《电力拖动与运动控制》实验指导书
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《电力拖动与运动控制》实验指导书
图1
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《电力拖动与运动控制》实验指导书
实验二 异步电动机 SPWM 与电压空间矢量变频调速系统
一．实验目的 1．通过实验掌握异步电动机变压变频调速系统的组成及工作原理。 2．加深理解用单片机通过软件生成 SPWM 波形的工作原理与特点。以及不同调制
方式对系统性能的影响。 3．熟悉电压空间矢量控制（磁链跟踪控制）的工作原理与特点。 4．掌握异步电动机变压变频调速系统的调试方法。
二．实验内容 1．连接有关线路，构成一个实用的异步电动机变频调速系统。 2．采用 SPWM 数字控制时，不同输出频率、不同调制方式（同步、异步、混合调
制）时的磁通分量、磁通轨迹、定子电流与电压、IGBT 两端电压波形测试。 3．采用电压空间矢量控制时，不同输出频率、不同调制方式时的磁通分量、磁通轨
迹、定子电流与电压、IGBT 两端电压波形测试。 三．实验系统组成及工作原理
测量定子电流时，示波器探头接电流取样电阻 iu（或 iv、iw）两端； 测量 IGBT 两端波形时，示波器红色探头接“微机控制系统”输出 6’（或 1’、2’、3’、 4’、5’），黑色探头接地； 测量定子端电压波形时，示波器探头接 M04 电机 X、Y（或 X、Z，Y、Z）两端。 六．注意事项 1．转换不同控制与调制方式时，要等到电动机转速接近于零时，再按起动按钮，以 免对电动机造成冲击。 2．主回路中的保险丝为 1A，不要任意放大。
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《电力拖动与运动控制》实验指导书
2．WG1～WG3 和 WG1～WG3：用于输出三相 PWM 波形，控制构成逆变器的 IPM。 3．EXTINT：用于过流、过压保护。 4．通过接于 A/D 转换器输入端 ACH2 和 ACH1 设之输入频率和改变 u/（f 低频补偿）。 5．利用 P0 和 P1 口的 P0.4～P0.7 和 P1.0～P1.3 ，外接按钮开关，用于起动、停止、故 障复位两种调制方法，三种调制模式的选择。 6．利用 P2、P5、P6 口的 P2.4～P2.7，P5.4 与 P6.6，P6.7，外接指示灯，用于指示系统 所处状态。 7．磁通观测器用于电机气隙磁通测量。其前半部分为 3/2 变换电路，将三相电压 VA、VB、VC 从三相静止坐标系 A、B、C 变换到二相静止坐标系 α、β 上，成为 Vα、Vβ。 电路的后半部分则分别对 Vα、Vβ 积分。在忽略定子漏磁和定子电阻压降的前提下，两 个积分器的输出分别是二相静止坐标系中电机气隙磁通在 α、β 轴上的分量 φα 与 φβ；它 们的波形形状相似，相位差 90°。将两个积分的输出分别接入示波器的 X 轴输入和 Y 轴 输入，即可得到电机气隙磁通的圆形轨迹。 四．实验设备和仪器 1．MCL—II 型电机控制教学实验台 2．NMCL—09B 变频调速系统组件 3．交流电动机 M04 4．双踪示波器 五．实验方法 按图 2 连接线路，M04 电动机定子绕组可接成星形或三角形。经检查无误后，合上 电源，调节相电压在 220V 左右。实验系统缺省设置为 SPWM 控制，同步调制方式，对 应指示灯亮。若指示灯与上述不符，可按复位按钮，使系统处于上述缺省状态，此时系 统即可进行实验。若系统采用 SPWM 控制并工作在同步调制方式，即可按起动按钮， 电动机即可起动，起动后可调节频率设定电位器，即可改变电动机转速。 在电动机运行中，如按了空间矢量、异步调制，混合调制等按钮，系统将不会响应， 必须先按停止按钮，使电动机停止运行，才能转到空间矢量控制以及其它调制方式。系 统出现故障停机时，可在拆除故障条件下，按故障复位按钮，使红色故障指示灯灭，系 统即可按要求继续运行。 1．采用 SPWM 控制，分别在输出频率为 50Hz、30Hz 条件下，测量不同调制方式时的 电机气隙磁通分量、电机气隙磁通轨迹、定子电流、IGBT 两端波形与定子端电压等波
电力拖动与运动控制 实验指导书
北京化工大学信息科学与技术学院 2008 年 9 月
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《电力拖动与运动控制》实验指导书
实验一 双闭环晶闸管不可逆直流调速系统
