《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》吳貴文(習(xí)題參考答案)

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1、.................................................. 《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》習(xí)題參考答案 1-1簡(jiǎn)述運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的類型及其優(yōu)缺點(diǎn)。 答：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要有三種類型：液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)和電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，它們各自優(yōu)缺點(diǎn)如下： 液壓傳動(dòng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：1）能方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍大。2）運(yùn)動(dòng)傳遞平穩(wěn)、均勻。3）易于獲得很大的力和力矩。4）單位功率的體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，反映靈敏。5）易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。6）易于實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，工作可靠。7）自動(dòng)潤(rùn)滑，元件壽命長(zhǎng)。8）液壓元件易于實(shí)現(xiàn)通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、便于設(shè)計(jì)制造和推廣使用。但也有一系列缺點(diǎn)

2、：1）由于液壓傳動(dòng)的工作介質(zhì)是液壓油，所以無(wú)法避免會(huì)有泄漏，效率降低，污染環(huán)境。2）溫度對(duì)液壓系統(tǒng)的工作性能影響較大。3）傳動(dòng)效率低。4）空氣的混入會(huì)引起工作不良。5）為了防止泄漏以及滿足某些性能上的要求，液壓元件的制造精度要求高，使成本增加。6）液壓設(shè)備故障原因不易查找。 氣壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是：1）氣動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便，安裝維護(hù)簡(jiǎn)單；壓力等級(jí)低，故使用安全。2）工作介質(zhì)是空氣，取之不盡、用之不竭，又不花錢。排氣處理簡(jiǎn)單，不污染環(huán)境，成本低。3）輸出力及工作速度的調(diào)節(jié)非常容易，氣缸工作速度快。4）可靠性高，使用壽命長(zhǎng)。5）利用空氣的可壓縮性，可儲(chǔ)存能量，實(shí)現(xiàn)集中供氣；可短時(shí)間釋放能量，以獲得間

3、歇運(yùn)動(dòng)中的高速響應(yīng)；可實(shí)現(xiàn)緩沖，對(duì)沖擊負(fù)載和過(guò)負(fù)載有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。在一定條件下，可使氣動(dòng)裝置有自保護(hù)能力。6）全氣動(dòng)控制具有防火、防爆、耐潮的能力。與液壓方式比較，氣動(dòng)方式可在高溫場(chǎng)合使用。7）由于空氣流動(dòng)壓力損失小，壓縮空氣可集中供氣，較遠(yuǎn)距離輸送。氣壓傳動(dòng)的缺點(diǎn)是：1）由于空氣具有壓縮性，氣缸的動(dòng)作速度易受負(fù)載的變化影響。2）氣缸在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于摩擦力占推力的比例比較大，氣缸的低速穩(wěn)定性不如液壓缸。3）雖然在許多應(yīng)用場(chǎng)合氣缸的輸出力能滿足工作要求，但其輸出力比液壓缸小。 電氣傳動(dòng)系統(tǒng)具有控制方便、體積緊湊、噪聲小、節(jié)能、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn)，不過(guò)其控制線路復(fù)雜，對(duì)軟硬

4、件要求較高，維修較困難。 1-2常用的液壓元件有哪些？ 答：液壓元件主要有液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓缸、方向控制閥、壓力控制閥、流量控制閥及油箱、濾油器、油管、密封裝置等輔助元件。 1-3常用的氣動(dòng)元件有哪些？ 答：氣動(dòng)元件主要有空氣壓縮機(jī)、冷卻器、儲(chǔ)氣罐、壓力閥、流量閥、方向閥、氣缸、氣馬達(dá)、過(guò)濾器、干燥器、油霧器、消聲器、分水濾油器以及各種管路附件等。 1-4試寫出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程式。 解：旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程為（忽略阻尼轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩） 或?qū)懗? .................................................23 2-1簡(jiǎn)述直流調(diào)速方

