实验二 晶闸管直流调速系统主要单元的调试
一、实验目的
(1)熟悉直流调整系统主要单元部件的工作原理及调速系统对其提出的要求。
(2)掌握直流调速系统主要单元部件的调试步骤和方法。 二、实验所需挂件及附件
序号 1 型 号 DJK01 电源控制屏 备 注 该控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。 2 DJK04 电机调速控制实验 I 3 该挂件包含“给定”，“电流调节器”，“速度变换”，“电流反馈与过流保护”等几个模块。 DJK08可调电阻、电容 箱 4 5 慢扫描示波器 万用表 自备 三、实验内容 (1)速度调节器的调试 (2)电流调节器的调试
(3)“零电平检测”及“转矩极性鉴别”的调试 (4)反号器的调试 (5)逻辑控制器的调试 四、实验方法
将DJK04挂件的十芯电源线与控制屏连接，打开电源开关，即可以开始实验。
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(1)速度调节器的调试 ①调节器调零
将DJK04中“速度调节器”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻120K接到“速度调节器”的“4”、“5”两端，用导线将“5”、“6”短接，使“电流调节器”成为P (比例)调节器。调节面板上的调零电位器RP3，用万用表的毫伏档测量电流调节器“7”端的输出，使调节器的输出电压尽可能接近于零。
②调整输出正、负限幅值
把“5”、“6”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“5”、“6”两端，使调节器成为PI (比例积分)调节器，然后将DJK04的给定输出端接到转速调节器的“3”端，当加一定的正给定时，调整负限幅电位器RP2，观察输出负电压的变化，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1，观察调节器输出正电压的变化。
③测定输入输出特性
再将反馈网络中的电容短接（将“5”、“6”端短接），使速度调节器为P（比例）调节器，在调节器的输入端分别逐渐加入正负电压，测出相应的输出电压，直至输出限幅，并画出曲线。
④观察PI特性
拆除“5”、“6”短接线，突加给定电压，用慢扫描示波器观察输出电压的变化规律。改变调节器的放大倍数及反馈电容，观察输出电压的变化。
(2)电流调节器的调试 ①调节器的调零
将DJK04中“电流调节器”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻13K接“速度调节器”的“8”、“9”两端，用导线将“9”、“10”短接，使“电流调节器”成为P（比例）调节器。调节面板上的调零电位器RP3，用万用表的毫伏档测量电流调节器的“11”端，使调节器的输出电压尽可能接近
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于零。
②调整输出正、负限幅值
把“8”、“9”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“8”、“9”两端，使调节器成为PI（比例积分）调节器，然后将DJK04的给定输出端接到电流调节器的“4”端，当加正给定时，调整负限幅电位器RP2，观察输出负电压的变化，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1，观察输出正电压的变化。
③测定输入输出特性
再将反馈网络中的电容短接（将“9”、“10” 端短接），使电流调节器为P调节器，在调节器的输入端分别逐渐加入正负电压，测出相应的输出电压，直至输出限幅，并画出曲线。
④观察PI特性
拆除“9”、“10”短接线，突加给定电压，用慢扫描示波器观察输出电压的变化规律。改变调节器的放大倍数及反馈电容，观察输出电压的变化。
(3)“零电平检测”及“转矩极性鉴别”的调试
①测定“ “转矩极性鉴别”的环宽，要求环宽为0.4～0.6伏，记录高电平值，调节单元中的RP1使特性满足其要求。“转矩极性鉴别”要求的环从-0.25V到0.25V。
转矩极性鉴别具体调试方法：
A、调节给定Uｇ，使“转矩极性鉴别”的“1”脚得到约0.25V电压，调节电位器RP1，恰好使“2”端输出从“高电平”跃变为“低电平”。
B、调节负给定从0V起调，当转矩极性鉴别器的“2”端从“低电平” 跃变为“高电平”时，检测转矩极性鉴别器的“1”端应为－0.25V左右，否则应调整电位器，使“2”端电平变化时，“1”端电压大小基本相等。
②测定“零电平检测”的环宽，要求环宽也为0.4～0.6伏，调节RP1，使回环沿纵坐标右侧偏离0.2V，即环从0.2V到0.6V。
“零电平检测”具体调试方法：
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A、调节给定Uｇ，使“零电平检测”的“1”脚约0.6V电压，调节电位器RP1，恰好使“2”端输出从“1”跃变为“0”。
B、慢慢减小给定，当“零电平检测”的“2”端从“0”跃变为“1”时，检测“零电平检测”的“1”端应为0.2V左右，否则应调整电位器。
③根据测得数据，画出两个电平检测器的回环。 (4)反号器的调试
测定输入输出比例，输入端加入＋5V电压，调节RP1，使输出端为－5V。 (5)逻辑控制的调试
测试逻辑功能，列出真值表，真值表应符合下表： 输入 UM UI UZ（Uｌｆ） UF（Uｌｒ） 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 输出 调试方法：
①首先将“零电平检测”、“转矩极性鉴别”调节到位，符合其特性曲线。给定接“转矩极性鉴别”的输入端，输出端接“逻辑控制”的Um。“零电平检测”的输出端接“逻辑控制”的UI,输入端接地。
②将给定的RP1、RP2电位器顺时针转到底，将S2打到运行侧。 ③将S1打到正给定侧，用万用表测量“逻辑控制”的“3”、“6”和“4”、“7”端，“3”、“6”端输出应为高电平，“4”、“7”端输出应为低电平，此时将DJK04中给定部分S1开关从正给定打到负给定侧，则“3”、“6”端输出从高电平跳变为低电平，4”、“7”端输出也从低电平跳变为高电平。在跳变的过程中用示波器观测“5”端输出的脉冲信号。
④将“零电平检测”的输入端接高电平，此时将DJK04中给定部分的S1开关来回扳动，“逻辑控制”的输出应无变化。
五、实验报告
(1)画各控制单元的调试连线图。
