项目二、 两相混合式步进电机的控制
一、目的
1、学会步进电机的使用方法。 2、了解并熟悉步进驱动器的应用。
二、器材
1、步进电机一台； 2、步进驱动器一台；
3、PLC 主机一台（晶体管输出）； 4、通讯线一条； 5、电脑一台； 6、导线若干。
三、知识衔接：
（一）、PLSY ：16位连续执行型脉冲输出指令
1、PLSY 指令的编程格式：
*K1000：指定的输出脉冲频率，可以是T ，C ，D ，数值或是位元件组合如K4X0
*D0：指定的输出脉冲数，可以是T ，C ，D ，数值或是位元件组合如K4X0，当该值为0时，输出脉冲数不受限制
*Y0：指定的脉冲输出端子，只能是Y0或Y1 2、相关标志位与寄存器：
M8029：脉冲发完后，M8029闭合。当M0断开后，M8029自动断开。 M8147：Y0输出脉冲时闭合，发完后脉冲自动断开； M8148：Y1输出脉冲时闭合，发完后脉冲自动断开； D8140：记录Y0输出的脉冲总数,32位寄存器 D8142：记录Y1输出的脉冲总数,32位寄存器 D8136：记录Y0和Y1输出的脉冲总数,32位寄存器
注意: PLSY指令断开，再次驱动PLSY 指令时，必须在M8147或M8148断开一个扫描周期以
上，否则发生运算错误！
（二）、步进电机42BYGH5403
表1-1 42BYGH5403型两相混合式步进电动机技术参数
步进电动机A 、B 两相绕组的接线端如图1-1所示。
A+(红)
A -(蓝)
(绿)
B+
(黑) B-
图1-1步进电动机接线端
（三）、步进电动机驱动器
1）驱动器型号为
SH —20403，它是两相混合式步进电动机细分驱动器，它的特点是能适应较宽电压范围10V ～40VDC （容量30VA ），采用恒电流控制，它的电气性能如表
1-2所示。
2）步进电动机驱动器接线图
步进驱动器接线图如图1-2所示，输入接线口电路图1-3所示。
图1-2 步进驱动器接线图
公共端
脉冲信号方向信号脱机信号
图1-3输入接口电路
3）输入信号说明：
①公共端：本驱动器的输入信号采用共阳极接线方式，用户应将输入信号的电源正极连接到该端子上，将输入的控制信号连接到对应的信号端子上。控制信号低电平有效，此时对应的内部光耦导通，控制信号输入驱动器中。
②脉冲信号输入：共阳极时该脉冲信号下降沿被驱动器解释为一个有效脉冲，并驱动电机运行一步。
μs 。本驱动器的信号响应为了确保脉冲信号的可靠响应，共阳极时脉冲低电平的持续时间不应少于10频率为70KHz ，过高的输入频率将可能得不到正确响应。
③方向信号输入：该端信号的高电平和低电平控制电机的两个转向。共阳极时该端悬空被等效认为
μs 建立，可避免驱动器对脉冲的输入高电平。控制电机转向时，应确保方向信号领先脉冲信号至少10错误响应。
④脱机信号输入：该端接受控制机输出的高/低电平信号，共阳极时低电平时电机相电流被切断，转子处于自由状态（脱机状态）。共阳极时高电平或悬空时，转子处于锁定状态。 4）输出电流选择
5）细分等级选择
四、项目过程
1、
接线图如下所示；
电源DC5V
启动复位方向
2、 调节驱动器的最大输出电流为1.8A ；（说明：电流的调节查看驱动器面板丝印上的白色方块对应开关
的实际位置）
3、 调节驱动器的细分为“1”；
4、 接通电源，给PLC （控制机）灌写程序如下； 梯形图解释
当控制机的控制端X0闭合时，PLC 在4s 内给步进电机驱动器发射400个脉冲，电机正好转2周停止。 控制端X2是控制步进电机的旋转方向，控制端X1是复位PLC 给驱动器发射脉冲。
五、项目拓展：
1、 如果让步进电机旋转一圈半，如何来完成？ 2、 步进电机的转速为60转/分钟，如何实现？
实验四十八、 两相混合式步进电机的力矩测量实训
一、训练目标
1、学会步进电机的使用方法。 2、了解并熟悉步进电机的力矩测量。
二、训练器材
1、步进电机一台； 2、步进驱动器一台；
3、PLC 主机一台（晶体管输出）； 4、计算机一台； 5、编程下载线一条； 6、导线若干； 7、弹簧秤组件一套。
三、实验电路与工作原理
1、步进电动机
1）步进电动机是将输入的电脉冲信号转换成角位移的特殊同步电动机，它的特点时每输入一个电脉冲，电动机转子便转动一步，转一步的角度称为步距角 ，步距角愈小，表明电机控制的精度愈高。由于转子的角位移与输入的电脉冲个数成正比，因此电动机转子转动的速度便与电脉冲频率成正比。改变通电频率，即可改变转速。改动电机各相绕组通电的顺序（即相序）即可改变电动机的转向。如果不改变绕组通电的状态，步进电动机还具有自锁能力（即能抵御负载的波动，而保持位置不变），而且从理论上说其步距误差也不会积累。因此步进电动机主要用于开环控制系统的进给驱动。步进电动机的主要缺点是在大负载和高转速情况下，会产生失步，同时输出的功率也不够大。
2) 步进电动机按工作原理分类由可分为磁阻式（即反应式）、永磁式和混合式（兼有永磁和磁阻）三种。按绕组相数又可分为两、三、四、五等不同的相数，按电压等级又可分为24V 、30V 、80V 、80V/12V、80V/18V等。（工作原理可参见附录I ）
3）本实验采用的步进电动机为两相混合式步进电动机，电压为10～40V 。其型号为35BYG250[其中35（mm ）—机座尺寸，BYG —为混合式，2—两相，50—转子齿数]，其技术参数如表48-1所示
表48-1 35BYG250型两相混合式步进电动机技术参数
4）步进电动机A 、B 两相绕组的接线端如图48-2所示。
A+(红)
A -(蓝)
(绿) B+
图48-2步进电动机接线端
(黑) B-
2、步进电动机驱动器
1）驱动器型号为SH —20403，它是两相混合式步进电动机细分驱动器，它的特点是能适应较宽电压范围10V ～40VDC （容量30VA ），采用恒电流控制，它的电气性能如表48-3所示。
2）步进电动机驱动器接线图 步进驱动器接线图如图48-4所示。
图48-4 步进驱动器接线图
3）输入信号说明：
①公共端：本驱动器的输入信号采用共阳极接线方式，用户应将输入信号的电源正极连接到该端子上，将输入的控制信号连接到对应的信号端子上。控制信号低电平有效，此时对应的内部光耦导通，控制信号输入驱动器中。
②脉冲信号输入：共阳极时该脉冲信号下降沿被驱动器解释为一个有效脉冲，并驱动电机运行一步。为了确保脉冲信号的可靠响应，共阳极时脉冲低电平的持续时间不应少于
10μs 。本驱动器的信号响应频率为70KHz ，过高的输入频率将可能得不到正确响应。 ③方向信号输入：该端信号的高电平和低电平控制电机的两个转向。共阳极时该端悬
μs 建立，空被等效认为输入高电平。控制电机转向时，应确保方向信号领先脉冲信号至少10可避免驱动器对脉冲的错误响应。
④脱机信号输入：该端接受控制机输出的高/低电平信号，共阳极时低电平时电机相电流被切断，转子处于自由状态（脱机状态）。共阳极时高电平或悬空时，转子处于锁定状态。
4）输出电流选择
5）细分等级选择
四、实验内容与实验步骤
1、将步进电动机的A 、B 两相绕组与驱动器的输出A + A -及B + B - 正确相联。 参见图6-2及图6-1。
2、正确选择输出电流。如表6-2所示，步进电动机的相电流为0．8A
3、正确选择脉冲步数。因此在表6-3中，如今选1整步/脉冲，选择1→OFF ，2→OFF 及3→OFF 。
（步骤2，3已选定，学员进行校对验证即可） 4、灌入48-1所示的程序； 4、将脉冲输入信号X0置“1”。 5、将方向输入信号X2置“0”； 6、观察电机的运转；
7、将方向输入信号X2置“1”；
8、观察电机的转向。
9、通过调节设备中的弹簧秤来给电机施加外力从而进行测力F ； 10、L 为步进电机转盘的半径； 11、然后用T=F×L 公式计算力矩。
记录在不同频率下对应的步进电动机的转速n 。记录在表6-5中。
12、可用钩码测来测定步进电动机的定位转矩和保持转矩。
五、实训内容
48-1步进梯形图程序
六、实验注意事项
1、由于驱动器为通用工业产品，它含有多个拨码开关，以供用户的多种用途与选择，这些拨码快关设计时只考虑少量次数的整定，因此请使用者不要随意区拨动，以免损坏驱动器开关。
2、由于步进电动机是微型电机，输出的转矩和功率都很小，实验时请小心加载，堵转时间过长，会烧电机。
七、实验报告
1、说明改变步进电动机转向的方法。
2、根据表6-5实验数据，以脉冲频率f 为横坐标，步进电动机的转速n 为纵坐标，画出n f (f ) 间的关系，并判断它们间是否线性关系，有无死区。
3、根据实验数据，说明步进电动机的定位转矩的数值。
实验四十九、 交流伺服电机的控制
一、训练目标
1、学会交流伺服电机的使用方法。 2、了解并熟悉交流伺服的应用。
二、训练器材
1、交流伺服电机一台； 2、1uF 450V电容一个； 3、1500Ω 150W的电阻一个； 4、导线若干。
三、实训内容
1、外部接线图如下所示；
1uF
450V
1
激磁电压
交流220V
1500Ω
150W
1、 1、2端是激磁电压端； 2、 3、4是控制电压端；
3、 如图所示激磁电压端串联一个1uF 的电容接入交流220V 电源； 4、 控制端接入交流220V 控制电压；
5、 控制端串联一个1500欧姆150W 的电位器调节控制端电压，可调节伺服电机的转速。
注意：面板丝印图的交流伺服B-、B+、A-、A+为上图所示的1、2、3、4。
实验五十、 交流伺服电机的力矩测量实训
一、训练目标
1、学会交流伺服电机的使用方法。 2、了解并熟悉交流伺服电机的力矩测量。
二、训练器材
1、交流伺服电机一台； 2、1uF 450V电容一个； 3、1500Ω 150W的电阻一个； 4、导线若干； 5、弹簧秤组件一套。
三实训内容
1、 二相异步交流伺服电动机 ⑪结构特点
交流伺服电动机是自动控制系统中的一种常用的执行元件。它实质上是一个两相感应电动机。它的定子装有两个在空间上相差90°的绕组：励磁绕组A 和控制绕组B 。运行时，励磁绕组A 始终加上一定的交流励磁电压（其频率通常有50Hz 或400Hz 等几种）；控制绕组B 则接上交流控制电压。常用的一种控制方式是在励磁回路串接电容C ，参见图1-1，这样控制电压在相位上（亦即在时间上）与励磁电压相差约90°。 交流伺服电动机的转子通常有笼式和空心杯式两种。笼型（如SL 型）交流伺服电动机的转子与普通笼型转子有两点不同：一是其形状细而长(为了减小转动惯量) ，二是其转子导体采用高电阻率材料（如黄铜、青铜等），这是为了获得近似线性的机械特性。空心杯转子（如SK 型）交流伺服电动机，它是用铝合金等非导磁材料制
