流DMD402驱动器采用八位拔码开关设定细分数、动态电流和静态电流。详细描述如下:（1）设定细分数细分数由58位开关，具体对应情况如表3-4所示。表3-4 DMD402 的细分数设定对应表细分数步数/转SWSWSWSW2400offononon4800onoffonon81600offoffonon163200ononoffon326400ononoffon6412800onoffoffOn12825600offoffoffOn51000onononon102000offononoff204000

20、onoffonoff255000offoffonoff408000ononoffoff5010000offonoffoff10020000onoffoffoff12525000offoffoffoff表3-5 DMD402 的输出电流值（峰值）电流值SW1SW2SW30.25AOnOnOn0.5AOffOnOn0.75AOnOffOn1.0AOffOffOn1.25AOnOnOff1.5AOffOnOff1.75AOnOffOff2AOffOffOff（2）设定输出电流拔码开关的13位用于设定电机运动时电流（动态电流），而第4位用于设定静止 时的电流（静态电流）。用三位拔码开关一共可设定 8个

21、动态电流级别，参见表 3-5。 静态电流可用第4位开关设定，Off表示静态电流设定为动态电流的一半， On表示静 态电流与动态电流相同。2、电源供给电源电压在DC14DC40V之间都可以是正常工作，本驱动器最好采用非稳压直流 电源供电，也可以自己采用变压器降压+桥式整流+电容滤波，电容可取6800厅 或10000疗。但注意应使整流后电压纹波峰值不超过 40V ,避免电网波动超过驱动器电压 工作范围。（二）DM4240A 步进电机和DM402步进电机驱动器的接线DMD402驱动器能驱动所有相电流为2A以下的四线、六线或八线的两相或四相电机。DM4240A 步进电机是两相4线电机，它的A相接于驱动

22、器DM402下排端子的3、4脚之间,B相接于驱动器DM402下排端子的5、6脚之间，如图6所示/!JDM402|控制器i vcc o-橄冲信号330 i 亠 一n * RDir厂1330 Qr-i9jREm“ II- II Jh1'bJr 人PUJ工（三）DM402步进电机驱动器与控制箱的接口DM402驱动器各输入信号采用共阳极接法，在驱动器内部均经过光电隔离，其与 控制器的接口电路示意如图7所示。330 0驱动器¥口值舟畀时.H短賂1VCCM13V时.RnlKQsR必爾接左担制劈信暑端图7DM402驱动器与控制箱接线图（三）步进电机驱动控制系统的接线图图8是一个完整的步进电

23、机控制系统图，它含有步进电机DM4240A、步进驱动器 DM402、供电电源以及控制箱。制1*5¥PulgD让W.25 空J J直流亀踪14 V40VDC下排端干DMO402图8步进电机驱动控制系统接线图四、实验步骤：1、把DM4240A步进电机、DM402步进驱动器和控制箱按图4所示的接线图连接好2、接通电源，控制器的液晶显示器显示如图5所示电机控制综合实验箱1:反应式步进电机模块2:混合式步进电机模块13:混合式步进电机模块24： PWM调速模块5:直流电机模块6:交流伺服电机模块7:变频器模块图8 电机控制综合实验箱主界面3、在图8所示界面中，用键盘选取3 :混合式步进电机模块

24、2，出现如图9所示 的界面。混合式步进电机模块2方向：正向反向速度：1：启动2 :点动3 :设置4 :说明5 :停止图94、通过数字键盘选择1 :启动，则这时电动机按缺省状态的设置参数运行。若只 是按若缺省状态点动，则通过数字键盘选择 2 :点动。选则5 :停止，则电机停止转动。5、若要重新设置则通过数字键盘选择 3 :设置，则出现如图9所示界面。在图9 所示界面中可用键盘上的上、下键选择重新设置方向或速度，选定后按下键盘上的确认键，则在所选中需重新设置的项后面出现一个符号”？”，这时就可用键盘上的上、下键重新设置方向或速度。设置好后，按下键盘的确认键，这时相对应的设置项后的符 号”？”消失，

25、表示设置完毕。又可重复步骤四，启动电机、停止电机。6、若想退出该实验模块，在选择停止后，按下键盘的退出键，则可退回到上一级 主界面。思考题：1、试说明步进电机的工作原理和控制方式。2、画出步进电机驱动及控制系统图。3、试用示波器显出电机不同转速下的脉冲信号，记录下来，并分析说明。实验四LD4-C6132数控刀架实验一. 实验目的1. 了解继电器、接触器触头工作过程及控制原理。2. 了解继电器、接触器控制系统的组成。3. 了解继电器、接触器控制系统在数控系统中的应用。4. 对LD4-C6132数控刀架工作原理的了解。5. 电动机的长动、点动、正反转运动控制。二. LD4-C6132 电动刀架简介