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(2)简述各控制单元的调试要点
实验二 单闭环直流调速系统实验
一、实验目的
(1)了解单闭环直流调速系统的原理、组成及各主要单元部件的原理。 (2)掌握晶闸管直流调速系统的一般调试过程。 (3)认识闭环反馈控制系统的基本特性。 二、实验所需挂件及附件
序号 1 型 号 DJK01 电源控制屏 备 注 该控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。 2 3 DJK02 晶闸管主电路 DJK02-1三相晶闸管触发电路 该挂件包含“触发电路”,“正桥功放”，“反桥功放” 等几个模块。 该挂件包含“给定”，“电流调节器”，“速4 DJK04 电机调速控制实验 I 度变换”，“电流反馈与过流保护”等几个模块。 5 6 DJK08可调电阻、电容箱 DD03-2电机导轨﹑测速发电机及转速表 或者“DD03-3电机导轨﹑光码盘测速系统及数显转速表” 7 8 9 10
DJ13-1 直流发电机 DJ15 直流并励电动机 D42 三相可调电阻 慢扫描示波器 自备 224
11 万用表 三、实验线路及原理
自备 为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。
在本装置中，转速单闭环实验是将反映转速变化的电压信号作为反馈信号，经“速度变换”后接到“速度调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较经放大后，得到移相控制电压UCt，用作控制整流桥的“触发电路”，触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间，以改变“三相全控整流”的输出电压，这就构成了速度负反馈闭环系统。电机的转速随给定电压变化，电机最高转速由速度调节器的输出限幅所决定，速度调节器采用P（比例）调节对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差，则需将调节器换成PI(比例积分)调节。这时当“给定”恒定时，闭环系统对速度变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的转速能稳定在一定的范围内变化。
在电流单闭环中，将反映电流变化的电流互感器输出电压信号作为反馈信号加到“电流调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较，经放大后，得到移相控制电压UCt，控制整流桥的“触发电路”，改变“三相全控整流”的电压输出，从而构成了电流负反馈闭环系统。电机的最高转速也由电流调节器的输出限幅所决定。同样，电流调节器若采用P（比例）调节，对阶跃输入有稳态误差，要消除该误差将调节器换成PI(比例积分)调节。当“给定”恒定时，闭环系统对电枢电流变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的电枢电流能稳定在一定的范围内变化。
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图5-7 转速单闭环系统原理图
图5-8 电流单闭环系统原理图
四、实验内容
(1)学习DJK01“电源控制屏”的使用方法。 (2)DJK04上的基本单元的调试。
(3)Uct不变时直流电动机开环特性的测定。 (4)Ud不变时直流电动机开环特性的测定。
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(5)转速单闭环直流调速系统。 (6)电流单闭环直流调速系统。
五、预习要求
(1)复习自动控制系统(直流调速系统)教材中有关晶闸管直流调速系统、闭环反馈控制系统的内容。
(2)掌握调节器的工作原理。
(3)根据实验原理图，能画出实验系统的详细接线图，并理解各控制单元在调速系统
中的作用。
(4)实验时，如何能使电动机的负载从空载(接近空载)连续地调至额定负载? 六、实验方法
(1)DJK02和DJK02-1上的“触发电路”调试
①打开DJK01总电源开关，操作“电源控制屏”上的“三相电网电压指示” 开关，观察输入的三相电网电压是否平衡。
②将DJK01“电源控制屏”上“调速电源选择开关”拨至“直流调速”侧。 ③用10芯的扁平电缆，将DJK02的“三相同步信号输出”端和DJK02-1“三相同步信号输入”端相连,打开DJK02-1电源开关，拨动 “触发脉冲指示”钮子开关，使“窄”的发光管亮。
④观察A、B、C三相的锯齿波，并调节A、B、C三相锯齿波斜率调节电位器（在各观测孔左侧），使三相锯齿波斜率尽可能一致。
⑤将DJK04上的“给定”输出Ug直接与DJK02-1上的移相控制电压Uct相接，将给定开关S2拨到接地位置（即Uct=0），调节DJK02-1上的偏移电压电位器，用双踪示波器观察A相同步电压信号和“双脉冲观察孔” VT1的输出波形，使α=120°。
⑥适当增加给定Ug的正电压输出，观测DJK02-1上“脉冲观察孔”的波形，此时应观测到单窄脉冲和双窄脉冲。
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⑦将DJK02-1面板上的Ulf端接地，用20芯的扁平电缆，将DJK02-1的“正桥触发脉冲输出”端和DJK02“正桥触发脉冲输入”端相连，并将DJK02“正桥触发脉冲”的六个开关拨至“通”，观察正桥VT1～VT6晶闸管门极和阴极之间的触发脉冲是否正常。
(2)Uct不变时的直流电机开环外特性的测定
①按接线图分别将主回路和控制回路接好线。DJK02-1上的移相控制电压Uct由DJK04上的“给定”输出Ug直接接入，直流发电机接负载电阻R，Ld用DJK02上200mH，将给定的输出调到零。
②先闭合励磁电源开关，按下DJK01“电源控制屏”启动按钮，使主电路输出三相交流电源，然后从零开始逐渐增加“给定”电压Ug，使电动机慢慢启动并使转速 n 达到1200rpm。
③改变负载电阻R的阻值，使电机的电枢电流从Ied直至空载。即可测出在Uct不变时的直流电动机开环外特性n = f(Id)，测量并记录数据于下表：
n（rpm） Id（A）
(3)Ud不变时直流电机开环外特性的测定
①控制电压Uct由DJK04的“给定”Ug直接接入，直流发电机接负载电阻R，Ld用DJK02上200mH,将给定的输出调到零。
②按下DJK01“电源控制屏”启动按钮，然后从零开始逐渐增加给定电压Ug，使电动机启动并达到1200rpm。