一．实验目的 1．熟悉电力电子及电气传动教学实验台的结构及布线情况。 2．掌握双闭环不可逆直流调速系统的原理、组成、基本结构及各主要单元部件的
原理。 3．熟悉 NMCL-18、MCL-33 的结构。 4．了解双闭环不可逆直流调速系统的调试步骤、方法及参数的整定。
数 字 控 制 器 采 用 Intel 公 司 专 为 电 机 高 速 控 制 而 设 计 的 通 用 性 16 位单片机 80C196MC。它由一个 C196 核心、一个三相波形发生器以及其它片内外设构成。其它 片内外设中包含有定时器、A/D 转换器、脉宽调制单元与事件处理阵列等。
在实验系统中 80C196MC 的硬件资源分配如下： 1．P3、P4 口：用于构成外部程序存储器的 16 bit 数据和地址总线。
变频调速系统原理框图如图 2 所示。它由交-直-交电压源型变频器，16 位单片机 80C196MC 所构成的数字控制器，控制键盘与运行指示、磁通测量与保护环节等部分组 成。
逆变器功率器件采用智能功率模块 IPM（Intel Ligent Power Modules），型号为 PM10CSJ060（10A/600V）。IPM 是一种由六个高速、低功耗的 IGBT，优化的门极驱动 和各种保护电路集成为一体的混合电路器件。由于采用了能连续监测电流的有传感功能 的 IGBT 芯片，从而实现高效的过流和短路保护，同时 IPM 还集成了欠压锁定和过流保 护电路。该器件的使用，使变频系统硬件简单紧凑，并提高了系统的可靠性。
8
控制方式 频率 调制方式
Hale Waihona Puke Baidu
Φα / Φβ 波形
气隙磁通轨迹
定子电流波形
IGBT 两端波形
定子端电压波形
50Hz
SPWM 控制
30Hz 同 步 调 制
50Hz 电压 空间矢量 控制
30Hz
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图2
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n(r/min) I(A)
（b）根据实验数据，画出闭环机械特性。 （2）闭环控制特性 n=f(Ug)的测定 （a）调节 Ug，记录 Ug 和 n，即可测出闭环控制特性 n=f(Ug)。
n(r/min) Ug(V) （b）根据实验数据，画出闭环控制特性曲线。 4．系统动态波形的观察 用示波器观察动态波形并记录下列动态波形： （1）突加给定起动时，电动机电枢电流波形和转速波形。 （2）突加负载时，电动机电枢电流波形和转速波形。 （3）突降负载时，电动机电枢电流波形和转速波形。 注：电动机电枢电流波形的观察可通过 ACR 的第“1”端；转速波形的观察可通过 ASR 的第“1”端
I(A)
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《电力拖动与运动控制》实验指导书
（3）根据实验数据，画出系统开环机械特性。 3．系统特性测试
将 ASR、ACR 均接成 PI 调节器接入系统，形成双闭环不可逆系统。 （1）机械特性 n=f（Id）的测定 （a）调节转速给定电压 Ug，使电机空载转速至 1500 r/min，再调节发电机负载电阻 Rg， 在空载至电枢电流不超过 1A 范围内分别记录 7～8 点，可测出系统静特性曲线 n=（f Id）。
二．实验内容 1．测定开环机械特性及闭环静特性。 2．闭环控制特性的测定。 3．观察、记录系统动态波形。
三．实验系统组成及工作原理 双闭环晶闸管不可逆直流调速系统由电流和转速两个调节器综合调节，由于调速系
统调节的主要量为转速，故转速环作为主环放在外面，电流环作为副环放在里面，这样 可抑制电网电压波动对转速的影响，实验系统的组成如图 1 所示。
当加入给定 Ug 后，ASR 即饱和输出，使电动机以限定的最大起动电流加速起动， 直到电机转速达到给定转速（即 Ug=Ufn），并出现超调后，ASR 退出饱和，最后稳定运 行在略低于给定转速的数值上。 四．实验设备及仪器
1．MCL 系列教学实验台主控制屏。 2．NMCL—18 组件。 3．MCL—33 组件。 4．NMCL—31A 组件。
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《电力拖动与运动控制》实验指导书
形，以及观察电机运行的平稳与噪声大小。 （1） 同步调制； （2） 异步调制； （3） 混合调制：分三段执行。第一段 0Hz～12.5Hz；第二段 12.5 Hz～25 Hz；第
三段，25 Hz～50 Hz。 2．采用电压空间矢量控制