成的薄壁杯形转子，杯内置有固定的铁心。这种转子的U 优点是惯量小，动作迅速灵敏，缺点是气隙大，因而效V
率低。
图1-1 交流伺服电动机的电
路图
本装置采用的是SL 型笼式二相交流伺服电动机，型号为55SL5A2，其中55表示电机外径为55mm ，其技术参数如表1—1所示。
表1—1 55SL5A2二相异步交流伺服电动机技术参数
⑫工作原理
当定子的两个在空间上相差90°的绕组（励磁绕组和控制绕组）里通以在时间上相差90°电角的电流时，两个绕组产生的综合磁场是一个强度不均匀的旋转磁场。在此旋转磁场的作用下，转子导体相对地切割着磁力线，产生感应电动势，由于转子导体为闭合回路，因而形成感应电流。此电流在磁场作用下，产生电磁力，构成电磁转矩，使伺服电动机转动，其转动方向与旋转磁场的转向一致。分析表明，增大控制电压，将使伺服电动机的转速增加； 改变控制电压极性，将使旋转磁场反向，从而导致伺服电动机反转。
⑬机械特性与调节特性
① 机械特性 电动机的机械特性是控制电压不变时，转速n 与转矩T 间的关系。由于交流伺服电动机的转子电阻较大，因此它的机械特性为一略带弯曲的下垂斜线。即当电动机转矩增大时，其转速将下降。对于不同的控制电压U B ，它为一族略带弯曲的下垂斜线。参见1-2a ）。由图可见，在低速时，它们近似为一族直线，而交流伺服电动机较少用于高速，因此有时近似作线性特性处理。
② 调节特性 电动机的调节特性是负载转矩不变时，电动机的转速n 与控制电压U B
间的关系。交流伺服电动机的调节特性如图1-2b 所示。对不同的负载转矩，它们是一族弯曲上升的斜线，转矩愈大，则对应的曲线愈低，这意味着，负载转矩愈大，要求达到同样的转速，所需的电枢愈大。此外，由图可见，交流伺服电动机的调节性也是非线性的。
n
n
T
a)
b)
U B
a) 机械特性 b)调节特性
图1-2交流伺服电动机的机械特性与调节特性
综上所述，交流伺服电动机的主要特点是结构简单，转动惯量小，动态响应快，运行可靠，维护方便。但它的机械特性与调节特性线性度差，效率低，体积大，所以常用于小功率伺服系统中。 2、实验电路
实验电路如图1-1所示。根据电机技术参数，U A 与U B 均为50Hz ，220V 电压。图中的电容器C 根据电机要求为1.1～1.5µF。
三、实验设备
1、55SL5A2交流伺服电动
2、电容模块C08（1.0µF/450，0.5µF、450V ） 3、变阻器：YL-195型装置中的单相调压器 4、机械加载装置
5、交流电压表，交流电流表2只，万用表 四、实验内容与实验步骤
1、 按图1-1完成全部接线。其中电压表选（0～300V ），电流表选（0～1.0A ）；控制电压
可用装置中的单相调压器获得，其中1、0两端接U 、V ；2、0端接控制绕组，如图1-3所示。
2
U B
10
U
220V
V
图1-3单相调压器的连接
2、 测定交流伺服电动机空载时的调节特性
电动机不加机械负载，调节单相调压器，从零电压开始逐步升高U B 电压，至U B 为最大值。上述的调节，分别使U B 为30V 、60V 、90V 、120V 、170V 、220V ，同时记录下对应的（空载）转速n ，转速用激光测速计测得（在黑色转盘表面贴一白色反射纸片），并记录在表1-2中。
3、 测定交流伺服电动机负载时的调节特性
对微型电机通常采用测力计与摩擦轮的组合来加机械负载，如图1-4所示。图中，图形为装在电动机轴上的皮带轮（摩擦轮），皮带两端套在测力计（弹簧秤）的园钩上，今设电动机顺时针旋转，由于摩擦力的作用，两个测力计的读数F 1 和F 2将是不等的（F 1 >F 2），加在摩擦轮（即电动机轴）上的阻力矩
T L = (F 1 -F 2) r (式中r 为皮带轮半径)
将螺杆向上旋，收紧皮带，将使摩擦阻力转矩T L 变大。
按图1-4所示，将被测电动机放在龙门架底板上，并置于两测力 图1-4 机械加
载装置
计中央，使两根皮带垂直并平行。
调节螺杆，使交流伺服电动机的阻力矩为50m/N•m ，（堵转转矩的一半），[若r =25mm，即 (F 1 -F 2) ≈2.0N ]，在实验时，为减少皮带与摩擦轮间的摩擦时间，在大范围加载时，先把电机停下来进行加载，加载后，再用螺杆作微调。
重做上述实验，记录在表1-3中（与表1-2同）。 4、 测定交流伺服电动机的机械特性
①将U B 调节至额定值（220V ）
②从空载大致分6档逐渐增大负载至T L =75mN m(F 1-F 2=3.0N ) 。记下各对应负载下的转数，并记录在表1-4中
5、将U B 调 U B =160V， 重做上述实验，将实验数据记录在表1-5中（与表1-4）相同，U B 改为160V ）
6、在U B = 220V（额定的条件下，加大负载，使电动机刚好停转[堵转（block ）]，记录下F 1 与F 2并计算出堵转转矩，同时读出堵转时的励磁电流i Abl
与控制电流i Bbl 。
五、实验注意事项
1、调压器输出电压要从零开始逐步升压。
2、做电机堵转实验时，要动作迅速 （F 1、F 2、i A 、i B 迅速读数），以免电机过热。 3、被测电机要置于龙门架中心位置，使两极皮带垂直。
六、实验报告
1、根据表1-4与表1-5所记数据，在同一坐标纸上，画出在不同控制电压下的机械特性曲线。
2、根据表1-2与表1-3所记数据，在同一坐标纸上，画出在不同负载下的调节特性曲线。 3、记录电机的堵转转矩T bl 、励磁堵转电流i Abl 与控制堵转电流i Bbl 。
实验五十一、 三相晶闸管全（半）控桥（零）式整流电路
及三相集成触发电路的研究
一、实验目的
1、熟悉三相全控桥式整流电路的结构特点，以及整流变压器、同步变压器的连接； 1、 掌握KC785集成触发电路的应用；
2、 掌握三相晶闸管集成触发电路的工作原理与调试（包括各点电压波形的测试与分析）。 4、研究三相全控桥式整流供电电路（电阻负载时），在不同导通角下的电压与电流波形。
①
二、实验电路与工作原理2
（一）三相全控桥式整流电路如图7-1所示。
图7-1 三相晶闸管全控桥式整流电路 （单元7）
注①：这里以三相全控桥为例，进行分析。若以VD 2、VD 4、VD 6取代VT 2、VT 4、VT 6, 则为三相半控桥路。若负载的另一端与N 线相联，则为三相半波（零式）电路。
1、图中6个晶闸管的导通顺序如图7-2所示。它的特点是：
①它们导通的起始点（即自然换流点）；对共阴极的VT 1、VT 3、VT 5，为u Α、u B 、u C 三个正半波的交点；而对共阳极的VT 4、VT 6、VT 2，则为三相电压负半波的交点。
② 在共阳极和共阴极的管子中，只有各有一个导通，才能构成通路，如6-1、1-2、2-3、
3-4、4-5、5-6、6-1等，参见图7-2。这样触发脉冲和管子导通的顺序为1→2→3→4→5→6，间隔为60°。
VT 1VT 3VT 5
A B C
L d
VT 4VT 6VT 2
(a)
(b)
图7-2 三相全控桥电路及其触发脉冲
③ 为了保证电路能启动和电流断续后能再触发导通，必须给对应的两个管子同时加上触发脉冲，例如在6-1时，先前已给VT 1发了触发脉冲，但到1-2时，还得给VT 1再补发一个脉冲（在下面介绍的触发电路中，集成电路KC41C 的作用，就是产生补脉冲的），所以对每个管子触发，都是相隔60°的双脉冲，见图7－2b （当然用脉宽大于60°的宽脉冲也可以，但功耗大）。
2、在图7-1中，TA 为电流互感器（三相共3个），（HG1型，5Α╱2.5mΑ，负载电阻＜100Ω），由于电流互感器二次侧不可开路（开路会产生很高电压），所以二次侧均并有一个负载电阻。
（二）整流变压器与同步变压器的接线如图7-3所示。
1、采用整流变压器主要是为了使整流输出电压与电动机工作电压相适当。由于本系统中电
动机电压为110V ，由三相全控桥电压公式有U d =2.34U 2中（U d 为直流输出电压，U 2为变压器二次侧相电压），现以U d ＝110V 代入上式，有U 2中≈47V 。
2、整流变压器接成Dy 型（Δ－Y 型），可有效抑制整流时产生的三次谐波对电网的不良影
响。此处接成Dy11（Δ╱Y－11）[联接图如b 图所示]。 3、此外整流变压器还起隔离作用，有利于人身安全。
4、触发电路采用同步电压为锯齿波的集成触发电路KC785，由于同步电压要经过阻容滤波
电路，会造成相位上的滞后（60°~70°），这需要补偿。因为电压过零点已较自然换流点超前了30°，因此同步电压较主电路电压再超前30°，就可以了，所以采用Yy10(Y╱Y-10) 的联接方式，如图a ）所示。
TR(Dy11)
U A1U B1
U C1
U A U B U C
Yy-10(Y/Y-10)
Dy11(Δ/y-11)
( a )( b )( c )
图7-3 同步变压器与整流变压器联接图（单元8）
同步变压器与整流压器的联接图如图7-3C 所示。
（注）三相变压器联接的钟点数，是以一次侧的相电压为钟的长针，以二次侧的相电压为短针来标定的。
由图7-3(C）可见，整流变压器二次侧的U A , 对应一次侧的U AB1，而U AB1较U A1，超前30°，因此U A （短针）与U A1（长针）构成11点钟，参见图7-4。
同样由图7-3(C)可见，U SA 与-U B1对应，这样由图7-4可见，U SA 较U A 超前30°。如今阻容移相使相位滞后70°左右，这样移相后的电压将较U A 滞后40°（ 70°—30°）左右。它较自然换相点仅滞后10°（40°—30°）左右。这意味着，控制角α的移相范围为10°～120°。这里不使控制角从0°开始，是为了防止输出电压过高，也可使移相范围处于锯齿波的线性段。
图中U A1为220V ，U A 为47V ，U SA 为16.5V 。
B1
1、 U A -U A1：△/Y-11 b) 阻容移相后的同步电压
U SA -U A1：Y/Y-10 较自然换相滞后10°
图7-4