③改变负载电阻R，使电机的电枢电流从Ied直至空载。用电压表监视三相全控整流输出的直流电压Ud,保持Ud不变(通过不断的调节DJK04上“给定”电压Ug来实现)，测出在Ud不变时直流电动机的开环外特性n =f(Id)，并记录于下表中：
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n（rpm） Id（A） (4)基本单元部件调试
①移相控制电压Uct调节范围的确定
直接将DJK04“给定”电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，“三相全控整流”输出接电阻负载R，用示波器观察Ud的波形。当给定电压Ug由零调大时，Ud将随给定电压的增大而增大，当Ug超过某一数值Ug＇时，Ud 的波形会出现缺相现象，这时Ud反而随Ug的增大而减少。一般可确定移相控制电压的最大允许值为Uctmax=0.9Ug＇，即Ug的允许调节范围为0～Uctmax。如果我们把输出限幅定为Uctmax的话，则“三相全控整流”输出范围就被限定，不会工作到极限值状态，保证六个晶闸管可靠工作。记录Ug＇于下表中：
Ug＇ Uctmax=0.9Ug＇ 将给定退到零，再按“停止”按钮，结束步骤。 ②调节器的调整 A、调节器的调零
将DJK04中“速度调节器”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻40K接到“速度调节器”的“4”、“5”两端，用导线将“5”、“6”短接，使“电流调节器”成为P (比例)调节器。调节面板上的调零电位器RP3，用万用表的毫伏档测量电流调节器“7”端的输出，使调节器的输出电压尽可能接近于零。
将DJK04中“电流调节器”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻13K接到“速度调节器”的“8”、“9”两端，用导线将“9”、“10”短接，使“电流调节器”成为P（比例）调节器。调节面板上的调零电位器RP3，用万用表的毫伏档测量电流调节器的“11”端，使调节器的输出电压尽可能接近于零。
B、 正负限幅值的调整
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把“速度调节器”的“5”、“6”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“5”、“6”两端，使调节器成为PI (比例积分)调节器，然后将DJK04的给定输出端接到转速调节器的“3”端，当加一定的正给定时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为最小值即可，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1，使速度调节器的输出正限幅为Uctmax。
把“电流调节器”的“8”、“9”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“8”、“9”两端，使调节器成为PI（比例积分）调节器，然后将DJK04的给定输出端接到电流调节器的“4”端，当加正给定时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为最小值即可，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1，使电流调节器的输出正限幅为Uctmax。
C、电流反馈系数的整定
直接将“给定”电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，整流桥输出接电阻负载R，负载电阻放在最大值，输出给定调到零。
按下启动按钮，从零增加给定，使输出电压升高，当Ud=220V时，减小负载的阻值，调节“电流反馈与过流保护”上的电流反馈电位器RP1，使得负载电流Id=l.3A时，“2”端If的的电流反馈电压Ufi=6V，这时的电流反馈系数β= Ufi/Id= 4.615V/A。
D、转速反馈系数的整定
直接将“给定”电压Ug接DJK02-1上的移相控制电压Uct的输入端，“三相全控整流”电路接直流电动机负载，Ld用DJK02上的200mH，输出给定调到零。
按下启动按钮，接通励磁电源，从零逐渐增加给定，使电机提速到 n =150Orpm时，调节“速度变换”上转速反馈电位器RP1，使得该转速时反馈电压Ufn=-6V，这时的转速反馈系数α =Ufn/n =0.004V/(rpm)。
(5)转速单闭环直流调速系统
①按图5-7接线，在本实验中，DJK04的“给定”电压Ug为负给定，转速反馈为正电压，将“速度调节器”接成P（比例）调节器或PI（比例积分）调节器。直流发电机接负载电阻R，Ld用DJK02上200mH，给定输出调到零。
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②直流发电机先轻载，从零开始逐渐调大“给定”电压Ug，使电动机的转速接近n=l200rpm。
③由小到大调节直流发电机负载R，测出电动机的电枢电流Id，和电机的转速n，直至Id=Ied，即可测出系统静态特性曲线n =f(Id)。
n（rpm） Id（A） (6)电流单闭环直流调速系统
①按图5-8接线，在本实验中，给定Ug为负给定，电流反馈为正电压，将“电流调节器”接成比例（P）调节器或PI（比例积分）调节器。直流发电机接负载电阻R，Ld用DJK02上200mH，将给定输出调到零。
②直流发电机先轻载，从零开始逐渐调大“给定”电压Ug，使电动机转速接近n=l200rpm。
③由小到大调节直流发电机负载R，测定相应的Id和n，直至电动机Id=Ied，即可测出系统静态特性曲线n =f(Id)。
n（rpm） Id（A） 七、实验报告
(1)根据实验数据，画出Uct不变时直流电动机开环机械特性。 (2)根据实验数据，画出Ud不变时直流电动机开环机械特性。 (3)根据实验数据，画出转速单闭环直流调速系统的机械特性。 (4)根据实验数据，画出电流单闭环直流调速系统的机械特性。 (5)比较以上各种机械特性，并做出解释。
八、思考题
(l)P调节器和PI调节器在直流调速系统中的作用有什么不同?
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(2)实验中，如何确定转速反馈的极性并把转速反馈正确地接入系统中?调节什么元件能改变转速反馈的强度?