26、LD4型系列立式电动刀架采用涡轮蜗杆传动，上下齿盘啮合，螺杆夹紧的工作原理 具有转位快，定位精度高，切向扭矩大的优点。发信转转位采用霍尔元件，具有工作可 靠度高、刚性好、使用寿命长。适用于 C0625以上各种车床。图10 LD4系列刀架三. 控制系统介绍电动刀架采用继电器控制系统。电动刀架为四工位，分别标识为 1井位、2井位、3井位、4井位。每个刀位对应 一个刀位到位信号，当刀架运动经过工位时，发出相应的控制信号，使得电机反转，对 销反靠，双端齿精定位，螺纹升降夹紧。电机运动停止。图11为继电器控制系统图。3四.工位信号采集+ 12V图11 LD42数控刀架继电器控制系统图Vin 78；out

27、+ 12V13v+ v-gndBridg e2数控刀架转到工位时，由 安装在刀架内部的霍尔传感器 检测刀架到位信号，刀架信号 输出端由高电平转到低电平， 由信号采集电路对这一瞬时信 号进行采集和保持，输出相对 应的工位信号（高电平信号） 相应的中间继电器线圈得电工 作，使得刀架反转夹紧。RKA1图12工位信号采集电路图五.操作说明系统采用面板按钮控制1精彩TitleSizeA4Date:File:面板控 制用按 钮5个（兼指 示 作 用），指 示灯共 10个。如 图13所 示。图13LD4-C6132 数控刀架控制柜操作步骤：1. 接通电源，工作电源位 380V交流电压注意安全。电源指示灯亮（

28、红色）则电 源引入正确。2 .选择其中一个工位按钮，使得刀架运动，同时选择的工位按钮指示灯亮（绿色）3 .刀架运动至工位则自动反转，刀位到位信号灯亮（红色）。4 .复位后方可进行下一步操作。5 .打开实验箱，使用万用表测量中间继电器、交流接触器、时间继电器触头以及触头在工作中的状态。标出中间继电器、交流接触器、时间继电器的线圈及动断 触头、动合触头。中间继电器：交流接触器：时间继电器：六、电机控制系统设计在图11的基础上进行设计出以下几类型电机控制电路1. 电机的点动控制2. 电机的长动控制3. 电机的正反转控制七、实验报告1. 中间继电器触点：2. 交流接触器触点：3时间继电器触点：4. 电

29、机的点动控制图：5. 电机的长动控制图6. 电机的正反转控制图实验五异步电动机的点动与长动控制、实验目的：1、掌握三相异步电动机作原理及电动机控制线路的特点，认识常用机床控制电 器；2、熟悉接触器的结构原理，学会其使用方法：3、明确点动与长动（自锁）的区别。二、预习要求丄'仔细阅读实验指导书，复习教材中有关内容分析线路运行结果。三、主要实验设备及元件1、接线端子排两组2、低压断路器一个3、交流接触器两个4、按钮盒一个5、实验安装板一块6、三相笼型异步电动机一个四、实验原理线路实验原理线路图见图14。五、实验步骤及注意事项1、按照实验原理线路图接线（试车前请先不要接电动机），检查无误经指

30、导教师同意 后方可对主电路、控制电路进行试车，试车前应严格检查主电路有无短路。2、观测接触器动作正常后，接上电动机试车。3、连续运行（长动）实验方法是：先用手按SB2，使KM1通电并自锁，这时电动机便开直接起动， 当按下SBl，电动机停止运行。4、点动实验方法是：将自锁回路断开，用手按 SB2，使KMI通电但不会自锁，这时电 动机便开始直接起动，当松开 SB2，KMl失电，电动机停止运行。USB1KM1图14 异步电动机的点动和长动控制六、实验报告要求1、接触器的工作原理；2、低压断路器的保护作用；3、连续运行与点动的区别与实现方法；4、理论分析与实验现象的比较和结论。七、思考题1、接触器的主

31、触头与辅助触头的作用与区别 ？2、什么是电动机的点动？它有什么特点？3、电动机的连续运行（长动）与点动如何结合在一起，怎样实现？实验六 异步电动机的正反转控制一、实验目的；1、 掌握三相异步电动机工作原理及电动机正反转控制线路的特点，认识常用机床 控制电器；2、熟悉异步电动机正反转的工作原理，学会其控制方法；3、掌握电气互锁和机械联锁的控制原理二、预习要求仔细阅读实验指导书，复习教材中有关内容，分析线路运行结果。三、主要实验设备及元件1、接线端子排两组2、低压断路器一个3、交流接触器两个4、按钮盒一个5、实验安装板一块6、三相笼型异步电动机一个四、实验原理线路实验原理线路图见图15。五、实验步骤及注意