5、法。 答：直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種：改變電樞回路電阻調(diào)速-串電阻調(diào)速、調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速-降壓調(diào)速以及改變勵(lì)磁磁通調(diào)速-弱磁調(diào)速。 2-2調(diào)速性能指標(biāo)有哪些？ 答：穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)包括調(diào)速范圍和靜差率，動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)包括上升時(shí)間、超調(diào)量、峰值時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間、動(dòng)態(tài)降落、恢復(fù)時(shí)間。 2-3調(diào)速范圍與額定速降和最小靜差率有什么關(guān)系？為什么必須同時(shí)討論才有意義？ 答：三者的關(guān)系式為 對(duì)于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，值一定，所以如果對(duì)靜差率要求越嚴(yán)，即要求值越小時(shí)，系統(tǒng)允許的調(diào)速范圍也越小。如果要求調(diào)速范圍大，s就會(huì)較大。所以討論性能時(shí)這三個(gè)量要同時(shí)考慮。 2-4為什么直流PWM變換器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)比晶閘管整流

6、器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)能夠獲得更好的動(dòng)態(tài)性能？ 答：PWM變換器開(kāi)關(guān)頻率高，時(shí)間常數(shù)小，系統(tǒng)響應(yīng)快。另外一般的PWM變換器具有制動(dòng)作用，組成的調(diào)速系統(tǒng)可以在幾個(gè)象限運(yùn)行，在正反轉(zhuǎn)、減速和停車時(shí)具有較好的動(dòng)態(tài)性能。 2-5在晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，為什么轉(zhuǎn)速隨負(fù)載增加而降低？ 答：負(fù)載增加，電樞電流相應(yīng)增大，在電樞回路電阻上的壓降也增大，電樞兩端電壓就會(huì)降低，所以轉(zhuǎn)速會(huì)下降，這也可以從機(jī)械特性上明顯看出來(lái)。 2-6在直流PWM變換器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)停止不動(dòng)時(shí)，電樞兩端是否還有電壓？電路中是否還有電流？為什么？ 答：對(duì)于不可逆直流PWM變換器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)停止不動(dòng)時(shí)，電

7、樞兩端電壓為零，電流也為零。但對(duì)于雙極性可逆直流PWM變換器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)停止不動(dòng)時(shí)，電樞電壓和電流都是正負(fù)對(duì)稱的交變信號(hào)，其平均值為零。 2-7步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有哪些控制方式？ 答：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有單三拍控制、雙三拍控制和六拍控制等3種控制方式。 2-8步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)滿足哪些要求？ 答：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的各部分負(fù)責(zé)相應(yīng)的任務(wù)，各自應(yīng)滿足以下要求。環(huán)形脈沖分配器要根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作方式把脈沖送給各相繞組；細(xì)分電路的細(xì)分倍數(shù)可以選擇以符合精確的步距角要求；功率放大驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)類型規(guī)格及負(fù)載相匹配的定子電流，能輸出足夠的功率和轉(zhuǎn)矩；具有限流、限壓、過(guò)熱等保護(hù)功能；足夠高的脈

8、沖響應(yīng)頻率；電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)；具備脫機(jī)控制功能；較廣的電源適應(yīng)能力。 2-9某調(diào)速系統(tǒng)，在額定負(fù)載下，最高轉(zhuǎn)速為，最低轉(zhuǎn)速為，帶額定負(fù)載時(shí)的速度降落，且在不同轉(zhuǎn)速下額定速降不變，試問(wèn)系統(tǒng)調(diào)速范圍有多大？系統(tǒng)靜差率是多少？ 解：調(diào)速范圍為 靜差率為 或 2-10某機(jī)床工作臺(tái)采用晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。已知直流電動(dòng)機(jī)額定參數(shù)、、、，電樞回路總電阻，，求： （1） 當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，在額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降落為多少？ （2） 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率為多少？ （3） 額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降落為多少時(shí)，才能滿足、的要求？ 解：（1） （2）17=22.17% （3）

9、2-11試分析有制動(dòng)電流通路的不可逆PWM變換器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，兩個(gè)VT是如何工作的？ 答：在圖2-14a原理圖中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中需要減速或停車時(shí)，則應(yīng)先減小控制電壓，使ub1的正脈沖變窄，負(fù)脈沖變寬，從而使Ud0降低。但由于慣性，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和反電動(dòng)勢(shì)來(lái)不及立刻變化，使得Ud0