(3)改变“电流调节器”及“速度调节器”的电阻、电容参数，对系统有什么影响？ 九、注意事项
(1) 双踪示波器有两个探头，可同时观测两路信号，但这两探头的地线都与示波器的外壳相连，所以两个探头的地线不能同时接在同一电路的不同电位的两个点上，否则这两点会通过示波器外壳发生电气短路。为此，为了保证测量的顺利进行，可将其中一根探头的地线取下或外包绝缘，只使用其中一路的地线，这样从根本上解决了这个问题。当需要同时观察两个信号时，必须在被测电路上找到这两个信号的公共点，将探头的地线接于此处，探头各接至被测信号，只有这样才能在示波器上同时观察到两个信号，而不发生意外。
(2)电机启动前，应先加上电动机的励磁，才能使电机启动。在启动前必须将移相控制电压调到零，使整流输出电压为零，这时才可以逐渐加大给定电压，不能在开环或速度闭环时突加给定，否则会引起过大的启动电流，使过流保护动作，告警，跳闸。
(3)通电实验时，可先用电阻作为整流桥的负载，待确定电路能正常工作后，再换成电动机作为负载。
(4)在连接反馈信号时，给定信号的极性必须与反馈信号的极性相反，确保为负反馈，否则会造成失控。
(5)直流电动机的电枢电流不要超过额定值使用，转速也不要超过1.2倍的额定值。以免影响电机的使用寿命，或发生意外。
(6)DJK04与DJK02-1不共地，所以实验时须短接DJK04与DJK02-1的地。
实验三：双闭环不可逆直流调速系统实验
一、实验目的
(1)了解闭环不可逆直流调速系统的原理、组成及各主要单元部件的原理。
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(2)掌握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。 (3)研究调节器参数对系统动态性能的影响。
二、实验所需挂件及附件 序号 1 2 3 型 号 DJK01 电源控制屏 DJK02 晶闸管主电路 DJK02-1三相晶闸管触发电路 备 注 该控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。 该挂件包含“触发电路”,“正桥功放”，“反桥功放” 等几个模块。 该挂件包含“给定”，“电流调节器”，4 ，“电流反馈与过流保护”DJK04 电机调速控制实验 I “速度变换”等几个模块。 5 6 DJK08可调电阻、电容箱 DD03-2电机导轨﹑测速发电或DD03-3电机导轨、光码盘测速系统机及转速表 及数显转速表 自备 自备 7 8 9 10 11 DJ13-1 直流发电机 DJ15 直流并励电动机 D42 三相可调电阻 慢扫描示波器 万用表 三、实验线路及原理
许多生产机械，由于加工和运行的要求，使电动机经常处于起动、制动、反转的过渡过程中，因此起动和制动过程的时间在很大程度上决定了生产机械的生产效率。为缩短这一部分时间，仅采用PI调节器的转速负反馈单闭环调速
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系统，其性能还不很令人满意。双闭环直流调速系统是由电流和转速两个调节器进行综合调节，可获得良好的静、动态性能（两个调节器均采用PI调节器），由于调整系统的主要参量为转速，故将转速环作为主环放在外面，电流环作为副环放在里面，这样可以抑制电网电压扰动对转速的影响。实验系统的原理框图组成如下：
图5-9 双闭环直流调速系统原理框图
启动时，加入给定电压Ug，“速度调节器”和“电流调节器”即以饱和限幅值输出，使电动机以限定的最大启动电流加速启动，直到电机转速达到给定转速(即Ug =Ufn)，并在出现超调后，“速度调节器”和“电流调节器”退出饱和，最后稳定在略低于给定转速值下运行。
系统工作时，要先给电动机加励磁，改变给定电压Ug的大小即可方便地改变电动机的转速。“电流调节器”、“速度调节器”均设有限幅环节，“速度调节器”的输出作为“电流调节器”的给定，利用“速度调节器”的输出限幅可达到限制启动电流的目的。“电流调节器”的输出作为“触发电路”的控制电压Uct，利用“电流调节器”的输出限幅可达到限制α
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max
的目的。
四、实验内容 (1)各控制单元调试。
(2)测定电流反馈系数β、转速反馈系数α。
(3)测定开环机械特性及高、低转速时系统闭环静态特性n=f(Id)。 (4)闭环控制特性n=f(Ug)的测定。 (5)观察、记录系统动态波形。
五、预习要求
(1)阅读电力拖动自动控制系统教材中有关双闭环直流调速系统的内容，掌握双闭环直流调速系统的工作原理。
(2)理解PI（比例积分）调节器在双闭环直流调速系统中的作用，掌握调节器参数的选择方法。
(3)了解调节器参数、反馈系数、滤波环节参数的变化对系统动、静态特性的影响。
六、思考题
(1)为什么双闭环直流调速系统中使用的调节器均为PI调节器? (2)转速负反馈的极性如果接反会产生什么现象?
(3)双闭环直流调速系统中哪些参数的变化会引起电动机转速的改变?哪些参数的变化会引起电动机最大电流的变化?