（三）三相晶闸管集成触发电路如图7-5所示
1、三相晶闸管触发电路的核心部分是由三块集成触发电路N1、N2、N3构成的电路，它们是TC Α785（国产为KJ785或KC785）集成电路。
图7-5 三相晶闸管集成触发电路（单元9）
TC Α785是西门子（Siemens ）公司开发的第三代晶闸管单片移相触发集成电路，它的输出输入与CMOS 及TTL 电平兼容，具有较宽的电压范围和较大的负载驱动能力，每路可直接输出250m Α的驱动电流。其电路结构决定了自身锯齿波电压的范围较宽，对环境温度的适应性较强。该集成电路的工作电源电压范围-0.5V-18V.TC Α785的引脚和内部结构原理示意图见图7-6。
图7-6 TCΑ785的内部结构原理示意图
TC Α785内部结构包括零点鉴别器（ZD ）、同步寄存器（SR ）、恒流源（SC ）、控制比较器（CC ）、放电晶体管（VD ）、放电监控器（DM ）、电平转换及稳压电路（PC ）、锯齿波发生器（RG ）及输出逻辑网络等九个单元。TCA785是双列直插式的16脚大规模集成电路，其各引脚功能：（16）（V S ）电源端；①（Q S ）接地端；④（Q 1）和②（Q 212的非端；14（Q 1）和15（Q 2）输出脉冲的1和2端；13（L ）为输出脉冲Q 1、Q 2宽度控制端；12（C 12）输出Q 1、Q 2脉宽控制端；11（V 11）输出脉冲Q 1、Q 2或Q 1、Q 2 移相控制直流电压输入端；⑩（C 10）外接锯齿波电容连接端；⑨（R 9）锯齿波电阻连接端；⑧（V REF ）TC Α785自身输出的高稳定基准电压端；⑦（Q Z ）和③（Q V ）为TC Α785输出的个两逻辑脉冲信号端；⑥（I ）脉冲信号禁止端；⑤（V SYNC ）同步电压输入端。
其工作过程为来自同步电压源的同步电压，经高阻值的电阻后，送给电源零点鉴别器ZD ，经ZD 检测出其过零点后，送同步寄存器寄存。同步寄存器中的零点寄存信号控制锯齿波的产生，对锯齿波发生器的电容C 10，由电阻R 9决定恒流源SC 对其充电的电压上升斜率，当电容C 10两端的锯齿波电压大于移相控制电压V 11时，便产生一个脉冲信号送到输出逻辑单元。参见图7-7，由此可见，触发脉冲的移相是受移相控制电压V 11的大小控制，因而触发脉冲可在0~180°范围内移相。对每一个半周，在输出端Q 1和Q 2出现大约30μs 宽度的窄脉冲。该脉冲宽度可由12脚的电容C12决定。如果12脚接地，则输出脉冲Q 1、Q 2的宽度为180°的宽脉冲。
V 5
V 10
V 11V 11
V 15
V 14
图7-7 触发脉冲的产生
KC785的主要技术数据
1）电源电压：直流+15V（允许工作范围12V ~18V ） 2) 电源电流：≤10mΑ
3) 同步输入端允许最大同步电流：200μΑ 4）移相电压范围：-0.5V ~（V S -2）V （13V ） 5）移相范围：≥170° 6）锯齿波幅度：（V S -2）V （13V ） 7）输出脉冲：
①幅度：高电平≥（V S -2.5）V ；低电平：≤2V ②宽度：无C12:#30μS 左右
~ 有C12：（400 600）μS╱nF ③最大输出能力：55m Α（流出脉冲电流）
8）2＃3＃4＃7＃脉冲电压输出端输出能力：≤2mΑ （灌入脉冲电流） 9）封装：采用16脚塑料双列直插封装 10）允许使用温度：-10°C ~ 70°C 。
2、图7-5中的RP 1、RP 2、RP 3为N 1、N 2、N 3⑨脚引脚的可变电阻，它们是用来调节三相锯齿波的斜率的。
3、图中SA 、SB 、SC 为三相同步电压，它由同步变压器U S Α、U SB 、U SC 三端引入，经阻容滤波电路将使相位滞后40°左右后，送往N1、N2、N3的⑤脚。
由于阻容值有误差，移相角度会有差异，会使三相触发波形不对称。因此在各相同步电压输入处，再增设一可变电阻（22K Ω），以调节移相相位，使三相输出电压相位对称互差120°。
4、控制电压U C 同时经限流电阻送往N 1、N 2、N 3的（11）脚（去与锯齿波进行比较）。 5、图中集成电路N 0为CD4011，它是四个2输入与非门，由它构成的电路，由图7－8所示，是一个他激式（“0”有效）环形振荡器。
图7-8 环形振荡器
此电路从N 1~N 3的⑦脚接收到KC785输出的脉冲信号，经电路形成振荡后，
通过⑥脚（6脚为N 1~N 3的脉冲信号禁止端）使KC785输出的脉冲变成脉冲列（脉冲列的前沿陡，幅值高，功耗小）。脉冲列的频率为（5~10）KHz 。
6、图中N4为KC41C ，它的内部结构原理示意图和应用实例，见图7-9。它的作用是对N 1~N 3
经14、15脚输出的基本脉冲，通过输入二极管再产生一个补脉冲。例如2*脚输入脉冲时，它通过二极管D 1同时给V 1基极送出一个脉冲信号，使VT 2、VT 1能同时导通。参见图7-9α）。图中V 7为电子开关，当7*脚为“0”时，V 7截止，各路将有脉冲输出；当7*脚为“1”（悬空）时，由16*脚输入的+15V电压，将使V7导通，将输出通路封锁（置零）。因此将7*脚引出，作封锁信号CR （输入“1”信号）。元件中的稳压管提供阀值电压，以防止误触发。元件的16*脚接+15V电源，8*脚接地。
7、由KC41C 输出的触发脉冲，经功率放大，再经脉冲变压器，送往VT 1~VT 6六个晶闸管的G 、K 极。
8、在图7-5中，在脉冲变压器一次侧续流（二极管）回路中，串接一个18V 的稳压管，是为了使脉冲电流迅速减小（以增加脉冲后沿陡度），而过电压又不致过大（
9、此电路的供电电源有+12V、+15V和+24V三组，不要搞错。
2
16
+15V
A0
C0
B0
C0
3DK4X6(3DG27)
[1**********]9
KC41C
1
2
3
4
5
6
7Q
8
6
10
7
图7-9 KC41C 内部结构原理图示意图和应用实例
三、实验设备
1、亚龙YL-209型实验装置的单元（8）、（9） 2、双踪示波器 3、万用表 4、变阻器 四、实验内容与步骤
1、将整流变压器联成Dy11接法，将同步变压器联成Yy10接法，不接负载。将它们的一次侧接上220V ╱380V 电源，用示波器测量U Α1, U Α和U SΑ的幅值与波形，观察后者是否较前者超前30°。同时测量±12V 电源电压是否正常。
2、切断电源，将整流变压器输出U Α、U B 、U C 分别接入主电路的L 1、L 2和L 3输入端。 3、在主电路的输出端U 1和U 2间接上一电阻负载（变阻器）
4、触发电路接上+12V,+15V及+24V电源，输入同步电压（16.5V ），控制电压U C 端接在稳压电源上，U c 在0~8V间进行调节，先使U C 为4V 左右，用万用表及示波器，观测N1的⑩脚（锯齿波）及14、15脚的输出（双脉冲列）的幅值与波形。
由图7-7可见，当控制电压 U C （即图中V 11）为最小时，a 为最小，此时输出电压为最大。反之，当U C ≈8V时，触发脉冲消失，U d =0。
调节RP 1，使N1锯齿波的幅值为7.8~7.9V，当U C1增大到最大（8V 左右）时，再适当调
节RP 1，使N1的脉冲刚好消失。
5、再以N1的锯齿波为基准，调节RP 2和RP 3，使N 2和N 3锯齿波的斜率与N 1相同（用示波器观察）。
6、调节控制电压U c ，使U c 由0→8V，观察脉冲的移相范围。并测量6个触发脉冲，是否互差60°，并记录下触发脉冲的波形。
7、测量N4的10#~ 15# 脚的输出脉冲的幅值与相位。若各触发脉冲正确无误（如图7-2所示）。则在切断电源后，将脉冲变压器的输出接到对应的六个晶闸管的G 、K 极。
8、合上电源，观测电阻负载上的电压的数值与波形，调节U C 的大小，使控制角α分别为30°、60°、90°及120°，记录电压的平均值与波形。
9、调节变阻器及U C 使电流I d =1.5Α, 测量电流互感器输出的电压数值。（I 1与I 2间或I 2
与I 3间）。
10、测量α＝60°时，VT 1元件K 、A 间的电压波形。
11、若6只晶闸管中，有一只（设VT 2损坏—除去它的触发脉冲）重新测量U d 的幅值与波形，并从晶闸管的波形去判断该元件是否正常。 五、实验注意事项
1、由于这为一大型实验，涉及许多理论知识，因此实验前要复习电力电子课程的相关基础知识，并仔细阅读实验指导书，列出实验步骤。
2、由于实验联线较多，因此，应联好一单元，检查一单元，并测试是否正常。只有在确保各单元工作正常无误的情况下，才可将各单元联接起来。
3、实验中有多处要用示波器进行比较测量，要注意找出两个探头公共端的接线处，否则很易造成短路。 六、实验报告
1、记下，电源U Α1、整流变压器U Α、同步变压器输出电压U SΑ的平均值与波形，以及它们间的相位差。
2、VT 1~VT6管的触发脉冲的幅值、波形及相位。 3、电阻负载在
α＝30°，α＝60°和α＝90°时的电压的数值及波形，以及它们的平均值
与计算值是否一致。
4、在α＝60°时，VT 1元件K 、Α两端的电压波形。
5、若VT 2损坏，Α、K 两端的电压波形是怎样的？对波形进行分析，指出正常的与不正常的地方，并分析形成原因。
实验五十二、 双闭环三相晶闸管全控桥式整流直流调速系
统的调试与机械特性的测定
一、实验目的
1、理解双闭环直流调速系统的结构特点、工作原理和保护环节的作用； 2、掌握双闭环直流调速系统各单元的联接和整定； 3、学会双闭环直流调速系统的调试、性能分析和故障排除； 4、测定双闭环直流调速系统的机械特性。 二、实验电路和工作原理 1、主电路见图7－1。
2、整流变压器及同步变压器电路见图7－3。 3、三相集成触发电路见图7－5。 以上电路的工作原理见实验（七）说明 4、直流电动机机组，机组说明见实验（二）。
5、电流调节器和速度调节器，见图8-1。现对图8-1所示各环节再作一些说明：
图8-1 电流调节器与速度调节器电路（单元10）
① 图中运放器U2构成的电路为电流调节器，它是在比例积分调节器的基础上，还可增加
一个510K Ω的反馈电阻，以利电流环的稳定。它输出电压的极性为正，8.2V 稳压管为正向限幅。3.3K Ω电位器整定增益，470Ω电阻为防止增益过大。
② 图中运放器U1构成的电路为速度调节器，它是比例积分调节器。同理，它还可增加一
