直流电动机调速原理及调速特性201104修改指导书

1、机械工程基础实验 机电控制基础系列实验直流电动机调速原理及调节特性实验指导书重庆工学院汽车学院汽车及机械制造实验室2011年4月学生实验守则  1学生应按照实验教学计划和约定的时间，准时上实验课，不得迟到早退。2实验前认真阅读实验指导书，明确实验目的、步骤、原理，预习有关的理论知识，并接受实验教师的提问和检查。3进入实验室必须遵守实验室的规章制度。不得高声喧哗和打闹，不准抽烟、随地吐痰和乱丢杂物。4做实验时必须严格遵守仪器设备的操作规程，爱护仪器设备，服从实验教师和技术人员指导。未经许可不得动用与本实验无关的仪器设备及其它物品。5实验中要细心观察，认真记录各种试验数据。不准

2、敷衍，不准抄袭别组数据，不得擅自离开操作岗位。6实验时必须注意安全，防止人身和设备事故的发生。若出现事故，应立即切断电源，及时向指导教师报告，并保护现场，不得自行处理。7实验完毕，应主动清理实验现场。经指导教师检查仪器设备、工具、材料和实验记录后方可离开。8实验后要认真完成实验报告，包括分析结果、处理数据、绘制曲线及图表。在规定时间内交指导教师批改。9在实验过程中，由于不慎造成仪器设备、器皿、工具损坏者，应写出损坏情况报告，并接受检查，由领导根据情况进行处理。10凡违反操作规程，擅自动用与本实验无关的仪器设备、私自拆卸仪器而造成事故和损失的，肇事者必须写出书面检查，视情节轻重和认识程度，按学院

3、有关规定予以赔偿。重庆理工大学说 明1. 同学可以登录学校的“电子技术实验中心”（ ），自己进行实验项目的选择。希望同学们能在每个实验项目开放的时间内尽早进行实验预约（预约时间必须比实验上课时间提前3天），因为学生数量比较多，如果某实验项目开放的时间内同学未能进行实验预约，则错过该实验项目的实验机会，可能会出现在本学期内无法完成规定的实验项目个数，结果是该课程考核不及格的情况。 2. 如有什么问题，同学可以拨打电话62563127联系李鑫老师。实验五 直流电动机调速原理及调节特性一、实验目的1、了解直流传动控制系统的组成，掌握调速和稳速的方法；2、通过实验认识调速范围和速度降落的关系。二、实验

4、设备1、可调直流稳压电源一台；2、示波器一台；3、配套仪器、仪表。三、实验原理 直流伺服电动机是满足伺服系统要求的直流电动机，分为有刷DC伺服和无刷DC伺服。在传统有刷DC伺服中，整流子和电刷一起起着回转开关的作用，随着功率半导体器件技术的发展，霍尔元件和大功率晶体管代替了整流子和碳刷的作用，就产生了无刷DC伺服。与普通电动机相比，DC伺服具有工作精度高，调速性能好，带负载能力强，响应速度快，稳定可靠等特点。虽然其工作原理与普通直流电动机基本相同，但为了减小体积和提高散热，DC伺服电动机通常采用永久磁铁励磁。直流伺服电动机主要有如下基本特点：1、机械特性：在输入的电枢电压保持不变时，电动机的转

5、速n随电磁转矩M变化而线形变化的规律，称直流电动机的机械特性。机械特性的关系可用下式表示；(1.1)式中：电枢电压电枢电阻电势系数，（）磁通力矩系数，M电动机输出的电磁转矩机械特性曲线如图1-1所示。 图中，为理想空载转速，称为堵转转矩。斜率K表示电磁转矩变化引起转速变化的程度。K越大，电磁转矩变化引起转速变化越大，电动机的机械特性越软；K越小，电磁转矩变化引起转速变化越小，电动机的机械特性越硬。图1-1直流伺服电机机械特性曲线 在直流伺服系统中，希望电动机的机械特性硬一些。当负载发生变化时引起的转速变化小，有利于提高直流电机的速度稳定性和运动精度。且由式（1.1）可知，K与电枢电阻成正比，电

6、枢回路中串入的电阻或功率放大器的输出电阻增大，会使直流电机特性变软，功耗增大。2、调节特性：直流电机在一定的电磁转矩M（或负载转矩）下，电机的稳定转速n随电枢的控制电压变化而线性变化的规律为直流电机的调节特性。调节特性的关系可用下式表示：（1.2）式中：电枢电压电枢电阻电势系数，（）磁通力矩系数，M电动机输出的电磁转矩调节特性曲线如图1-2所示。图中，为启动电压，为电动机处于待转动而没转动的临界状态的控制电压。与电磁转矩(负载转矩)成正比。M越大，越大。电动机启动时，在0范围内，电动机不转，该区域称为电动机的死区。斜率K表示转速n随电枢的控制电压变化而变化的快慢程度。其值与负载无关，仅决定于电