七、实验方法
(1)DJK02和DJK02-1上的“触发电路”调试
①打开DJK01总电源开关，操作“电源控制屏”上的“三相电网电压指示” 开关，观察输入的三相电网电压是否平衡。
②将DJK01“电源控制屏”上“调速电源选择开关”拨至“直流调速”侧。
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③用10芯的扁平电缆，将DJK02的“三相同步信号输出”端和DJK02-1“三相同步信号输入”端相连,打开DJK02-1电源开关，拨动 “触发脉冲指示”钮子开关，使“窄”的发光管亮。
④观察A、B、C三相的锯齿波，并调节A、B、C三相锯齿波斜率调节电位器（在各观测孔左侧），使三相锯齿波斜率尽可能一致。
⑤将DJK04上的“给定”输出Ug直接与DJK02-1上的移相控制电压Uct相接，将给定开关S2拨到接地位置（即Uct=0），调节DJK02-1上的偏移电压电位器，用双踪示波器观察A相同步电压信号和“双脉冲观察孔” VT1的输出波形，使α=120°。
⑥适当增加给定Ug的正电压输出，观测DJK02-1上“脉冲观察孔”的波形，此时应观测到单窄脉冲和双窄脉冲。
⑦将DJK02-1面板上的Ulf端接地，用20芯的扁平电缆，将DJK02-1的“正桥触发脉冲输出”端和DJK02“正桥触发脉冲输入”端相连，并将DJK02“正桥触发脉冲”的六个开关拨至“通”，观察正桥VT1～VT6晶闸管门极和阴极之间的触发脉冲是否正常。
(2)双闭环调速系统调试原则
①先单元、后系统，即先将单元的参数调好，然后才能组成系统。 ②先开环、后闭环，即先使系统运行在开环状态，然后在确定电流和转速
均为负反馈后，才可组成闭环系统。
③先内环，后外环，即先调试电流内环，然后调试转速外环。 ④先调整稳态精度，后调整动态指标。 (3)控制单元调试
①移相控制电压Uct调节范围的确定
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直接将DJK04给定电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，“正桥三相全控整流”输出接电阻负载R，负载电阻放在最大值，输出给定调到零（对DZSZ-1，将输出电压调至最小位置，当启动后，再将输出线电压调到200V）。
按下启动按钮，给定电压Ug由零调大，Ud将随给定电压的增大而增大，当Ug超过某一数值Ug＇时，Ud 的波形会出现缺相的现象，这时Ud反而随Ug的增大而减少。一般可确定移相控制电压的最大允许值Uctmax=0.9Ug＇，即Ug的允许调节范围为0～Uctmax。如果我们把输出限幅定为Uctmax的话，则“三相全控整流”输出范围就被限定，不会工作到极限值状态，保证六个晶闸管可靠工作。记录Ug＇于下表中：
Ug＇ Uctmax=0.9Ug＇ 将给定退到零，再按停止按钮切断电源，结束步骤。 ②调节器的调零
将DJK04中“速度调节器”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻120K接到“速度调节器”的“4”、“5”两端，用导线将“5”、“6”短接，使“电流调节器”成为P (比例)调节器。调节面板上的调零电位器RP3，用万用表的毫伏档测量电流调节器“7”端的输出，使调节器的输出电压尽可能接近于零。
将DJK04中“电流调节器”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻13K接到“速度调节器”的“8”、“9”两端，用导线将“9”、“10”短接，使“电流调节器”成为P（比例）调节器。调节面板上的调零电位器RP3，用万用表的毫伏档测量电流调节器的“11”端，使调节器的输出电压尽可能接近于零。
③调节器正、负限幅值的调整
把“速度调节器”的“5”、“6”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“5”、“6”两端，使调节器成为PI (比例积分)调节器，然后将DJK04
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的给定输出端接到转速调节器的“3”端，当加一定的正给定时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为-6V，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1，使之输出电压为最小值即可。
把“电流调节器”的“8”、“9”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“8”、“9”两端，使调节器成为PI（比例积分）调节器，然后将DJK04的给定输出端接到电流调节器的“4”端，当加正给定时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为最小值即可，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1，使电流调节器的输出正限幅为Uctmax。
④电流反馈系数的整定
直接将“给定”电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，整流桥输出接电阻负载R，负载电阻放在最大值，输出给定调到零。
按下启动按钮，从零增加给定，使输出电压升高，当Ud=220V时，减小负载的阻值，调节“电流反馈与过流保护”上的电流反馈电位器RP1，使得负载电流Id=l.3A时，“2”端If的的电流反馈电压Ufi=6V，这时的电流反馈系数β= Ufi/Id= 4.615V/A。
⑤转速反馈系数的整定
直接将“给定”电压Ug接DJK02-1上的移相控制电压Uct的输入端，“三相全控整流”电路接直流电动机负载，Ld用DJK02上的200mH，输出给定调到零。
按下启动按钮，接通励磁电源，从零逐渐增加给定，使电机提速到 n =150Orpm时，调节“速度变换”上转速反馈电位器RP1，使得该转速时反馈电压Ufn=-6V，这时的转速反馈系数α =Ufn/n =0.004V/(rpm)。
(4)开环外特性的测定
①DJK02-1控制电压Uct由DJK04上的给定输出Ug直接接入，“三相全控整流”电路接电动机，Ld用DJK02上的200mH，直流发电机接负载电阻R，负载电阻放在最大值，输出给定调到零。
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②按下启动按钮，先接通励磁电源，然后从零开始逐渐增加“给定”电压Ug，使电机启动升速，调节Ug和R使电动机电流Id=Ied，转速到达1200rpm。