个1M Ω的反馈电阻，也是为了速度环的稳定。输入端的RC 滤波环节，主要为了滤掉干扰信号，并增加缓冲作用，它输出电压的极性为负，8.2V 稳压管为反向限幅，其给定电压为0→8V。在运放器输入端还设置了一个由-12V 电压、2M Ω和5.1K Ω电阻组成的分压电路，提供一个-0.03V 负偏置电压，以防止干扰信号引起误动动作。
③ 图中运放器U3为反相器（输出电压极性为负），它与8.2V 稳压管，2K Ω电阻及+12V
电源为触发电路提供0→8.2V的给定电压。
④ 图中I 1、I 2和I 3为三相电流互感器的输出，它们经由肖特基二极管构成的三相桥式整流
后，成为电流反馈的直流信号。68Ω电位器整定电流信号电压，使电枢电流I d =1.0Α时，U I = 0.15V（±75mv）。
此信号经阻容滤波后，送往运放器U4的输入端，U 2A 可以是一个比例调节器，也可改成一惯性调节器，它输出的电流信号的极性为正，与速度调节器输出的负极性电压比较，构成负反馈，送往电流调节器。
⑤ 与此同时，由U4调节器输出的电流信号，还送往由运放器U5构成的比较器的（+）端，
去与由+12V电源、15K Ω及RP 8电阻构成的基准电压（比较器的（-）端）去进行比较。（此基准电压代表截至电流的数值）。当电流信号大于基准电压（意味着电流超过了截至电流）时，则比较器立即输出饱和电压（+11V）（正极性），送往电流调节器输入端，导致电流调节器使电流迅速下降，从而起到电流截至保护作用（作用时间仅为10ms ），（否则为100 ms）。而且U5还有自锁作用（由二极管及2K Ω电阻构成的正反馈）。若不断开电源，排除故障，系统不会工作。
由上述分析可见，由U4构成的为电流负反馈环节，起限流作用；而由U5构成的为电流截止负反馈环节，起过电流保护作用（需断电复位）。 ① 双闭环直流调速系统的示意图如图8-2所示。
图8-2 转速双闭环直流调速系统框图
由图可见，速度和电流双闭环调速系统是由速度调节器ASR 和电流调节器ACR 串接后分成两级去进行控制的，即由ΑSR 去“驱动”ΑCR ，再由ΑCR 去“驱动”触发器。电流环为内环，速度环为外环。ΑSR 和ΑCR 在调节过程中起着各自不同的作用：
A 、电流调节器ACR 的作用：稳定电流，使电流保持在I d ≈U sim ╱β的数值上。从而： ① 依靠ΑCR的调节作用，可限制最大电流，I d ≤U sim ╱β，式中β为电流反馈系数，U sim 为电流调节器给定电压的最大值，调节RP 4, 即可调节U sim 的大小。亦即调节最大电流I dm 的数值。
② 当电网波动时，ΑCR 维持电流不变的特性，使电网电压的波动，几乎不对转速产生影响。
B 、速度调节器ASR 的作用：稳定转速，使转速保持在n ≈ U sn ╱α的数值上。式中U sn
为转速调节器的给定电压，α为转速反馈系数，因此在负载变化（或参数变化或各环节产生扰动）而使转速出现偏差时，则靠ΑSR的调节作用来消除速度偏差，保持转速恒定。式中U sn 为速度调节器的给定电压，调节RP 1，即可调节U sn 的大小，亦即调节转速的大小；α为转速反馈系数，整定RP 2，即可整定 α的数值，整定α是为了整定U sn 为最大时的转速（通常为额定转速）。 三、实验设备
1、亚龙YL-209型实验装置单元（8）（9）（10） 2、直流电机机组、测功机及测速、测矩、测功仪 3、变阻器 4、双踪示波器 5、万用表 四、实验内容与步骤
（一） 对双闭环直流调速系统进行调试时，要列出调试大纲，调试的顺序大致是：
①先单元，后系统；②先控制回路，后主电路；③先检验保护环节，后投入运行；④通电调试时，先电阻负载，后电机负载；⑤先调内环（电流环），后调外环（速度环）；⑥对~ PI 调节器，一般先将反馈电容短接，或与反馈RC 并—高值电阻200K Ω~2M Ω（此系统可选择并联高值电阻）。⑦调试时，加给定电压，要从低到高，逐步加大，开始时，可先加1/3额定值（此处为3V 左右）；⑧要从空载→轻载→额定负载，逐步增大）。
（二）这里采取先实验（七），后实验（八），基本上体现了上述原则，因此本实验是在电力电子实验（七）的基础上进行的，所以要首先完成实验（七）的全部接线和实验内容。在此基础上：再切断供电电源。加入电流调节器与速度调节器（单元10）；以单元10的输出电压U C ，取代原先的给定电源；对单元10，加上±12V电压及公共线，在给定电压处，接入RP 1输出的U S 电压。在I 1、I 2和I 3处接入电流反馈信号；在U fn 接入由直流机组输出的转速负反馈信号U n [注意其极性，应将（-）端接U fn ，（+）端接地]；从而完成单元（10）的联线，并接上±12V电源。
（三）电流环的调试与整定。
由于电流负反馈与电流截止负反馈在此处会相互作用，所以要分别加以整定。事实上，只有当前者失效后，后者才起作用；所以，还是先调电流负反馈环节，调好后折去，再调电流截止负反馈。待两个分别都调试好以后，再同时接上去。
下面分别介绍如下：
1、先以变阻器（R ）作负载，并置滑动触点于电阻为最大值，串入电流表（2Α档），然后接在主电路输出端。
2、转速负反馈电压U fn 暂不接入。调节RP 1，使给定输入一个很小的电压（1.5V 左右），使速度调节器U1的1#脚输出为负限幅值（-8.2V 左右）。 3、电流负反馈环节整定（0.01μF 滤波电容暂不接入）。 1） 调节RP 4↑↓→输出（-2.6V ）左右。
2) 调节负载电阻R↑↓→I d =1.2I N =1.4Α（取I N =1.2Α） 3) 调节RP 6↑↓→U I ≈150mV。（U I 为RP 6两端电压） 4) 调节RP 7↑↓→U fi ≈2.5V.( U f i 为U4输出)
5) 将U fi 接入U 2输入端，再适当整定RP 4与RP 7以及调节负载电阻，使I d 保持1.4Α。 6) 在完成上述过程后，人为改变负载电阻，由于电流环的作用，电动机的电枢电流应保持不变。即I d =1.2I N =1.4A保持不变。（整定毕）
4、电流截止负反馈环节的整定。 1）保持RP 4与RP 7位置不变。 2） 在U2输入端折去U fi 信号。
3） 调节负载电阻R↑↓→I dm =1.5I N =1.5×1.2Α＝1.8Α。 4） 测量U4输出，此时U fi 约为4.0V 左右。
5） 调节RP 8→使分压处电位U 0≈U fi （ U 0≤Ufi ）。（U 0为电位器RP 8上端电位）
6） 将U 0接入U5反相输入端51KΩ电阻处。 7） 将U fi 接入在U5正相输入端2KΩ处。
8） 调节RP 8↑↓→使U5处于翻转边缘（翻转时，输出由0V→+11V）。
9） 将U5输出接入U2输入端，控制电路应截止。（整定毕）（若发现直直流流电动机起动时，电流截止负反馈环节使控制电路截止，则意味着截止电流I dm 整定值过小，可适当增大I dm 值。或暂不接入此环节）。 （四）速度环的调试与整定。
1、 将直流电动机电枢串100~200Ω变阻器（作启动电阻），串接在直流电源上，（开机前，使电压为最小，以防启动时冲击电流过大），然后逐步加大电压（由0V→90V），使电动机转速达到额定转速（1000r ╱min）。
2、将测速发电机输出U n 经分压后（10V 左右）接到图8-1的接线端（注意极性），调节RP 2，使分压后的输出U fn =7.5V左右。至此测速反馈环节整定完毕。
3、 将直流电动机取代变阻器作主电路负载。并完成测功机与测速、测矩测功仪的接线（见录附）。
4、 先将RP 1调至最低（OV ），再一次检查各单元之间的联线有无差错，若正确无误，且接线牢靠，则接通电源。
5、调试时，先调电流环。即先以U s 代替速度调节器输出（此时速度调节器不接入）。调节U s ，使电动机加速，并稳定运行。若有振荡，则可减少电流调节器增益（调节RP 5）或调节电流反馈信号的大小（调节RP 7），使U fI 与电流调节器的给定信号（由RP 4调节）相匹配。若电流环振荡，可在电流调节器反馈阻抗两端并接一个510KΩ电阻。（U4反馈电容可暂不接入）。
6、待电流环整定后，再接入速度调节器。给定电压U S 在0V ～8V 之间可调，观察系统运行是否正常，有无振荡，转速能否调节。电压、电流波形是否正常。若接入速度调节器后，出现振荡，则可适当减少速度调节器增益（调节RP 3），或调节转速反馈信号的大小（调节RP 2），使U fn 与U s 相匹配。若速度环振荡，可在速度调节器反馈阻抗两端并接一个1M Ω电阻。
7、若系统运行正常，电动机电枢的电压、电流波形见图8-3。
31
ud
id
图8-3 电机电枢电压和电枢电流波形图（电源断续）
（五）机械特性测定
1、 电机在一定的电压下（如U d =110V），，由测功机加载，调节测功机输出电流，即可调节加载阻力转矩的大小（见实验二加载步骤）。实验时，使电动机电流分别为空载（0.25A 左右）、0.4A 、0.6A 、0.8A 、1.0A 和1.2A ，同时记录下对应的电机转矩、转速。
U d ＝110V 时
2、 调节RP 1，使电机电压分别为U d ＝80V ，U d ＝50V ，重复上述实验，并记录下有关数据。
（六）记录下，U d ＝110V 、U d =80V及U d ＝50V 时，不同负载时的电压与电流波形。 五、实验注意事项
1、实验（七）所列的注意事项；
2、对指导书中的叙述仔细阅读，认真领会，写好调试大纲与实验步骤；
3、要逐步调试，发现问题，要结合所学理论知识，进行研究与探讨，加以解决。问题解决前，不要急于去做完实验。因为调试过程的故障分析与排除，能有效地提高分析能力与实践能力。 六、实验报告
1、记录系统调试至正常运行状态的主要步骤与调试过程。 1）如何整定电流环。 2）如何整定速度环。
2、电动机在空载和额定负载时的电压波形与电流波形（设U d ＝110V 、U d ＝50V 两种状况）。 3、在U d ＝110V 、U d =80V及U d ＝50V 时，直流调速系统的机械特性曲线n =f （T ）及n =f （I d ）。
4、在空载时，对应不同电压时的转速曲线n=f （U d ）
32
项目二、 两相混合式步进电机的控制
一、目的
1、学会步进电机的使用方法。 2、了解并熟悉步进驱动器的应用。
