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 e E C n =Φ （1-1） 电磁转矩 e m T C I =Φ （1-2） 电压平衡方程 U E IR =+ （1-3）
联立求解上述方程式，可以得到以下方程：
2e e e m U R
n T C C C =
-ΦΦ
（1-4） 式中 R ——电枢回路总电阻 Φ——励磁磁通 e C ——电动势常数 m C ——转矩常数 U ——电枢电压 e T ——电磁转矩
n ——电机转速
在式（1-4）中，当输入电枢电压U 保持不变时，电机的转速n 随电磁转矩e
T 变化而变化的规律，称为直流电机的机械特性。

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：
e e U R
n I C C =
-ΦΦ
（1-5） 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：
s m
dn
n n T dt
=- （1-6）
其中，s n ——稳态转速 m T ——机械时间常数
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：
表1 测量数据
根据前面板测量值与电机实际值的换算公式：
电机实际电压=（前面板测量电压-0.76）*2.75-0.1
电机实际电流=（前面板测量电压-0.032）*2
计算电机的实际电枢电压和电枢电流值，如表2所示：
表2 实际数据
根据实验原理和上述数据，利用matlab工具，选用最小二乘法中的多项式拟合方法拟合电机的机械特性曲线、电流-电压特性曲线、电流-转速特性曲线、电流-转矩特性曲线、电机输入功率曲线、电机输出功率曲线和电机的效率曲线。

（1）拟合机械特性曲线
根据原理，机械特性曲线应是一条直线，所以选用最小二乘一次拟合多项式来拟合机械特性曲线，拟合得到的图形如下图1所示：
图1：机械特性
（2）拟合电流-电压特性曲线
图2：电流-电压特性
从图2可以看出，尽管原理上电枢电压应该大小恒定，但是实际上，电枢电
压会随着负载的逐渐增大而缓慢下降。

（3）拟合电流-转速特性曲线
图3：电流-转速特性
（4）拟合电流-转矩特性曲线
图4：电流-转矩特性
（5）拟合输入功率曲线
首先，根据公式计算输入功率：
i P U I =⨯ (1-8)
因为实验过程的变化量是负载，而电机稳定运行时，电磁转矩与负载转矩大小相
等，所以选用电磁转矩作为x 轴绘制功率曲线。

并用最小二乘二次多项式拟合功率曲线，结果如下图所示：
图5：输入功率曲线
（6）拟合输出功率曲线
首先，根据公式计算输出功率：
9.55o P n T =⨯÷ (1-9)
同理，以电磁转矩作为x 轴，并用最小二乘二次多项式拟合功率曲线，结果如下图所示：
图6：输出功率曲线
（7）拟合输出功率曲线
首先，根据公式计算功率比：
100%o
i
P P η=
⨯ (1-10) 同理，以电磁转矩作为x 轴，并用最小二乘三次多项式拟合功率比曲线，结果如下图所示：
图7：功率比变化曲线
2、直流电机的调速特性测量结果
按照上述测量步骤，得到空载情况下，直流电机在24V 额定电压下的稳定转
速为221r/min 。

最低稳定转速为18 r/min
3、直流电机的动态特性测量结果
在给定电压型号为7V 时，直流电机转速在4个不同负载下的动态响应曲线如图8-图11所示：
图8 图9
图10 图11
在给定电压型号为4V时，直流电机转速在4个不同负载下的动态响应曲线如图12-图15所示：
图12 图13 图14 图15。