③增大负载电阻R阻值（即减小负载），可测出该系统的开环外特性n =f（Id），记录于下表中：
n（rpm） Id（A）
将给定退到零，断开励磁电源，按下停止按钮，结束实验。 (5)系统静特性测试
①按图5-9接线， DJK04的给定电压Ug输出为正给定，转速反馈电压为负电压，直流发电机接负载电阻R，Ld用DJK02上的200mH，负载电阻放在最大值，给定的输出调到零。将速度调节器，电流调节器都接成P（比例）调节器后，接入系统，形成双闭环不可逆系统，按下启动按钮，接通励磁电源，增加给定，观察系统能否正常运行，确认整个系统的接线正确无误后，将“速度调节器”，“电流调节器”均恢复成PI（比例积分）调节器，构成实验系统。
②机械特性n =f(Id)的测定
A、发电机先空载，从零开始逐渐调大给定电压Ug，使电动机转速接近n=l200rpm，然后接入发电机负载电阻R，逐渐改变负载电阻，直至Id=Ied，即可测出系统静态特性曲线n =f(Id)，并记录于下表中：
n（rpm） Id（A） B、降低Ug，再测试n=800rpm时的静态特性曲线，并记录于下表中：
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n（rpm） Id（A） C、闭环控制系统n=f(Ug)的测定
调节Ug及R，使Id=Ied、n= l200rpm，逐渐降低Ug，记录Ug和n，即可测出闭环控制特性n = f(Ug)。
n（rpm） Ug（V） (6)系统动态特性的观察
用慢扫描示波器观察动态波形。在不同的系统参数下(“速度调节器”的增益和积分电容、“电流调节器”的增益和积分电容、“速度变换”的滤波电容)，用示波器观察、记录下列动态波形:
①突加给定Ug，电动机启动时的电枢电流Id(“电流反馈与过流保护”的“2”端)波形和转速n(“速度变换”的“3”端)波形。
②突加额定负载(20%Ied?100%Ied)时电动机电枢电流波形和转速波形。 ③突降负载(100%Ied?20%Ied)时电动机的电枢电流波形和转速波形。 八、实验报告
(1)根据实验数据，画出闭环控制特性曲线n =f(Ug)。 (2)根据实验数据，画出两种转速时的闭环机械特性n =f(Id)。 (3)根据实验数据，画出系统开环机械特性n =f(Id)，计算静差率，并与闭环机械特性进行比较。
(4)分析系统动态波形，讨论系统参数的变化对系统动、静态性能的影响。 九、注意事项
(1) 参见本教材实验二十五的注意事项。
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(2)在记录动态波形时，可先用双踪慢扫描示波器观察波形，以便找出系统动态特性较为理想的调节器参数，再用数字存储示波器或记忆示波器记录动态波形。
实验四：逻辑无环流可逆直流调速系统实验
一、实验目的
(1)了解、熟悉逻辑无环流可逆直流调速系统的原理和组成。 (2)掌握各控制单元的原理、作用及调试方法。
(3)掌握逻辑无环流可逆直流调速系统的调试步骤和方法。 (4)了解逻辑无环流可逆直流调速系统的静态特性和动态特性。 二、实验所需挂件及附件 序号 1 2 3 型 号 DJK01 电源控制屏 DJK02 晶闸管主电路 DJK02-1三相晶闸管触发电路 4 DJK04 电机调速控制实验 I 备 注 该控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。 该挂件包含“触发电路”,“正桥功放”，“反桥功放” 等几个模块。 该挂件包含“给定”，“电流调节器”，“速度变换”，“逻辑控制”等几个模块。 5 6 7
DJK08可调电阻、电容箱 DD03-2电机导轨﹑测速发电或DD03-3电机导轨、光码盘测速系统机及转速表 DJ13-1 直流发电机 及数显转速表 241
8 9 10 11 DJ15 直流并励电动机 D42 三相可调电阻 慢扫描示波器 万用表 自备 自备 三、实验线路及原理
在此之前的晶闸管直流调速系统实验，由于晶闸管的单向导电性，用一组晶闸管对电动机供电，只适用于不可逆运行。而在某些场合中，既要求电动机能正转，同时也能反转，并要求在减速时产生制动转矩，加快制动时间。
要改变电动机的转向有以下方法，一是改变电动机电枢电流的方向，二是改变励磁电流的方向。由于电枢回路的电感量比励磁回路的要小，使得电枢回路有较小的时间常数。可满足某些设备对频繁起动，快速制动的要求 。
本实验的主回路由正桥及反桥反向并联组成，并通过逻辑控制来控制正桥和反桥的工作与关闭，并保证在同一时刻只有一组桥路工作,另一组桥路不工作，这样就没有环流产生。由于没有环流,主回路不需要再设置平衡电抗器，但为了限制整流电压幅值的脉动和尽量使整流电流连续，仍然保留了平波电抗器。
该控制系统主要由“速度调节器”、“电流调节器”、“反号器”、“转矩极性鉴别”、“零电平检测”、“逻辑控制”、“速度变换”等环节组成。其系统原理框图如图5-10所示。
正向启动时，给定电压Ug为正电压，“逻辑控制”的输出端Ulf为“0”态，Ulr为“1”态，即正桥触发脉冲开通，反桥触发脉冲封锁，主回路“正桥三相全控整流”工作，电机正向运转。
当Ug反向，整流装置进入本桥逆变状态，而Ulf、Ulr不变，当主回路电流减小并过零后，Ulf、Ulr 输出状态转换，Ulf为“1”态， Ulr为“0”态，即进入
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它桥制动状态，使电机降速至设定的转速后再切换成反向电动运行;当Ug=0时，则电机停转。
反向运行时，Ulf为“1”态，Ulr为“0”态，主电路“反桥三相全控整流”工作。
图5-10 逻辑无环流可逆直流调速系统原理图
“逻辑控制”的输出取决于电机的运行状态，正向运转，正转制动本桥逆变及反转制动它桥逆变状态，Ulf为“0”态，Ulr为“1”态，保证了正桥工作，反桥封锁；反向运转，反转制动本桥逆变，正转制动它桥逆变阶段，则Ulf为“1”态，Ulr为“0”态，正桥被封锁，反桥触发工作。由于“逻辑控制”的作用，在逻辑无环流可逆系统中保证了任何情况下两整流桥不会同时触发，一组触发工作时，另一组被封锁，因此系统工作过程中既无直流环流也无脉动环流。
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四、实验内容 (1)控制单元调试。 (2)系统调试。
(3)正反转机械特性n =f(Id) 的测定。 (4)正反转闭环控制特性n =f(Ug)的测定。 (5)系统动态特性的观察。
五、预习要求
(1)阅读电力拖动自动控制系统教材中有关逻辑无环流可逆调速系统的 内容，熟悉系统原理图和逻辑无环流可逆调速系统的工作原理。
(2)掌握逻辑控制器的工作原理及其在系统中的作用。 六、思考题
(1)逻辑无环流可逆调速系统对逻辑控制有何要求?