二、器材
1、步进电机一台； 2、步进驱动器一台；
3、PLC 主机一台（晶体管输出）； 4、通讯线一条； 5、电脑一台； 6、导线若干。
三、知识衔接：
（一）、PLSY ：16位连续执行型脉冲输出指令
1、PLSY 指令的编程格式：
*K1000：指定的输出脉冲频率，可以是T ，C ，D ，数值或是位元件组合如K4X0
*D0：指定的输出脉冲数，可以是T ，C ，D ，数值或是位元件组合如K4X0，当该值为0时，输出脉冲数不受限制
*Y0：指定的脉冲输出端子，只能是Y0或Y1 2、相关标志位与寄存器：
M8029：脉冲发完后，M8029闭合。当M0断开后，M8029自动断开。 M8147：Y0输出脉冲时闭合，发完后脉冲自动断开； M8148：Y1输出脉冲时闭合，发完后脉冲自动断开； D8140：记录Y0输出的脉冲总数,32位寄存器 D8142：记录Y1输出的脉冲总数,32位寄存器 D8136：记录Y0和Y1输出的脉冲总数,32位寄存器
注意: PLSY指令断开，再次驱动PLSY 指令时，必须在M8147或M8148断开一个扫描周期以
上，否则发生运算错误！
（二）、步进电机42BYGH5403
表1-1 42BYGH5403型两相混合式步进电动机技术参数
步进电动机A 、B 两相绕组的接线端如图1-1所示。
A+(红)
A -(蓝)
(绿)
B+
(黑) B-
图1-1步进电动机接线端
（三）、步进电动机驱动器
1）驱动器型号为
SH —20403，它是两相混合式步进电动机细分驱动器，它的特点是能适应较宽电压范围10V ～40VDC （容量30VA ），采用恒电流控制，它的电气性能如表
1-2所示。
2）步进电动机驱动器接线图
步进驱动器接线图如图1-2所示，输入接线口电路图1-3所示。
图1-2 步进驱动器接线图
公共端
脉冲信号方向信号脱机信号
图1-3输入接口电路
3）输入信号说明：
①公共端：本驱动器的输入信号采用共阳极接线方式，用户应将输入信号的电源正极连接到该端子上，将输入的控制信号连接到对应的信号端子上。控制信号低电平有效，此时对应的内部光耦导通，控制信号输入驱动器中。
②脉冲信号输入：共阳极时该脉冲信号下降沿被驱动器解释为一个有效脉冲，并驱动电机运行一步。
μs 。本驱动器的信号响应为了确保脉冲信号的可靠响应，共阳极时脉冲低电平的持续时间不应少于10频率为70KHz ，过高的输入频率将可能得不到正确响应。
③方向信号输入：该端信号的高电平和低电平控制电机的两个转向。共阳极时该端悬空被等效认为
μs 建立，可避免驱动器对脉冲的输入高电平。控制电机转向时，应确保方向信号领先脉冲信号至少10错误响应。
④脱机信号输入：该端接受控制机输出的高/低电平信号，共阳极时低电平时电机相电流被切断，转子处于自由状态（脱机状态）。共阳极时高电平或悬空时，转子处于锁定状态。 4）输出电流选择
5）细分等级选择
四、项目过程
1、
接线图如下所示；
电源DC5V
启动复位方向
2、 调节驱动器的最大输出电流为1.8A ；（说明：电流的调节查看驱动器面板丝印上的白色方块对应开关
的实际位置）
3、 调节驱动器的细分为“1”；
4、 接通电源，给PLC （控制机）灌写程序如下； 梯形图解释
当控制机的控制端X0闭合时，PLC 在4s 内给步进电机驱动器发射400个脉冲，电机正好转2周停止。 控制端X2是控制步进电机的旋转方向，控制端X1是复位PLC 给驱动器发射脉冲。
五、项目拓展：
1、 如果让步进电机旋转一圈半，如何来完成？ 2、 步进电机的转速为60转/分钟，如何实现？
实验四十八、 两相混合式步进电机的力矩测量实训
一、训练目标
1、学会步进电机的使用方法。 2、了解并熟悉步进电机的力矩测量。
二、训练器材
1、步进电机一台； 2、步进驱动器一台；
3、PLC 主机一台（晶体管输出）； 4、计算机一台； 5、编程下载线一条； 6、导线若干； 7、弹簧秤组件一套。
三、实验电路与工作原理
1、步进电动机
1）步进电动机是将输入的电脉冲信号转换成角位移的特殊同步电动机，它的特点时每输入一个电脉冲，电动机转子便转动一步，转一步的角度称为步距角 ，步距角愈小，表明电机控制的精度愈高。由于转子的角位移与输入的电脉冲个数成正比，因此电动机转子转动的速度便与电脉冲频率成正比。改变通电频率，即可改变转速。改动电机各相绕组通电的顺序（即相序）即可改变电动机的转向。如果不改变绕组通电的状态，步进电动机还具有自锁能力（即能抵御负载的波动，而保持位置不变），而且从理论上说其步距误差也不会积累。因此步进电动机主要用于开环控制系统的进给驱动。步进电动机的主要缺点是在大负载和高转速情况下，会产生失步，同时输出的功率也不够大。
2) 步进电动机按工作原理分类由可分为磁阻式（即反应式）、永磁式和混合式（兼有永磁和磁阻）三种。按绕组相数又可分为两、三、四、五等不同的相数，按电压等级又可分为24V 、30V 、80V 、80V/12V、80V/18V等。（工作原理可参见附录I ）
3）本实验采用的步进电动机为两相混合式步进电动机，电压为10～40V 。其型号为35BYG250[其中35（mm ）—机座尺寸，BYG —为混合式，2—两相，50—转子齿数]，其技术参数如表48-1所示
表48-1 35BYG250型两相混合式步进电动机技术参数
4）步进电动机A 、B 两相绕组的接线端如图48-2所示。
A+(红)
A -(蓝)
(绿) B+
图48-2步进电动机接线端
(黑) B-
2、步进电动机驱动器
1）驱动器型号为SH —20403，它是两相混合式步进电动机细分驱动器，它的特点是能适应较宽电压范围10V ～40VDC （容量30VA ），采用恒电流控制，它的电气性能如表48-3所示。
2）步进电动机驱动器接线图 步进驱动器接线图如图48-4所示。
图48-4 步进驱动器接线图
3）输入信号说明：
①公共端：本驱动器的输入信号采用共阳极接线方式，用户应将输入信号的电源正极连接到该端子上，将输入的控制信号连接到对应的信号端子上。控制信号低电平有效，此时对应的内部光耦导通，控制信号输入驱动器中。
②脉冲信号输入：共阳极时该脉冲信号下降沿被驱动器解释为一个有效脉冲，并驱动电机运行一步。为了确保脉冲信号的可靠响应，共阳极时脉冲低电平的持续时间不应少于
10μs 。本驱动器的信号响应频率为70KHz ，过高的输入频率将可能得不到正确响应。 ③方向信号输入：该端信号的高电平和低电平控制电机的两个转向。共阳极时该端悬
μs 建立，空被等效认为输入高电平。控制电机转向时，应确保方向信号领先脉冲信号至少10可避免驱动器对脉冲的错误响应。
④脱机信号输入：该端接受控制机输出的高/低电平信号，共阳极时低电平时电机相电流被切断，转子处于自由状态（脱机状态）。共阳极时高电平或悬空时，转子处于锁定状态。
4）输出电流选择
5）细分等级选择
四、实验内容与实验步骤
1、将步进电动机的A 、B 两相绕组与驱动器的输出A + A -及B + B - 正确相联。 参见图6-2及图6-1。
2、正确选择输出电流。如表6-2所示，步进电动机的相电流为0．8A
3、正确选择脉冲步数。因此在表6-3中，如今选1整步/脉冲，选择1→OFF ，2→OFF 及3→OFF 。
（步骤2，3已选定，学员进行校对验证即可） 4、灌入48-1所示的程序； 4、将脉冲输入信号X0置“1”。 5、将方向输入信号X2置“0”； 6、观察电机的运转；
7、将方向输入信号X2置“1”；
8、观察电机的转向。
9、通过调节设备中的弹簧秤来给电机施加外力从而进行测力F ； 10、L 为步进电机转盘的半径； 11、然后用T=F×L 公式计算力矩。
记录在不同频率下对应的步进电动机的转速n 。记录在表6-5中。
12、可用钩码测来测定步进电动机的定位转矩和保持转矩。
五、实训内容
48-1步进梯形图程序
六、实验注意事项
1、由于驱动器为通用工业产品，它含有多个拨码开关，以供用户的多种用途与选择，这些拨码快关设计时只考虑少量次数的整定，因此请使用者不要随意区拨动，以免损坏驱动器开关。
2、由于步进电动机是微型电机，输出的转矩和功率都很小，实验时请小心加载，堵转时间过长，会烧电机。
七、实验报告
1、说明改变步进电动机转向的方法。
2、根据表6-5实验数据，以脉冲频率f 为横坐标，步进电动机的转速n 为纵坐标，画出n f (f ) 间的关系，并判断它们间是否线性关系，有无死区。
3、根据实验数据，说明步进电动机的定位转矩的数值。
实验四十九、 交流伺服电机的控制
一、训练目标
1、学会交流伺服电机的使用方法。 2、了解并熟悉交流伺服的应用。
二、训练器材
1、交流伺服电机一台； 2、1uF 450V电容一个； 3、1500Ω 150W的电阻一个； 4、导线若干。
三、实训内容
1、外部接线图如下所示；
1uF
450V
1
激磁电压
交流220V
1500Ω
150W
1、 1、2端是激磁电压端； 2、 3、4是控制电压端；
3、 如图所示激磁电压端串联一个1uF 的电容接入交流220V 电源； 4、 控制端接入交流220V 控制电压；
5、 控制端串联一个1500欧姆150W 的电位器调节控制端电压，可调节伺服电机的转速。
注意：面板丝印图的交流伺服B-、B+、A-、A+为上图所示的1、2、3、4。
实验五十、 交流伺服电机的力矩测量实训
一、训练目标
1、学会交流伺服电机的使用方法。 2、了解并熟悉交流伺服电机的力矩测量。
二、训练器材
1、交流伺服电机一台； 2、1uF 450V电容一个； 3、1500Ω 150W的电阻一个； 4、导线若干； 5、弹簧秤组件一套。
三实训内容
1、 二相异步交流伺服电动机 ⑪结构特点
交流伺服电动机是自动控制系统中的一种常用的执行元件。它实质上是一个两相感应电动机。它的定子装有两个在空间上相差90°的绕组：励磁绕组A 和控制绕组B 。运行时，励磁绕组A 始终加上一定的交流励磁电压（其频率通常有50Hz 或400Hz 等几种）；控制绕组B 则接上交流控制电压。常用的一种控制方式是在励磁回路串接电容C ，参见图1-1，这样控制电压在相位上（亦即在时间上）与励磁电压相差约90°。 交流伺服电动机的转子通常有笼式和空心杯式两种。笼型（如SL 型）交流伺服电动机的转子与普通笼型转子有两点不同：一是其形状细而长(为了减小转动惯量) ，二是其转子导体采用高电阻率材料（如黄铜、青铜等），这是为了获得近似线性的机械特性。空心杯转子（如SK 型）交流伺服电动机，它是用铝合金等非导磁材料制