10、電動(dòng)機(jī)的實(shí)際步距角進(jìn)一步減小。將上級(jí)裝置發(fā)出的每個(gè)脈沖按設(shè)定的細(xì)分系數(shù)分成系數(shù)個(gè)脈沖輸出，比如步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈需240個(gè)脈沖，現(xiàn)在細(xì)分4倍，那么需要960個(gè)脈沖步進(jìn)電動(dòng)機(jī)才轉(zhuǎn)一圈。換句話說(shuō)，采用四細(xì)分電路后，在進(jìn)給速度不變的情況下，可使脈沖當(dāng)量縮小到原來(lái)的1/4。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分控制是由精確控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相電流來(lái)實(shí)現(xiàn)的，沒(méi)細(xì)分時(shí)，繞組相電流是由零躍升到額定值的，相電流的巨大變化，必然會(huì)引起電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的振動(dòng)和噪聲。如果使用細(xì)分電路，在細(xì)分的狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)每運(yùn)行一微步，其繞組內(nèi)的電流變化只有額定值的1/N，且電流是以正弦曲線規(guī)律變化，這樣就大大地改善了電機(jī)的振動(dòng)和噪聲。 3-1試

11、分析比較開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)，在哪些方面可以改善系統(tǒng)的性能？ 答：開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)是被控量（輸出量）對(duì)控制作用沒(méi)有影響的系統(tǒng)，其穩(wěn)態(tài)精度完全取決于各環(huán)節(jié)元件參數(shù)的精密度。閉環(huán)控制系統(tǒng)是將被控量（輸出量）反饋到輸入端，根據(jù)其與參考輸入量（給定量）的差值決定控制量。閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠抑制被反饋環(huán)包圍的前向通道上任何參數(shù)變化和外來(lái)擾動(dòng)的影響，只要反饋裝置精度足夠高，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度就能得到保證，如果校正得當(dāng)，動(dòng)態(tài)跟隨性能和抗擾性能也能達(dá)到要求，但是在一定條件下系統(tǒng)可能出現(xiàn)不穩(wěn)定。 3-2在轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電網(wǎng)電壓、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流、電樞電阻、測(cè)速發(fā)電機(jī)勵(lì)磁各量發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起轉(zhuǎn)速的變化，問(wèn)

12、系統(tǒng)對(duì)上述各量有無(wú)調(diào)節(jié)能力？為什么？ 答：電網(wǎng)電壓、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流、電樞電阻這些量的變化都作用于前向通道，系統(tǒng)對(duì)它們都能自動(dòng)調(diào)節(jié)。而測(cè)速發(fā)電機(jī)勵(lì)磁發(fā)生變化會(huì)使反饋系數(shù)發(fā)生變化，系統(tǒng)對(duì)它是沒(méi)有調(diào)節(jié)能力的。 3-3為什么用積分控制的調(diào)速系統(tǒng)是無(wú)靜差的？在轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)積分調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓為零時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出電壓是多少？它決定于哪些因素？ 答：根據(jù)積分控制規(guī)律，只要積分調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓大于零，其輸出便一直增長(zhǎng)，只有達(dá)到輸入偏差電壓等于零時(shí)，輸出才停止上升，所以穩(wěn)態(tài)時(shí)輸入偏差電壓肯定為零即用積分控制的調(diào)速系統(tǒng)是無(wú)靜差的。輸入偏差電壓為零時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出電壓是某個(gè)穩(wěn)定值，

13、其大小與直流電動(dòng)機(jī)此時(shí)所帶的負(fù)載輕重、轉(zhuǎn)速大小以及電動(dòng)勢(shì)系數(shù)、電樞回路電阻和電力電子裝置的放大系數(shù)有關(guān)，用公式表示為： 3-4在無(wú)靜差轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)精度是否還受給定電源和測(cè)速發(fā)電機(jī)精度的影響？請(qǐng)說(shuō)明理由。 答：是的，因?yàn)榻o定電源變化給定值就會(huì)變化，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速就會(huì)跟著變化，而測(cè)速發(fā)電機(jī)精度不夠的話反饋系數(shù)就會(huì)變化，閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)此是沒(méi)有抑制能力的。 3-5簡(jiǎn)答下列問(wèn)題： （1） 在轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)中，突減負(fù)載后又進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)晶閘管整流裝置的輸出電壓Ud較之負(fù)載變化前是增加、減少還是不變？ （2） 在無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)中，突加負(fù)載后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速n和整流裝置的