(2)思考逻辑无环流可逆调速系统中“推β”环节的组成原理和作用如何? 七、实验方法
(1)DJK02和DJK02-1上的“触发电路”调试
①打开DJK01总电源开关，操作“电源控制屏”上的“三相电网电压指示” 开关，观察输入的三相电网电压是否平衡。
②将DJK01“电源控制屏”上“调速电源选择开关”拨至“直流调速”侧。 ③用10芯的扁平电缆，将DJK02的“三相同步信号输出”端和DJK02-1“三相同步信号输入”端相连,打开DJK02-1电源开关，拨动 “触发脉冲指示”钮子开关，使“窄”的发光管亮。
④观察A、B、C三相的锯齿波，并调节A、B、C三相锯齿波斜率调节电位器（在各观测孔左侧），使三相锯齿波斜率尽可能一致。
⑤将DJK04上的“给定”输出Ug直接与DJK02-1上的移相控制电压Uct相接，将给定开关S2拨到接地位置（即Uct=0），调节DJK02-1上的偏移电压电位器，
244
用双踪示波器观察A相同步电压信号和“双脉冲观察孔” VT1的输出波形，使α=170°。
⑥适当增加给定Ug的正电压输出，观测DJK02-1上“脉冲观察孔”的波形，此时应观测到单窄脉冲和双窄脉冲。
⑦将DJK02-1面板上的Ulf端接地，用20芯的扁平电缆，将DJK02-1的“正、反桥触发脉冲输出”端和DJK02“正、反桥触发脉冲输入”端相连，分别将DJK02正桥和反桥触发脉冲的六个开关拨至“通”，观察正桥VT1～VT6和反桥VT1'～VT6'的晶闸管的门极和阴极之间的触发脉冲是否正常。
(2)逻辑无环流调速系统调试原则
①先单元、后系统，即先将单元的参数调好，然后才能组成系统。 ②先开环、后闭环，即先使系统运行在开环状态，然后在确定电流和转速均为负反馈后才可组成闭环系统。
③先双闭环、后逻辑无环流，即先使正反桥的双闭环正常工作，然后再组成逻辑无环流。
④先调整稳态精度，后调动态指标。 (3)控制单元调试
①移相控制电压Uct调节范围的确定
直接将DJK04给定电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，“正桥三相全控整流”输出接电阻负载R，负载电阻放在最大值，输出给定调到零。
按下启动按钮，给定电压Ug由零调大，Ud将随给定电压的增大而增大，当Ug超过某一数值Ug＇时，Ud的波形会出现缺相的现象，这时Ud反而随Ug的增大而减少。一般可确定移相控制电压的最大允许值Uctmax=0.9Ug＇，即Ug的允许调节范围为0～Uctmax。如果我们把输出限幅定为Uctmax的话，则“三相全控整流”输出范围就被限定，不会工作到极限值状态，保证六个晶闸管可靠工作。记录Ug＇于下表中：
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Ug＇ Uctmax=0.9Ug＇ 给定退到零，再按“停止”按钮，结束步骤。 ②调节器的调零
将DJK04中“速度调节器”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻120K接到“速度调节器”的“4”、“5”两端，用导线将“5”、“6”短接，使“电流调节器”成为P (比例)调节器。调节面板上的调零电位器RP3，用万用表的毫伏档测量电流调节器“7”端的输出，使调节器的输出电压尽可能接近于零。
将DJK04中“电流调节器”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻13K接到“速度调节器”的“8”、“9”两端，用导线将“9”、“10”短接，使“电流调节器”成为P（比例）调节器。调节面板上的调零电位器RP3，用万用表的毫伏档测量电流调节器的“11”端，使调节器的输出电压尽可能接近于零。
③调节器正、负限幅值的调整
把“速度调节器”的“5”、“6”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“5”、“6”两端，使调节器成为PI (比例积分)调节器，然后将DJK04的给定输出端接到转速调节器的“3”端，当加一定的正给定时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为-6V，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1，使之输出电压为+6V。
把“电流调节器”的“8”、“9”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“8”、“9”两端，使调节器成为PI（比例积分）调节器，然后将DJK04的给定输出端接到电流调节器的“4”端，当加正给定时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为最小值即可，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1，使电流调节器的输出正限幅为Uctmax。
④“转矩极性鉴别”的调试 “转矩极性鉴别”的输出有下列要求:
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电机正转，输出UM为“1”态。 电机反转，输出UM为“0”态。
将给定输出端接至“转矩极性鉴别”的输入端，同时在输入端接上万用表以监视输入电压的大小，示波器探头接至“转矩极性鉴别”的输出端，观察其输出高、低电平的变化。“转矩极性鉴别”的输入输出特性应满足图1-25a所示要求，其中Usr1=-0.25V，Usr2=+0.25V
⑤“零电平检测”的调试 其输出应有下列要求:
主回路电流接近零，输出UI为“1”态。 主回路有电流，输出UI为“0”态。
其调整方法与“转矩极性鉴别”的调整方法相同，输入输出特性应满足图1-25b所示要求，其中Usr1=0.2V，Usr2=0.6V。
⑥“反号器”的调试
A、调零（在出厂前反号器已调零，如果零漂比较大的话，用户可自行将挂件打开调零），将反号器输入端“1”接地，用万用表的毫伏档测量“2”端，观察输出是否为零，如果不为零，则调节线路板上的电位器使之为最小值。