成的薄壁杯形转子，杯内置有固定的铁心。这种转子的U 优点是惯量小，动作迅速灵敏，缺点是气隙大，因而效V
率低。
图1-1 交流伺服电动机的电
路图
本装置采用的是SL 型笼式二相交流伺服电动机，型号为55SL5A2，其中55表示电机外径为55mm ，其技术参数如表1—1所示。
表1—1 55SL5A2二相异步交流伺服电动机技术参数
⑫工作原理
当定子的两个在空间上相差90°的绕组（励磁绕组和控制绕组）里通以在时间上相差90°电角的电流时，两个绕组产生的综合磁场是一个强度不均匀的旋转磁场。在此旋转磁场的作用下，转子导体相对地切割着磁力线，产生感应电动势，由于转子导体为闭合回路，因而形成感应电流。此电流在磁场作用下，产生电磁力，构成电磁转矩，使伺服电动机转动，其转动方向与旋转磁场的转向一致。分析表明，增大控制电压，将使伺服电动机的转速增加； 改变控制电压极性，将使旋转磁场反向，从而导致伺服电动机反转。
⑬机械特性与调节特性
① 机械特性 电动机的机械特性是控制电压不变时，转速n 与转矩T 间的关系。由于交流伺服电动机的转子电阻较大，因此它的机械特性为一略带弯曲的下垂斜线。即当电动机转矩增大时，其转速将下降。对于不同的控制电压U B ，它为一族略带弯曲的下垂斜线。参见1-2a ）。由图可见，在低速时，它们近似为一族直线，而交流伺服电动机较少用于高速，因此有时近似作线性特性处理。
② 调节特性 电动机的调节特性是负载转矩不变时，电动机的转速n 与控制电压U B
间的关系。交流伺服电动机的调节特性如图1-2b 所示。对不同的负载转矩，它们是一族弯曲上升的斜线，转矩愈大，则对应的曲线愈低，这意味着，负载转矩愈大，要求达到同样的转速，所需的电枢愈大。此外，由图可见，交流伺服电动机的调节性也是非线性的。
n
n
T
a)
b)
U B
a) 机械特性 b)调节特性
图1-2交流伺服电动机的机械特性与调节特性
综上所述，交流伺服电动机的主要特点是结构简单，转动惯量小，动态响应快，运行可靠，维护方便。但它的机械特性与调节特性线性度差，效率低，体积大，所以常用于小功率伺服系统中。 2、实验电路
实验电路如图1-1所示。根据电机技术参数，U A 与U B 均为50Hz ，220V 电压。图中的电容器C 根据电机要求为1.1～1.5µF。
三、实验设备
1、55SL5A2交流伺服电动
2、电容模块C08（1.0µF/450，0.5µF、450V ） 3、变阻器：YL-195型装置中的单相调压器 4、机械加载装置
5、交流电压表，交流电流表2只，万用表 四、实验内容与实验步骤
1、 按图1-1完成全部接线。其中电压表选（0～300V ），电流表选（0～1.0A ）；控制电压
可用装置中的单相调压器获得，其中1、0两端接U 、V ；2、0端接控制绕组，如图1-3所示。
2
U B
10
U
220V
V
图1-3单相调压器的连接
2、 测定交流伺服电动机空载时的调节特性
电动机不加机械负载，调节单相调压器，从零电压开始逐步升高U B 电压，至U B 为最大值。上述的调节，分别使U B 为30V 、60V 、90V 、120V 、170V 、220V ，同时记录下对应的（空载）转速n ，转速用激光测速计测得（在黑色转盘表面贴一白色反射纸片），并记录在表1-2中。
3、 测定交流伺服电动机负载时的调节特性
对微型电机通常采用测力计与摩擦轮的组合来加机械负载，如图1-4所示。图中，图形为装在电动机轴上的皮带轮（摩擦轮），皮带两端套在测力计（弹簧秤）的园钩上，今设电动机顺时针旋转，由于摩擦力的作用，两个测力计的读数F 1 和F 2将是不等的（F 1 >F 2），加在摩擦轮（即电动机轴）上的阻力矩
T L = (F 1 -F 2) r (式中r 为皮带轮半径)
将螺杆向上旋，收紧皮带，将使摩擦阻力转矩T L 变大。
按图1-4所示，将被测电动机放在龙门架底板上，并置于两测力 图1-4 机械加
载装置
计中央，使两根皮带垂直并平行。
调节螺杆，使交流伺服电动机的阻力矩为50m/N•m ，（堵转转矩的一半），[若r =25mm，即 (F 1 -F 2) ≈2.0N ]，在实验时，为减少皮带与摩擦轮间的摩擦时间，在大范围加载时，先把电机停下来进行加载，加载后，再用螺杆作微调。
重做上述实验，记录在表1-3中（与表1-2同）。 4、 测定交流伺服电动机的机械特性
①将U B 调节至额定值（220V ）
②从空载大致分6档逐渐增大负载至T L =75mN m(F 1-F 2=3.0N ) 。记下各对应负载下的转数，并记录在表1-4中
5、将U B 调 U B =160V， 重做上述实验，将实验数据记录在表1-5中（与表1-4）相同，U B 改为160V ）
6、在U B = 220V（额定的条件下，加大负载，使电动机刚好停转[堵转（block ）]，记录下F 1 与F 2并计算出堵转转矩，同时读出堵转时的励磁电流i Abl
与控制电流i Bbl 。
五、实验注意事项
1、调压器输出电压要从零开始逐步升压。
2、做电机堵转实验时，要动作迅速 （F 1、F 2、i A 、i B 迅速读数），以免电机过热。 3、被测电机要置于龙门架中心位置，使两极皮带垂直。
六、实验报告
1、根据表1-4与表1-5所记数据，在同一坐标纸上，画出在不同控制电压下的机械特性曲线。
2、根据表1-2与表1-3所记数据，在同一坐标纸上，画出在不同负载下的调节特性曲线。 3、记录电机的堵转转矩T bl 、励磁堵转电流i Abl 与控制堵转电流i Bbl 。
实验五十一、 三相晶闸管全（半）控桥（零）式整流电路
及三相集成触发电路的研究
一、实验目的
1、熟悉三相全控桥式整流电路的结构特点，以及整流变压器、同步变压器的连接； 1、 掌握KC785集成触发电路的应用；
2、 掌握三相晶闸管集成触发电路的工作原理与调试（包括各点电压波形的测试与分析）。 4、研究三相全控桥式整流供电电路（电阻负载时），在不同导通角下的电压与电流波形。
①
二、实验电路与工作原理2
（一）三相全控桥式整流电路如图7-1所示。
图7-1 三相晶闸管全控桥式整流电路 （单元7）
注①：这里以三相全控桥为例，进行分析。若以VD 2、VD 4、VD 6取代VT 2、VT 4、VT 6, 则为三相半控桥路。若负载的另一端与N 线相联，则为三相半波（零式）电路。
1、图中6个晶闸管的导通顺序如图7-2所示。它的特点是：
①它们导通的起始点（即自然换流点）；对共阴极的VT 1、VT 3、VT 5，为u Α、u B 、u C 三个正半波的交点；而对共阳极的VT 4、VT 6、VT 2，则为三相电压负半波的交点。
② 在共阳极和共阴极的管子中，只有各有一个导通，才能构成通路，如6-1、1-2、2-3、
3-4、4-5、5-6、6-1等，参见图7-2。这样触发脉冲和管子导通的顺序为1→2→3→4→5→6，间隔为60°。
VT 1VT 3VT 5
A B C
L d
VT 4VT 6VT 2
(a)
(b)
图7-2 三相全控桥电路及其触发脉冲
③ 为了保证电路能启动和电流断续后能再触发导通，必须给对应的两个管子同时加上触发脉冲，例如在6-1时，先前已给VT 1发了触发脉冲，但到1-2时，还得给VT 1再补发一个脉冲（在下面介绍的触发电路中，集成电路KC41C 的作用，就是产生补脉冲的），所以对每个管子触发，都是相隔60°的双脉冲，见图7－2b （当然用脉宽大于60°的宽脉冲也可以，但功耗大）。
2、在图7-1中，TA 为电流互感器（三相共3个），（HG1型，5Α╱2.5mΑ，负载电阻＜100Ω），由于电流互感器二次侧不可开路（开路会产生很高电压），所以二次侧均并有一个负载电阻。
（二）整流变压器与同步变压器的接线如图7-3所示。
1、采用整流变压器主要是为了使整流输出电压与电动机工作电压相适当。由于本系统中电
动机电压为110V ，由三相全控桥电压公式有U d =2.34U 2中（U d 为直流输出电压，U 2为变压器二次侧相电压），现以U d ＝110V 代入上式，有U 2中≈47V 。
2、整流变压器接成Dy 型（Δ－Y 型），可有效抑制整流时产生的三次谐波对电网的不良影
响。此处接成Dy11（Δ╱Y－11）[联接图如b 图所示]。 3、此外整流变压器还起隔离作用，有利于人身安全。
4、触发电路采用同步电压为锯齿波的集成触发电路KC785，由于同步电压要经过阻容滤波
电路，会造成相位上的滞后（60°~70°），这需要补偿。因为电压过零点已较自然换流点超前了30°，因此同步电压较主电路电压再超前30°，就可以了，所以采用Yy10(Y╱Y-10) 的联接方式，如图a ）所示。
TR(Dy11)
U A1U B1
U C1
U A U B U C
Yy-10(Y/Y-10)
Dy11(Δ/y-11)
( a )( b )( c )
图7-3 同步变压器与整流变压器联接图（单元8）
同步变压器与整流压器的联接图如图7-3C 所示。
（注）三相变压器联接的钟点数，是以一次侧的相电压为钟的长针，以二次侧的相电压为短针来标定的。
由图7-3(C）可见，整流变压器二次侧的U A , 对应一次侧的U AB1，而U AB1较U A1，超前30°，因此U A （短针）与U A1（长针）构成11点钟，参见图7-4。
同样由图7-3(C)可见，U SA 与-U B1对应，这样由图7-4可见，U SA 较U A 超前30°。如今阻容移相使相位滞后70°左右，这样移相后的电压将较U A 滞后40°（ 70°—30°）左右。它较自然换相点仅滞后10°（40°—30°）左右。这意味着，控制角α的移相范围为10°～120°。这里不使控制角从0°开始，是为了防止输出电压过高，也可使移相范围处于锯齿波的线性段。
图中U A1为220V ，U A 为47V ，U SA 为16.5V 。
B1
1、 U A -U A1：△/Y-11 b) 阻容移相后的同步电压
U SA -U A1：Y/Y-10 较自然换相滞后10°
图7-4
（三）三相晶闸管集成触发电路如图7-5所示