14、輸出電壓Ud是增加、減少還是不變？ 答：（1）有靜差調(diào)速系統(tǒng)突減負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)速上升，輸入偏差減小，晶閘管整流裝置的輸出電壓也會(huì)跟著減小，轉(zhuǎn)速回調(diào)，但穩(wěn)態(tài)后轉(zhuǎn)速不能回到原來(lái)大小。 （2） 無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)速下降，輸入偏差加大，整流裝置輸出電壓增加，使轉(zhuǎn)速回升，直至穩(wěn)態(tài)后轉(zhuǎn)速回到原來(lái)大小。 3-6有一直流穩(wěn)壓電源，其穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3-54所示，已知給定電壓，比例調(diào)節(jié)器放大系數(shù)Kp=3，電壓調(diào)整及功率放大電路放大系數(shù)Ks=10，反饋系數(shù)=0.7。求： （1） 輸出電壓Ud。 （2） 若把反饋通道斷開(kāi)，Ud為何值？開(kāi)環(huán)時(shí)的輸出電壓是閉環(huán)時(shí)的多少倍？ 若把反饋系數(shù)減至=0.5，當(dāng)保

15、持同樣的輸出電壓時(shí)，給定電壓應(yīng)為多少？ 圖3-54習(xí)題3-6圖 解：（1） （2） 反饋通道斷開(kāi)時(shí)，。開(kāi)環(huán)時(shí)輸出電壓是閉環(huán)時(shí)的倍。 （3）此時(shí)， 3-7有一V-M調(diào)速系統(tǒng)：電動(dòng)機(jī)參數(shù)PN=2.2kW，UN=220V，IN=12.5A，nN=1500r/min，電樞電阻=1.2Ω，整流裝置內(nèi)阻=1.5Ω，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)=35。要求系統(tǒng)滿足：調(diào)速范圍D=20，靜差率。 （1）計(jì)算開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降和調(diào)速要求所允許的閉環(huán)穩(wěn)態(tài)速降； （2）采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成閉環(huán)系統(tǒng)，試畫出系統(tǒng)的原理圖和穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖； （3）調(diào)整該系統(tǒng)參數(shù)，使當(dāng)時(shí)，，，則轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系數(shù)α應(yīng)該是多少？ （4）計(jì)算

16、放大器所需的放大倍數(shù)。 解：首先計(jì)算電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù) 開(kāi)環(huán)穩(wěn)態(tài)速降為 如要求D=20，s≤10%，則要求閉環(huán)穩(wěn)態(tài)速降 （2）系統(tǒng)原理圖如下 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下 （3）由于，所以 因?yàn)?，則 那么 3-8在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，ASR和ACR各起什么作用？ 答：（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）的作用 1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速很快地跟隨給定電壓變化,如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。 2）對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。 3）其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最大電流。 （2）電流調(diào)節(jié)器（ACR）的作用 1）在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過(guò)程中，使電流緊緊跟隨

17、其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。 2）對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。 3）在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中，保證獲得電動(dòng)機(jī)允許的最大電流。 4）當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。 3-9試從下面5個(gè)方面來(lái)比較轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和帶電流截止環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)： （1） 調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性； （2） 動(dòng)態(tài)限流性能； （3） 起動(dòng)的快速性； （4） 抗負(fù)載干擾的性能； （5） 抗電源電壓波動(dòng)的性能。 答：（1）雙閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性的下垂段比帶電流截止環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)陡得多，幾乎是垂直線

18、。 （2） 雙閉環(huán)系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器能很快壓制動(dòng)態(tài)過(guò)程中電流超出最大值。 （3） 雙閉環(huán)系統(tǒng)在起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器很快達(dá)到飽和，使電動(dòng)機(jī)在允許最大電流下起動(dòng)，起動(dòng)速度是最快的。 （4） 兩者都能抑制負(fù)載干擾，但由于雙閉環(huán)系統(tǒng)是無(wú)差的，轉(zhuǎn)速被干擾后最終能回到原來(lái)大小。 由于雙閉環(huán)系統(tǒng)存在電流內(nèi)環(huán)，電網(wǎng)電壓波動(dòng)能比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，其引起的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。 3-10在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，ASR、ACR均采用PI調(diào)節(jié)器。已知電動(dòng)機(jī)參數(shù)：PN=3.7kW，UN=220V，IN=20A，nN=1000r/min，電樞回路總電阻R=1.5Ω。設(shè)，電樞回路最大電流，電力電子變