B、测定输入输出的比例，将反号器输入端“1”接“给定”，调节“给定”输出为5V电压，用万用表测量“2”端，输出是否等于-5V电压，如果两者不等，则通过调节RP1使输出等于负的输入。再调节“给定”电压使输出为-5V电压，观测反号器输出是否为5V。
⑦“逻辑控制”的调试
测试逻辑功能，列出真值表，真值表应符合下表： 输入
UM 1 1 247
0 0 0 1 UI UZ（Uｌｆ） 输出
调试方法：
UF（Uｌｒ） 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 A、首先将“零电平检测”、“转矩极性鉴别”调节到位，符合其特性曲线。给定接“转矩极性鉴别”的输入端，输出端接“逻辑控制”的Um。“零电平检测”的输出端接“逻辑控制”的UI,输入端接地。
B、将给定的RP1、RP2电位器顺时针转到底，将S2打到运行侧。 C、将S1打到正给定侧，用万用表测量“逻辑控制”的“3”、“6”和“4”、“7”端，“3”、“6”端输出应为高电平，“4”、“7”端输出应为低电平，此时将DJK04中给定部分S1开关从正给定打到负给定侧，则“3”、“6”端输出从高电平跳变为低电平，“4”、“7”端输出也从低电平跳变为高电平。在跳变的过程中的“5”，此时用示波器观测应出现脉冲信号。
D、将“零电平检测”的输入端接高电平，此时将DJK04中给定部分S1开关来回扳动，“逻辑控制”的输出应无变化。
⑧转速反馈系数α和电流反馈系数β的整定
直接将给定电压Ug接入DJK02-1上的移相控制电压Uct的输入端，整流桥接电阻负载，测量负载电流和电流反馈电压，调节“电流反馈与过流保护”上的电流反馈电位器RP1，使得负载电流Id=l.3A时，“电流反馈与过流保护”的“2”端电流反馈电压Ufi=6V，这时的电流反馈系数β= Ufi/Id= 4.615V/A。
直接将“给定”电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，“三相全控整流”电路接直流电动机作负载，测量直流电动机的转速和转速反馈电压值，调节“速度变换”上的转速反馈电位器RP1，使得n =150Orpm时，转速反馈电压Ufn=-6V，这时的转速反馈系数α =Ufn/n =0.004V/(rpm)。
(3)系统调试
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根据图5-10接线，组成逻辑无环流可逆直流调速实验系统，首先将控制电路接成开环（即DJK02-1的移相控制电压Uct由DJK04的“给定”直接提供），要注意的是Ulf,Ulr不可同时接地，由于正桥和反桥是首尾相连，当加上给定电压时会使正桥和反桥的整流电路同时开始工作，后果是两个整流电路直接发生短路，电流迅速增大，要么DJK04上的过流保护报警跳闸，要么烧毁保护晶闸管的保险丝，甚至还有可能会烧坏晶闸管。所以较好的方法是正桥和反桥分别进行测试。先将DJK02-1的Ulf接地，Ulr悬空，慢慢增加DJK04的“给定”值，使电机开始提速，观测“三相全控整流”的输出电压是否能达到250V左右（这段时间一定要短，以防止电机转速过高）。然后DJK02-1的Ulr接地，Ulf悬空，同样慢慢增加DJK04的给定电压值，使电机开始提速，观测整流桥的输出电压是否能达到250V左右。
开环测试好后，开始测试双闭环（与前面的原因一样，Ulf,Ulr不可同时接地）。DJK02-1的移相控制电压Uct由DJK04“电流调节器”的“10”端提供，先将DJK02-1的Ulf接地，Ulr悬空，慢慢增加DJK04的给定电压值，观测电机是否受控制（速度随给定的电压变化而变化）。正桥测试好，再测试反桥，DJK02-1的Ulr接地，Ulf悬空，同样观测电机是否受控制（要注意的是转速反馈的极性必须反一下，否则电机会失控）。如果开环和闭环中正反两桥都没有问题的话，那就可以开始逻辑无环流的实验。
(4)机械特性n =f(Id)的测定
当系统正常运行后，改变给定电压，测出并记录当n分别为1200rpm、800rpm时的正、反转机械特性n=f(Id)，方法与双闭环实验相同。实验时，将发电机的负载R逐渐增加（减小电阻R的阻值），使电动机负载从轻载增加到直流并励电动机的额定负载Id =1.1A。记录实验数据：
正转： n（rpm） Id（A）
1200 249
n（rpm） Id（A） 反转： n（rpm） Id（A）
n（rpm） Id（A）
(5)闭环控制特性n=f(Ug)的测定
从正转开始逐步增加正给定电压，记录实验数据 n（rpm） Ug（V） 800 1200 800 从反转开始逐步增加负给定电压，记录实验数据 n（rpm） Ug（V）
(6)系统动态波形的观察
用双踪慢扫描示波器观察电动机电枢电流Id和转速n的动态波形，两个探头分别接至“电流反馈与过流保护”的“2”端和“速度变换”的“3”端。
①给定值阶跃变化(正向启动→正向停车→反向启动→反向切换到正向→正向切换到反向→反向停车)时的Id、n的动态波形。
②改变电流调节器和速度调节器的参数，观察动态波形的变化。
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八、实验报告
(1)根据实验结果，画出正、反转闭环控制特性曲线n =f(Ug)。 (2)根据实验结果，画出两种转速时的正、反转闭环机械特性n =f(Id)，并计算静差率。
(3)分析速度调节器、电流调节器参数变化对系统动态过程的影响。
(4)分析电机从正转切换到反转过程中，电机经历的工作状态，系统能量转换情况。
九、注意事项
(1) 参见本教材实验二十五的注意事项。
(2)在记录动态波形时，可先用双踪慢扫描示波器观察波形，以便找出系统动态特性较为理想的调节器参数，再用数字储存式示波器记录动态波形。
(3)实验时，应保证“逻辑控制”工作逻辑正确后才能使系统正反向切换运行。
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