实验条件及观察的波形同 1。 3. 列出 SPWM 控制时，在不同输出频率条件下同步调制时所测量的各种波形。 4. 列出电压空间矢量控制时，在不同输出频率条件下同步调制时所测量的各种波形。 注：测量电机气隙磁通分量时，示波器红色探头接 Φα / Φβ 端子，黑色探头接地；
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《电力拖动与运动控制》实验指导书
5．MEL—03A 三相可调电阻。 6．电机导轨及转速计、直流发电机 M01。 7．直流电动机 M03。 8．双踪示波器。 五．注意事项 1．三相主电源连线时需注意，不可接错相序。 2．电源开关闭合时，过流保护发光二极管可能会亮，只需按下对应的复位开关即 可正常工作。 3．直流电动机工作前，必须先加上直流激磁。 4．系统开环连接时，不允许突加给定信号 Ug 起动电机，且每次起动电动机前给定 电位器应调零位，以防过流。 5．起动电机时，需将直流发电机所接负载电阻 RG 断开，以免带负载起动。 6．改变接线时，必须先按下主控制屏总电源开关的“断开”红色按钮，同时使系统 的给定为零。 7．进行闭环调试时，若电机转速达最高速且不可调，注意转速反馈的极性是否接 错。 8．测取静特性时，须注意主电路电流不许超过电机的额定值（1A）。 9．双踪示波器的两个探头地线通过示波器外壳短接，故在使用时，必须使两探头 的地线同电位（只用一根地线即可），以免造成短路事故。 六．实验方法 1．按图 1 接线。 2．开环外特性的测定 （1）控制电压 Uct 由给定器 Ug 直接接入，直流发电机所接负载电阻 RG 断开。 （2）使 Ug=0，合上主电路电源，调节调压器旋钮，使 Uuv，Uvw，Uwu 为 220V，逐渐增 加给定电压 Ug，使电机起动、升速，调节 Ug 使电机空载转速 n0=1500r/min，再调节负 载电阻 RG，改变负载，在直流电机空载至电枢电流不超过 1A 范围内，测取 7～8 点， 读取电机转速 n，电机电枢电流 Id，即可测出系统的开环外特性 n=f (Id)。 n(r/min)
系统工作时，先给电动机加励磁，改变给定电压的大小即可方便地改变电机的转速。 ASR、ACR 均有限幅环节，ASR 的输出作为 ACR 的给定，利用 ASR 的输出限幅可达 到限制起动电流的目的, ACR 的输出作为移相触发电路的控制电压，利用 ACR 的输出 限幅可达到限制αmin 和βmin 的目的。
《电力拖动与运动控制》实验指导书
图1
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《电力拖动与运动控制》实验指导书
实验二 异步电动机 SPWM 与电压空间矢量变频调速系统
一．实验目的 1．通过实验掌握异步电动机变压变频调速系统的组成及工作原理。 2．加深理解用单片机通过软件生成 SPWM 波形的工作原理与特点。以及不同调制
方式对系统性能的影响。 3．熟悉电压空间矢量控制（磁链跟踪控制）的工作原理与特点。 4．掌握异步电动机变压变频调速系统的调试方法。
二．实验内容 1．连接有关线路，构成一个实用的异步电动机变频调速系统。 2．采用 SPWM 数字控制时，不同输出频率、不同调制方式（同步、异步、混合调
制）时的磁通分量、磁通轨迹、定子电流与电压、IGBT 两端电压波形测试。 3．采用电压空间矢量控制时，不同输出频率、不同调制方式时的磁通分量、磁通轨
迹、定子电流与电压、IGBT 两端电压波形测试。 三．实验系统组成及工作原理
测量定子电流时，示波器探头接电流取样电阻 iu（或 iv、iw）两端； 测量 IGBT 两端波形时，示波器红色探头接“微机控制系统”输出 6’（或 1’、2’、3’、 4’、5’），黑色探头接地； 测量定子端电压波形时，示波器探头接 M04 电机 X、Y（或 X、Z，Y、Z）两端。 六．注意事项 1．转换不同控制与调制方式时，要等到电动机转速接近于零时，再按起动按钮，以 免对电动机造成冲击。 2．主回路中的保险丝为 1A，不要任意放大。
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《电力拖动与运动控制》实验指导书