7、动机本身的结构与参数。图1-2直流伺服电机调节特性曲线3、动态特性用电枢电压控制方式控制电动机时，控制电压突然变化而引起转速变化，但由于电磁惯性和机械惯性，使电动机转速只能渐渐变化，从原来的稳定状态到新的稳定状态存在一个过渡过程即电动机的动态特性。电动机的动态特性与系统惯性大小、电枢回路电阻、机械特性的硬度有关。4、直流伺服电动机控制从直流伺服电动机的原理，可知直流伺服电动机电磁转矩和速度控制方法有两种，种是改变电枢电压即改变电枢电流的方法。另一种是改变励磁电流即改变磁通的方法。在大多数情况下，直流伺服电动机的速度控制采用调节电枢电压的方法，即保持励磁电流不变，则电磁转矩为：M是电枢电流的一元

8、函数，不仅控制方便，而且响应速度快，输出转矩大，线性较好。目前较好的调速方法是脉宽调制(PWM)，通过改变周期性脉冲信号的占空比来改变加在电动机上的平均电压，从而达到调速目的。PWM调速的原理如图1-3所示：设将开关周期性的闭合、断开，开和关的周期是T。在一个周期内，闭合的时间是，断开的周期是T-。如果外加的电源电压U为常数，则电源加到电动机电枢上的波形为方波列。其高度为U，宽度为，如图示，其平均值是称为导通率，当T不变时，只要连续改变（0T）就可以使电枢电压的平均值连续地从0变到U，从而连续地改变电动机的转速。实际的PWM调速电路用功率晶体管代替开关。可逆式PWM用四个功率晶体管组成电桥，实

9、现双向调速。开关频率达30KHz。图中的二极管式续流二极管，当开关断开时由于电枢电感的作用，电动机的电枢电流可以继续形成回路。(a)电气原理（b）波形图1-3 PWM调速原理四、注意事项1、服从教师的安排、实验时注意安全；2、认真作好笔记；3、实验前复习直流电动机结构、工作原理与调速原理。4、熟悉机械特性、调节特性、动态特性等概念。五、实验内容与步骤内容一：直流伺服电动机特性参数与结构1、查看电动机铭牌，填写下表：电动机型号额定功率额定电枢电压额定电枢电流额定转速额定转矩励磁方式表1-12、结合实际接线，画出直流伺服电动机控制接线图。内容二：机械特性1、将直流伺服电动机动力线接到直流电源。编码

10、器接到示波器输入端。2、电压表及电流表在直流稳压电源上。3、将力矩装置的传动轴与直流伺服电机轴用联轴器相连，传动轴外侧装有圆形的旋转零件，旋转零件外侧套有一个加力矩附件，加力矩附件的顶针压在零件上（顶针外边缘和附件侧面的最小刻度线对齐，此时弹簧处于自然状态，没有任何变形，因此不会产生力矩）。4、打开电源开关，调节电源输出电压和负载转矩，同时观测电压表的值和电流表的值，运行过程中，数据会有所波动，可以以数据的平均值记录。5、准备好示波器，打开电源，同时观测电压表和电流表的值，以及电机转速，并做记录。6、固定电枢电压，加力矩附件的顶针向下旋，改变加载在旋转零件的摩擦力矩，记录此时所转过的刻度值。重

11、复步骤5-6四次，得到5组电流和电压的值，记录并填写表格1-2。电压值（V）负载转矩（刻度）电流值（A）电机速度（转/分）表1-2内容三：调速原理及调节特性1、调整附加接线柱的跳线，将力矩装置的传动轴与直流伺服电机轴用联轴器相连，传动轴外侧装有圆形的旋转零件，旋转零件外套有一个加力矩附件，加力矩附件的顶针压在零件上（顶针外边缘和附件侧面的最小刻度线对齐，此时弹簧处于自然状态，没有任何变形，因此不会产生力矩）。2、加力矩附件的顶针向下旋，改变加载在旋转零件的摩擦力矩，注意在实验过程中不改变摩擦力矩的值。3、准备好示波器，打开电源，测量电机转速及电枢电压值并做记录。4、 改变直流稳压电源的输出电压（直流电机电枢电压，电压间差3-5V）。测量电机转速及电枢电压值并做记录。重复四次得到五组数据，填写表格1-3。总负载力矩（刻度）电枢电压值（V）电机速度（转/分）注：该表中电动机速度是示波器所测实际速度。表1-36、关断电源，将设备回复初始状