[VIP专享]直流伺服电机实验报告

直流电机的特性测试

一、实验要求

在实验台上测试直流电机机械特性、工作特性、调速特性（空载）和动态特性，其中测试机械特性时分别测试电压、电流、转速和扭矩四个参数，根据测试结果拟合转速—转矩特性（机械特性），并以X 轴为电流，拟合电流—电压特性、电流—转速特性、电流—转矩特性，绘制电机输入功率、输出功率和效率曲线，即绘制电机综合特性曲线。然后在空载情况下测试电机的调速特性，即最低稳定转速和额定电压下的最高转速，即调速特性；最后测试不同负载和不同转速阶跃下电机的动态特性。

二、实验原理

1、直流电机的机械特性

直流电机在稳态运行下，有下列方程式：

电枢电动势 （1-1）e E C n =Φ电磁转矩

（1-2）e m T C I =Φ电压平衡方程

（1-3）

U E IR =+联立求解上述方程式，可以得到以下方程：

（1-4）

2e e e m U R

n T C C C =

-ΦΦ

式中 ——电枢回路总电阻R ——励磁磁通Φ ——电动势常数e C ——转矩常数

m C ——电枢电压

U ——电磁转矩

e T

——电机转速

n

在式（1-4）中，当输入电枢电压保持不变时，电机的转速随电磁转矩

U n 变化而变化的规律，称为直流电机的机械特性。

e T 2、直流电机的工作特性

因为直流电机的励磁恒定，由式（1-2）知，电枢电流正比于电磁转矩。另外，将式（1-2）代入式（1-4）后得到以下方程：

（1-5）

e e U R

n I C C =

-ΦΦ

由上式知，当输入电枢电压一定时，转速是随电枢电流的变化而线性变化

的。

3、直流电机的调速特性

直流电机的调速方法有三种：调节电枢电压、调节励磁磁通和改变电枢附加电阻。

本实验采取调节电枢电压的方法来实现直流电机的调速。当电磁转矩一定时，电机的稳态转速会随电枢电压的变化而线性变化，如式（1-4）中所示。

4、直流电机的动态特性

直流电机的启动存在一个过渡过程，在此过程中，电机的转速、电流及转矩等物理量随时间变化的规律，叫做直流电机的动态特性。本实验主要测量的是转速随时间的变化规律，如下式所示：

（1-6）

s m

dn

n n T dt

=-其中，——稳态转速s n

——机械时间常数

m T 本实验中，要求测试在不同负载和不同输入电枢电压（阶跃信号）下电机的动态特性。

5、传感器类型

本实验中，测量电机转速使用的是角位移传感器中的光电编码器；测量电

磁转矩使用的是扭矩传感器。

三、实验操作步骤

1、测量直流电机的机械特性和动态特性

①首先将负载旋钮逆时针拧至最小，然后将实验设备面板上的直流电机的电枢电压和电枢电流信号引出，分别接至计算机的采集数据端口上，打开计算

机中的测试软件，进入测试界面，设定每个通道的测量范围。

②系统上电。

③用计算机给定电机的电枢电压信号，逐渐增加负载（顺时针转动负载旋钮），选择记录下此过程中的20组数据，每组数据包括测量电枢电压、测量电

枢电流、电机转速和电磁转矩值。

④计算机停止给定电机的电枢电压信号，系统电源关闭。

2、测量直流电机的调速特性

本实验要求测量的是空载下的调速特性，测量额定电压下的最高转速和最

低稳定转速。步骤如下：

①首先将负载旋钮逆时针拧至最小，然后将实验设备面板上的直流电机的电枢电压信号引出，接至计算机的采集数据端口上，打开计算机中的测试软件，进入测试界面，设定通道的测量范围。

②利用式（1-7）计算电机额定电压（24V）对应的测量电压值，为

9.52V。

电机实际电压=（前面板测量电压-0.76）*2.75-0.1 （1-7）

③系统上电。

④不断改变计算机输出的电机电压信号，直至测量电压信号的值为

9.52V。记录下此时的转速值，即为额定电压下的最高稳定转速。

⑤不断减小计算机输出地电机电压信号，观察转速逐渐减小和稳定的情况，记录下最低稳定转速值。

⑥计算机停止给定电机的电枢电压信号，系统电源关闭。

3、测量直流电机的动态特性

按照测量在不同负载和不同输入电枢电压（阶跃信号）下电机的动态特性

的要求，本实验测量了在计算机给定电压信号（阶跃信号）分别为7V和4V时，4个不同负载大小下电机的动态特性。

①首先将负载旋钮逆时针拧至最小，然后将实验设备面板上的电机转速信号引出，接至计算机的采集数据端口上，打开计算机中的测试软件，进入测试

界面，设定通道的测量范围。

②系统上电。

③将计算机给定电压信号（阶跃信号）设为7V，顺时针转动负载旋钮，记录在4个不同负载下，电机转速的动态响应曲线。将负载旋钮旋至最小后，将

计算机给定电压信号（阶跃信号）设为4V，记录在4个不同负载下，电机转速的动态响应曲线。

④计算机停止给定电机的电枢电压信号，系统电源关闭。

四、实验测试结果及数据处理

1、直流电机的机械特性和动态特性

根据上述操作步骤，测量得到的20组数据如表1所示：

测量电流电磁转矩

T（N·m）

转速n（r/min）测量电压（V）

0.560.52148.80 0.610.62098.78

0.84 1.11988.70

1.11 1.51848.68 1.35 1.91728.62 1.54

2.11638.59 1.70 2.41588.51 1.75 2.61468.46 1.83 2.91408.42

1.98 3.11328.38

2.10

3.31268.35