2．WG1～WG3 和 WG1～WG3：用于输出三相 PWM 波形，控制构成逆变器的 IPM。 3．EXTINT：用于过流、过压保护。 4．通过接于 A/D 转换器输入端 ACH2 和 ACH1 设之输入频率和改变 u/（f 低频补偿）。 5．利用 P0 和 P1 口的 P0.4～P0.7 和 P1.0～P1.3 ，外接按钮开关，用于起动、停止、故 障复位两种调制方法，三种调制模式的选择。 6．利用 P2、P5、P6 口的 P2.4～P2.7，P5.4 与 P6.6，P6.7，外接指示灯，用于指示系统 所处状态。 7．磁通观测器用于电机气隙磁通测量。其前半部分为 3/2 变换电路，将三相电压 VA、VB、VC 从三相静止坐标系 A、B、C 变换到二相静止坐标系 α、β 上，成为 Vα、Vβ。 电路的后半部分则分别对 Vα、Vβ 积分。在忽略定子漏磁和定子电阻压降的前提下，两 个积分器的输出分别是二相静止坐标系中电机气隙磁通在 α、β 轴上的分量 φα 与 φβ；它 们的波形形状相似，相位差 90°。将两个积分的输出分别接入示波器的 X 轴输入和 Y 轴 输入，即可得到电机气隙磁通的圆形轨迹。 四．实验设备和仪器 1．MCL—II 型电机控制教学实验台 2．NMCL—09B 变频调速系统组件 3．交流电动机 M04 4．双踪示波器 五．实验方法 按图 2 连接线路，M04 电动机定子绕组可接成星形或三角形。经检查无误后，合上 电源，调节相电压在 220V 左右。实验系统缺省设置为 SPWM 控制，同步调制方式，对 应指示灯亮。若指示灯与上述不符，可按复位按钮，使系统处于上述缺省状态，此时系 统即可进行实验。若系统采用 SPWM 控制并工作在同步调制方式，即可按起动按钮， 电动机即可起动，起动后可调节频率设定电位器，即可改变电动机转速。 在电动机运行中，如按了空间矢量、异步调制，混合调制等按钮，系统将不会响应， 必须先按停止按钮，使电动机停止运行，才能转到空间矢量控制以及其它调制方式。系 统出现故障停机时，可在拆除故障条件下，按故障复位按钮，使红色故障指示灯灭，系 统即可按要求继续运行。 1．采用 SPWM 控制，分别在输出频率为 50Hz、30Hz 条件下，测量不同调制方式时的 电机气隙磁通分量、电机气隙磁通轨迹、定子电流、IGBT 两端波形与定子端电压等波
电力拖动与运动控制 实验指导书
北京化工大学信息科学与技术学院 2008 年 9 月
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《电力拖动与运动控制》实验指导书
实验一 双闭环晶闸管不可逆直流调速系统
一．实验目的 1．熟悉电力电子及电气传动教学实验台的结构及布线情况。 2．掌握双闭环不可逆直流调速系统的原理、组成、基本结构及各主要单元部件的
原理。 3．熟悉 NMCL-18、MCL-33 的结构。 4．了解双闭环不可逆直流调速系统的调试步骤、方法及参数的整定。
数 字 控 制 器 采 用 Intel 公 司 专 为 电 机 高 速 控 制 而 设 计 的 通 用 性 16 位单片机 80C196MC。它由一个 C196 核心、一个三相波形发生器以及其它片内外设构成。其它 片内外设中包含有定时器、A/D 转换器、脉宽调制单元与事件处理阵列等。
在实验系统中 80C196MC 的硬件资源分配如下： 1．P3、P4 口：用于构成外部程序存储器的 16 bit 数据和地址总线。
变频调速系统原理框图如图 2 所示。它由交-直-交电压源型变频器，16 位单片机 80C196MC 所构成的数字控制器，控制键盘与运行指示、磁通测量与保护环节等部分组 成。
逆变器功率器件采用智能功率模块 IPM（Intel Ligent Power Modules），型号为 PM10CSJ060（10A/600V）。IPM 是一种由六个高速、低功耗的 IGBT，优化的门极驱动 和各种保护电路集成为一体的混合电路器件。由于采用了能连续监测电流的有传感功能 的 IGBT 芯片，从而实现高效的过流和短路保护，同时 IPM 还集成了欠压锁定和过流保 护电路。该器件的使用，使变频系统硬件简单紧凑，并提高了系统的可靠性。
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控制方式 频率 调制方式
Hale Waihona Puke Baidu
Φα / Φβ 波形
气隙磁通轨迹
定子电流波形
IGBT 两端波形
定子端电压波形
50Hz
SPWM 控制
30Hz 同 步 调 制
50Hz 电压 空间矢量 控制
30Hz
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n(r/min) I(A)
（b）根据实验数据，画出闭环机械特性。 （2）闭环控制特性 n=f(Ug)的测定 （a）调节 Ug，记录 Ug 和 n，即可测出闭环控制特性 n=f(Ug)。