1、三相晶闸管触发电路的核心部分是由三块集成触发电路N1、N2、N3构成的电路，它们是TC Α785（国产为KJ785或KC785）集成电路。
图7-5 三相晶闸管集成触发电路（单元9）
TC Α785是西门子（Siemens ）公司开发的第三代晶闸管单片移相触发集成电路，它的输出输入与CMOS 及TTL 电平兼容，具有较宽的电压范围和较大的负载驱动能力，每路可直接输出250m Α的驱动电流。其电路结构决定了自身锯齿波电压的范围较宽，对环境温度的适应性较强。该集成电路的工作电源电压范围-0.5V-18V.TC Α785的引脚和内部结构原理示意图见图7-6。
图7-6 TCΑ785的内部结构原理示意图
TC Α785内部结构包括零点鉴别器（ZD ）、同步寄存器（SR ）、恒流源（SC ）、控制比较器（CC ）、放电晶体管（VD ）、放电监控器（DM ）、电平转换及稳压电路（PC ）、锯齿波发生器（RG ）及输出逻辑网络等九个单元。TCA785是双列直插式的16脚大规模集成电路，其各引脚功能：（16）（V S ）电源端；①（Q S ）接地端；④（Q 1）和②（Q 212的非端；14（Q 1）和15（Q 2）输出脉冲的1和2端；13（L ）为输出脉冲Q 1、Q 2宽度控制端；12（C 12）输出Q 1、Q 2脉宽控制端；11（V 11）输出脉冲Q 1、Q 2或Q 1、Q 2 移相控制直流电压输入端；⑩（C 10）外接锯齿波电容连接端；⑨（R 9）锯齿波电阻连接端；⑧（V REF ）TC Α785自身输出的高稳定基准电压端；⑦（Q Z ）和③（Q V ）为TC Α785输出的个两逻辑脉冲信号端；⑥（I ）脉冲信号禁止端；⑤（V SYNC ）同步电压输入端。
其工作过程为来自同步电压源的同步电压，经高阻值的电阻后，送给电源零点鉴别器ZD ，经ZD 检测出其过零点后，送同步寄存器寄存。同步寄存器中的零点寄存信号控制锯齿波的产生，对锯齿波发生器的电容C 10，由电阻R 9决定恒流源SC 对其充电的电压上升斜率，当电容C 10两端的锯齿波电压大于移相控制电压V 11时，便产生一个脉冲信号送到输出逻辑单元。参见图7-7，由此可见，触发脉冲的移相是受移相控制电压V 11的大小控制，因而触发脉冲可在0~180°范围内移相。对每一个半周，在输出端Q 1和Q 2出现大约30μs 宽度的窄脉冲。该脉冲宽度可由12脚的电容C12决定。如果12脚接地，则输出脉冲Q 1、Q 2的宽度为180°的宽脉冲。
V 5
V 10
V 11V 11
V 15
V 14
图7-7 触发脉冲的产生
KC785的主要技术数据
1）电源电压：直流+15V（允许工作范围12V ~18V ） 2) 电源电流：≤10mΑ
3) 同步输入端允许最大同步电流：200μΑ 4）移相电压范围：-0.5V ~（V S -2）V （13V ） 5）移相范围：≥170° 6）锯齿波幅度：（V S -2）V （13V ） 7）输出脉冲：
①幅度：高电平≥（V S -2.5）V ；低电平：≤2V ②宽度：无C12:#30μS 左右
~ 有C12：（400 600）μS╱nF ③最大输出能力：55m Α（流出脉冲电流）
8）2＃3＃4＃7＃脉冲电压输出端输出能力：≤2mΑ （灌入脉冲电流） 9）封装：采用16脚塑料双列直插封装 10）允许使用温度：-10°C ~ 70°C 。
2、图7-5中的RP 1、RP 2、RP 3为N 1、N 2、N 3⑨脚引脚的可变电阻，它们是用来调节三相锯齿波的斜率的。
3、图中SA 、SB 、SC 为三相同步电压，它由同步变压器U S Α、U SB 、U SC 三端引入，经阻容滤波电路将使相位滞后40°左右后，送往N1、N2、N3的⑤脚。
由于阻容值有误差，移相角度会有差异，会使三相触发波形不对称。因此在各相同步电压输入处，再增设一可变电阻（22K Ω），以调节移相相位，使三相输出电压相位对称互差120°。
4、控制电压U C 同时经限流电阻送往N 1、N 2、N 3的（11）脚（去与锯齿波进行比较）。 5、图中集成电路N 0为CD4011，它是四个2输入与非门，由它构成的电路，由图7－8所示，是一个他激式（“0”有效）环形振荡器。
图7-8 环形振荡器
此电路从N 1~N 3的⑦脚接收到KC785输出的脉冲信号，经电路形成振荡后，
通过⑥脚（6脚为N 1~N 3的脉冲信号禁止端）使KC785输出的脉冲变成脉冲列（脉冲列的前沿陡，幅值高，功耗小）。脉冲列的频率为（5~10）KHz 。
6、图中N4为KC41C ，它的内部结构原理示意图和应用实例，见图7-9。它的作用是对N 1~N 3
经14、15脚输出的基本脉冲，通过输入二极管再产生一个补脉冲。例如2*脚输入脉冲时，它通过二极管D 1同时给V 1基极送出一个脉冲信号，使VT 2、VT 1能同时导通。参见图7-9α）。图中V 7为电子开关，当7*脚为“0”时，V 7截止，各路将有脉冲输出；当7*脚为“1”（悬空）时，由16*脚输入的+15V电压，将使V7导通，将输出通路封锁（置零）。因此将7*脚引出，作封锁信号CR （输入“1”信号）。元件中的稳压管提供阀值电压，以防止误触发。元件的16*脚接+15V电源，8*脚接地。
7、由KC41C 输出的触发脉冲，经功率放大，再经脉冲变压器，送往VT 1~VT 6六个晶闸管的G 、K 极。
8、在图7-5中，在脉冲变压器一次侧续流（二极管）回路中，串接一个18V 的稳压管，是为了使脉冲电流迅速减小（以增加脉冲后沿陡度），而过电压又不致过大（
9、此电路的供电电源有+12V、+15V和+24V三组，不要搞错。
2
16
+15V
A0
C0
B0
C0
3DK4X6(3DG27)
[1**********]9
KC41C
1
2
3
4
5
6
7Q
8
6
10
7
图7-9 KC41C 内部结构原理图示意图和应用实例
三、实验设备
1、亚龙YL-209型实验装置的单元（8）、（9） 2、双踪示波器 3、万用表 4、变阻器 四、实验内容与步骤
1、将整流变压器联成Dy11接法，将同步变压器联成Yy10接法，不接负载。将它们的一次侧接上220V ╱380V 电源，用示波器测量U Α1, U Α和U SΑ的幅值与波形，观察后者是否较前者超前30°。同时测量±12V 电源电压是否正常。
2、切断电源，将整流变压器输出U Α、U B 、U C 分别接入主电路的L 1、L 2和L 3输入端。 3、在主电路的输出端U 1和U 2间接上一电阻负载（变阻器）
4、触发电路接上+12V,+15V及+24V电源，输入同步电压（16.5V ），控制电压U C 端接在稳压电源上，U c 在0~8V间进行调节，先使U C 为4V 左右，用万用表及示波器，观测N1的⑩脚（锯齿波）及14、15脚的输出（双脉冲列）的幅值与波形。
由图7-7可见，当控制电压 U C （即图中V 11）为最小时，a 为最小，此时输出电压为最大。反之，当U C ≈8V时，触发脉冲消失，U d =0。
调节RP 1，使N1锯齿波的幅值为7.8~7.9V，当U C1增大到最大（8V 左右）时，再适当调
节RP 1，使N1的脉冲刚好消失。
5、再以N1的锯齿波为基准，调节RP 2和RP 3，使N 2和N 3锯齿波的斜率与N 1相同（用示波器观察）。
6、调节控制电压U c ，使U c 由0→8V，观察脉冲的移相范围。并测量6个触发脉冲，是否互差60°，并记录下触发脉冲的波形。
7、测量N4的10#~ 15# 脚的输出脉冲的幅值与相位。若各触发脉冲正确无误（如图7-2所示）。则在切断电源后，将脉冲变压器的输出接到对应的六个晶闸管的G 、K 极。
8、合上电源，观测电阻负载上的电压的数值与波形，调节U C 的大小，使控制角α分别为30°、60°、90°及120°，记录电压的平均值与波形。
9、调节变阻器及U C 使电流I d =1.5Α, 测量电流互感器输出的电压数值。（I 1与I 2间或I 2
与I 3间）。
10、测量α＝60°时，VT 1元件K 、A 间的电压波形。
11、若6只晶闸管中，有一只（设VT 2损坏—除去它的触发脉冲）重新测量U d 的幅值与波形，并从晶闸管的波形去判断该元件是否正常。 五、实验注意事项
1、由于这为一大型实验，涉及许多理论知识，因此实验前要复习电力电子课程的相关基础知识，并仔细阅读实验指导书，列出实验步骤。
2、由于实验联线较多，因此，应联好一单元，检查一单元，并测试是否正常。只有在确保各单元工作正常无误的情况下，才可将各单元联接起来。
3、实验中有多处要用示波器进行比较测量，要注意找出两个探头公共端的接线处，否则很易造成短路。 六、实验报告
1、记下，电源U Α1、整流变压器U Α、同步变压器输出电压U SΑ的平均值与波形，以及它们间的相位差。
2、VT 1~VT6管的触发脉冲的幅值、波形及相位。 3、电阻负载在
α＝30°，α＝60°和α＝90°时的电压的数值及波形，以及它们的平均值
与计算值是否一致。
4、在α＝60°时，VT 1元件K 、Α两端的电压波形。
5、若VT 2损坏，Α、K 两端的电压波形是怎样的？对波形进行分析，指出正常的与不正常的地方，并分析形成原因。
实验五十二、 双闭环三相晶闸管全控桥式整流直流调速系
统的调试与机械特性的测定
一、实验目的
1、理解双闭环直流调速系统的结构特点、工作原理和保护环节的作用； 2、掌握双闭环直流调速系统各单元的联接和整定； 3、学会双闭环直流调速系统的调试、性能分析和故障排除； 4、测定双闭环直流调速系统的机械特性。 二、实验电路和工作原理 1、主电路见图7－1。
2、整流变压器及同步变压器电路见图7－3。 3、三相集成触发电路见图7－5。 以上电路的工作原理见实验（七）说明 4、直流电动机机组，机组说明见实验（二）。
5、电流调节器和速度调节器，见图8-1。现对图8-1所示各环节再作一些说明：
图8-1 电流调节器与速度调节器电路（单元10）
① 图中运放器U2构成的电路为电流调节器，它是在比例积分调节器的基础上，还可增加
一个510K Ω的反馈电阻，以利电流环的稳定。它输出电压的极性为正，8.2V 稳压管为正向限幅。3.3K Ω电位器整定增益，470Ω电阻为防止增益过大。
② 图中运放器U1构成的电路为速度调节器，它是比例积分调节器。同理，它还可增加一
个1M Ω的反馈电阻，也是为了速度环的稳定。输入端的RC 滤波环节，主要为了滤掉干扰信号，并增加缓冲作用，它输出电压的极性为负，8.2V 稳压管为反向限幅，其给定电压为0→8V。在运放器输入端还设置了一个由-12V 电压、2M Ω和5.1K Ω电阻组成的分压电路，提供一个-0.03V 负偏置电压，以防止干扰信号引起误动动作。
③ 图中运放器U3为反相器（输出电压极性为负），它与8.2V 稳压管，2K Ω电阻及+12V
电源为触发电路提供0→8.2V的给定电压。
④ 图中I 1、I 2和I 3为三相电流互感器的输出，它们经由肖特基二极管构成的三相桥式整流
后，成为电流反馈的直流信号。68Ω电位器整定电流信号电压，使电枢电流I d =1.0Α时，U I = 0.15V（±75mv）。
此信号经阻容滤波后，送往运放器U4的输入端，U 2A 可以是一个比例调节器，也可改成一惯性调节器，它输出的电流信号的极性为正，与速度调节器输出的负极性电压比较，构成负反馈，送往电流调节器。
⑤ 与此同时，由U4调节器输出的电流信号，还送往由运放器U5构成的比较器的（+）端，
去与由+12V电源、15K Ω及RP 8电阻构成的基准电压（比较器的（-）端）去进行比较。（此基准电压代表截至电流的数值）。当电流信号大于基准电压（意味着电流超过了截至电流）时，则比较器立即输出饱和电压（+11V）（正极性），送往电流调节器输入端，导致电流调节器使电流迅速下降，从而起到电流截至保护作用（作用时间仅为10ms ），（否则为100 ms）。而且U5还有自锁作用（由二极管及2K Ω电阻构成的正反馈）。若不断开电源，排除故障，系统不会工作。
由上述分析可见，由U4构成的为电流负反馈环节，起限流作用；而由U5构成的为电流截止负反馈环节，起过电流保护作用（需断电复位）。 ① 双闭环直流调速系统的示意图如图8-2所示。
图8-2 转速双闭环直流调速系统框图
由图可见，速度和电流双闭环调速系统是由速度调节器ASR 和电流调节器ACR 串接后分成两级去进行控制的，即由ΑSR 去“驱动”ΑCR ，再由ΑCR 去“驱动”触发器。电流环为内环，速度环为外环。ΑSR 和ΑCR 在调节过程中起着各自不同的作用：
A 、电流调节器ACR 的作用：稳定电流，使电流保持在I d ≈U sim ╱β的数值上。从而： ① 依靠ΑCR的调节作用，可限制最大电流，I d ≤U sim ╱β，式中β为电流反馈系数，U sim 为电流调节器给定电压的最大值，调节RP 4, 即可调节U sim 的大小。亦即调节最大电流I dm 的数值。
② 当电网波动时，ΑCR 维持电流不变的特性，使电网电压的波动，几乎不对转速产生影响。
B 、速度调节器ASR 的作用：稳定转速，使转速保持在n ≈ U sn ╱α的数值上。式中U sn
为转速调节器的给定电压，α为转速反馈系数，因此在负载变化（或参数变化或各环节产生扰动）而使转速出现偏差时，则靠ΑSR的调节作用来消除速度偏差，保持转速恒定。式中U sn 为速度调节器的给定电压，调节RP 1，即可调节U sn 的大小，亦即调节转速的大小；α为转速反馈系数，整定RP 2，即可整定 α的数值，整定α是为了整定U sn 为最大时的转速（通常为额定转速）。 三、实验设备
1、亚龙YL-209型实验装置单元（8）（9）（10） 2、直流电机机组、测功机及测速、测矩、测功仪 3、变阻器 4、双踪示波器 5、万用表 四、实验内容与步骤
（一） 对双闭环直流调速系统进行调试时，要列出调试大纲，调试的顺序大致是：
①先单元，后系统；②先控制回路，后主电路；③先检验保护环节，后投入运行；④通电调试时，先电阻负载，后电机负载；⑤先调内环（电流环），后调外环（速度环）；⑥对~ PI 调节器，一般先将反馈电容短接，或与反馈RC 并—高值电阻200K Ω~2M Ω（此系统可选择并联高值电阻）。⑦调试时，加给定电压，要从低到高，逐步加大，开始时，可先加1/3额定值（此处为3V 左右）；⑧要从空载→轻载→额定负载，逐步增大）。
（二）这里采取先实验（七），后实验（八），基本上体现了上述原则，因此本实验是在电力电子实验（七）的基础上进行的，所以要首先完成实验（七）的全部接线和实验内容。在此基础上：再切断供电电源。加入电流调节器与速度调节器（单元10）；以单元10的输出电压U C ，取代原先的给定电源；对单元10，加上±12V电压及公共线，在给定电压处，接入RP 1输出的U S 电压。在I 1、I 2和I 3处接入电流反馈信号；在U fn 接入由直流机组输出的转速负反馈信号U n [注意其极性，应将（-）端接U fn ，（+）端接地]；从而完成单元（10）的联线，并接上±12V电源。
（三）电流环的调试与整定。
由于电流负反馈与电流截止负反馈在此处会相互作用，所以要分别加以整定。事实上，只有当前者失效后，后者才起作用；所以，还是先调电流负反馈环节，调好后折去，再调电流截止负反馈。待两个分别都调试好以后，再同时接上去。
下面分别介绍如下：
1、先以变阻器（R ）作负载，并置滑动触点于电阻为最大值，串入电流表（2Α档），然后接在主电路输出端。
2、转速负反馈电压U fn 暂不接入。调节RP 1，使给定输入一个很小的电压（1.5V 左右），使速度调节器U1的1#脚输出为负限幅值（-8.2V 左右）。 3、电流负反馈环节整定（0.01μF 滤波电容暂不接入）。 1） 调节RP 4↑↓→输出（-2.6V ）左右。
2) 调节负载电阻R↑↓→I d =1.2I N =1.4Α（取I N =1.2Α） 3) 调节RP 6↑↓→U I ≈150mV。（U I 为RP 6两端电压） 4) 调节RP 7↑↓→U fi ≈2.5V.( U f i 为U4输出)
5) 将U fi 接入U 2输入端，再适当整定RP 4与RP 7以及调节负载电阻，使I d 保持1.4Α。 6) 在完成上述过程后，人为改变负载电阻，由于电流环的作用，电动机的电枢电流应保持不变。即I d =1.2I N =1.4A保持不变。（整定毕）
4、电流截止负反馈环节的整定。 1）保持RP 4与RP 7位置不变。 2） 在U2输入端折去U fi 信号。
3） 调节负载电阻R↑↓→I dm =1.5I N =1.5×1.2Α＝1.8Α。 4） 测量U4输出，此时U fi 约为4.0V 左右。
5） 调节RP 8→使分压处电位U 0≈U fi （ U 0≤Ufi ）。（U 0为电位器RP 8上端电位）
6） 将U 0接入U5反相输入端51KΩ电阻处。 7） 将U fi 接入在U5正相输入端2KΩ处。
8） 调节RP 8↑↓→使U5处于翻转边缘（翻转时，输出由0V→+11V）。
9） 将U5输出接入U2输入端，控制电路应截止。（整定毕）（若发现直直流流电动机起动时，电流截止负反馈环节使控制电路截止，则意味着截止电流I dm 整定值过小，可适当增大I dm 值。或暂不接入此环节）。 （四）速度环的调试与整定。
1、 将直流电动机电枢串100~200Ω变阻器（作启动电阻），串接在直流电源上，（开机前，使电压为最小，以防启动时冲击电流过大），然后逐步加大电压（由0V→90V），使电动机转速达到额定转速（1000r ╱min）。
2、将测速发电机输出U n 经分压后（10V 左右）接到图8-1的接线端（注意极性），调节RP 2，使分压后的输出U fn =7.5V左右。至此测速反馈环节整定完毕。
3、 将直流电动机取代变阻器作主电路负载。并完成测功机与测速、测矩测功仪的接线（见录附）。
4、 先将RP 1调至最低（OV ），再一次检查各单元之间的联线有无差错，若正确无误，且接线牢靠，则接通电源。
5、调试时，先调电流环。即先以U s 代替速度调节器输出（此时速度调节器不接入）。调节U s ，使电动机加速，并稳定运行。若有振荡，则可减少电流调节器增益（调节RP 5）或调节电流反馈信号的大小（调节RP 7），使U fI 与电流调节器的给定信号（由RP 4调节）相匹配。若电流环振荡，可在电流调节器反馈阻抗两端并接一个510KΩ电阻。（U4反馈电容可暂不接入）。
6、待电流环整定后，再接入速度调节器。给定电压U S 在0V ～8V 之间可调，观察系统运行是否正常，有无振荡，转速能否调节。电压、电流波形是否正常。若接入速度调节器后，出现振荡，则可适当减少速度调节器增益（调节RP 3），或调节转速反馈信号的大小（调节RP 2），使U fn 与U s 相匹配。若速度环振荡，可在速度调节器反馈阻抗两端并接一个1M Ω电阻。
7、若系统运行正常，电动机电枢的电压、电流波形见图8-3。
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ud
id
图8-3 电机电枢电压和电枢电流波形图（电源断续）
（五）机械特性测定
1、 电机在一定的电压下（如U d =110V），，由测功机加载，调节测功机输出电流，即可调节加载阻力转矩的大小（见实验二加载步骤）。实验时，使电动机电流分别为空载（0.25A 左右）、0.4A 、0.6A 、0.8A 、1.0A 和1.2A ，同时记录下对应的电机转矩、转速。
U d ＝110V 时
2、 调节RP 1，使电机电压分别为U d ＝80V ，U d ＝50V ，重复上述实验，并记录下有关数据。
（六）记录下，U d ＝110V 、U d =80V及U d ＝50V 时，不同负载时的电压与电流波形。 五、实验注意事项
1、实验（七）所列的注意事项；
2、对指导书中的叙述仔细阅读，认真领会，写好调试大纲与实验步骤；
3、要逐步调试，发现问题，要结合所学理论知识，进行研究与探讨，加以解决。问题解决前，不要急于去做完实验。因为调试过程的故障分析与排除，能有效地提高分析能力与实践能力。 六、实验报告
1、记录系统调试至正常运行状态的主要步骤与调试过程。 1）如何整定电流环。 2）如何整定速度环。
2、电动机在空载和额定负载时的电压波形与电流波形（设U d ＝110V 、U d ＝50V 两种状况）。 3、在U d ＝110V 、U d =80V及U d ＝50V 时，直流调速系统的机械特性曲线n =f （T ）及n =f （I d ）。
4、在空载时，对应不同电压时的转速曲线n=f （U d ）
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