n(r/min) Ug(V) （b）根据实验数据，画出闭环控制特性曲线。 4．系统动态波形的观察 用示波器观察动态波形并记录下列动态波形： （1）突加给定起动时，电动机电枢电流波形和转速波形。 （2）突加负载时，电动机电枢电流波形和转速波形。 （3）突降负载时，电动机电枢电流波形和转速波形。 注：电动机电枢电流波形的观察可通过 ACR 的第“1”端；转速波形的观察可通过 ASR 的第“1”端
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《电力拖动与运动控制》实验指导书
（3）根据实验数据，画出系统开环机械特性。 3．系统特性测试
将 ASR、ACR 均接成 PI 调节器接入系统，形成双闭环不可逆系统。 （1）机械特性 n=f（Id）的测定 （a）调节转速给定电压 Ug，使电机空载转速至 1500 r/min，再调节发电机负载电阻 Rg， 在空载至电枢电流不超过 1A 范围内分别记录 7～8 点，可测出系统静特性曲线 n=（f Id）。
二．实验内容 1．测定开环机械特性及闭环静特性。 2．闭环控制特性的测定。 3．观察、记录系统动态波形。
三．实验系统组成及工作原理 双闭环晶闸管不可逆直流调速系统由电流和转速两个调节器综合调节，由于调速系
统调节的主要量为转速，故转速环作为主环放在外面，电流环作为副环放在里面，这样 可抑制电网电压波动对转速的影响，实验系统的组成如图 1 所示。
当加入给定 Ug 后，ASR 即饱和输出，使电动机以限定的最大起动电流加速起动， 直到电机转速达到给定转速（即 Ug=Ufn），并出现超调后，ASR 退出饱和，最后稳定运 行在略低于给定转速的数值上。 四．实验设备及仪器
1．MCL 系列教学实验台主控制屏。 2．NMCL—18 组件。 3．MCL—33 组件。 4．NMCL—31A 组件。
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《电力拖动与运动控制》实验指导书
形，以及观察电机运行的平稳与噪声大小。 （1） 同步调制； （2） 异步调制； （3） 混合调制：分三段执行。第一段 0Hz～12.5Hz；第二段 12.5 Hz～25 Hz；第
三段，25 Hz～50 Hz。 2．采用电压空间矢量控制
实验条件及观察的波形同 1。 3. 列出 SPWM 控制时，在不同输出频率条件下同步调制时所测量的各种波形。 4. 列出电压空间矢量控制时，在不同输出频率条件下同步调制时所测量的各种波形。 注：测量电机气隙磁通分量时，示波器红色探头接 Φα / Φβ 端子，黑色探头接地；
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5．MEL—03A 三相可调电阻。 6．电机导轨及转速计、直流发电机 M01。 7．直流电动机 M03。 8．双踪示波器。 五．注意事项 1．三相主电源连线时需注意，不可接错相序。 2．电源开关闭合时，过流保护发光二极管可能会亮，只需按下对应的复位开关即 可正常工作。 3．直流电动机工作前，必须先加上直流激磁。 4．系统开环连接时，不允许突加给定信号 Ug 起动电机，且每次起动电动机前给定 电位器应调零位，以防过流。 5．起动电机时，需将直流发电机所接负载电阻 RG 断开，以免带负载起动。 6．改变接线时，必须先按下主控制屏总电源开关的“断开”红色按钮，同时使系统 的给定为零。 7．进行闭环调试时，若电机转速达最高速且不可调，注意转速反馈的极性是否接 错。 8．测取静特性时，须注意主电路电流不许超过电机的额定值（1A）。 9．双踪示波器的两个探头地线通过示波器外壳短接，故在使用时，必须使两探头 的地线同电位（只用一根地线即可），以免造成短路事故。 六．实验方法 1．按图 1 接线。 2．开环外特性的测定 （1）控制电压 Uct 由给定器 Ug 直接接入，直流发电机所接负载电阻 RG 断开。 （2）使 Ug=0，合上主电路电源，调节调压器旋钮，使 Uuv，Uvw，Uwu 为 220V，逐渐增 加给定电压 Ug，使电机起动、升速，调节 Ug 使电机空载转速 n0=1500r/min，再调节负 载电阻 RG，改变负载，在直流电机空载至电枢电流不超过 1A 范围内，测取 7～8 点， 读取电机转速 n，电机电枢电流 Id，即可测出系统的开环外特性 n=f (Id)。 n(r/min)
系统工作时，先给电动机加励磁，改变给定电压的大小即可方便地改变电机的转速。 ASR、ACR 均有限幅环节，ASR 的输出作为 ACR 的给定，利用 ASR 的输出限幅可达 到限制起动电流的目的, ACR 的输出作为移相触发电路的控制电压，利用 ACR 的输出 限幅可达到限制αmin 和βmin 的目的。