19、換器的放大系數(shù) 40。試求： （1）電流反饋系數(shù)β和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α； （2）當(dāng)電動(dòng)機(jī)在最高轉(zhuǎn)速發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)的、、、值。 解：（1） 3-11在一個(gè)由三相零式晶閘管整流裝置供電的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，已知電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)：PN=60kW，UN=220V，IN=300A，nN=1000r/min，電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，電樞回路總電阻R=0.18Ω，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)，電磁時(shí)間常數(shù)，機(jī)電時(shí)間常數(shù)，電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)，轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)。額定轉(zhuǎn)速時(shí)的給定電壓，ASR、ACR飽和輸出電壓，。系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，調(diào)速范圍D=10，電流超調(diào)量，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超

20、調(diào)量。試求： （1） 確定電流反饋系數(shù)（假定起動(dòng)電流限制在以內(nèi)）和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)； （2） 試設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器輸入電阻取，計(jì)算其余參數(shù)、、。畫出其電路圖； （3） 試設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，計(jì)算其參數(shù)、、（）； （4） 計(jì)算電動(dòng)機(jī)帶40%額定負(fù)載起動(dòng)到最低轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量； （5） 計(jì)算空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速的時(shí)間。 解：（1） （2）三相零式整流裝置的平均失控時(shí)間Ts=0.0033s； 按小時(shí)間常數(shù)近似處理，電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和； 由于對(duì)電流跟隨性能要求較高，電流環(huán)應(yīng)校正成典型I型系統(tǒng)，則可選用PI調(diào)節(jié)器，并取就可滿足要求。 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)如下： ； 。 校驗(yàn)近似條件： ①

21、 滿足晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似條件。 ② 滿足忽略電動(dòng)勢(shì)影響的條件。 ③ 滿足小時(shí)間常數(shù)近似條件。 計(jì)算電阻、電容數(shù)值： ，可以用一個(gè)11和一個(gè)680的金屬膜電阻串聯(lián)實(shí)現(xiàn)。 ，可以用一個(gè)1和一個(gè)0.033的無(wú)極性電容并聯(lián)實(shí)現(xiàn)。 ，可以用一個(gè)0.22和一個(gè)0.033的無(wú)極性電容并聯(lián)實(shí)現(xiàn)。 電流調(diào)節(jié)器電路圖如下： （3）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)： 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)：按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 系統(tǒng)校正成典型II型系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也選用PI調(diào)節(jié)器。為兼顧跟隨性能和抗擾性能，取h=5，則轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器積分時(shí)間常數(shù)為 轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益為 則轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為 校驗(yàn)近似條件： ① 滿足電

22、流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件。 ② 滿足小時(shí)間常數(shù)近似條件。 計(jì)算電阻、電容數(shù)值： ，可以用一個(gè)300和一個(gè)75的金屬膜電阻串聯(lián)實(shí)現(xiàn)。 ，可以用一個(gè)0.33和一個(gè)0.022的無(wú)極性電容并聯(lián)實(shí)現(xiàn)。 ，可以用一個(gè)1.5和一個(gè)0.033的無(wú)極性電容并聯(lián)實(shí)現(xiàn)。 空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量為 滿足要求。 （4）40%負(fù)載起動(dòng)到最低轉(zhuǎn)速100r/min的超調(diào)量為 （5）空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速的時(shí)間t2基本上就是恒流升速階段所需的時(shí)間，根據(jù)公式（2-24）且Id=1.5IN，IdL=0，E=Cen，則有 ， 3-12試分析直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的不可逆和可逆電路的區(qū)別。 答：直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電

23、路有不可逆和可逆電路兩類。它們的區(qū)別在于 （1） 不可逆電路電動(dòng)機(jī)最多只能運(yùn)行在一、二兩個(gè)象限，而可逆電路電動(dòng)機(jī)可以運(yùn)行在四個(gè)象限。 （2） 可逆電路能消除靜摩擦死區(qū)。 （3） 可逆電路調(diào)速范圍大，低速平穩(wěn)性好。 可逆電路比不可逆電路功率管多，損耗較大。 3-13晶閘管可逆系統(tǒng)中環(huán)流產(chǎn)生的原因是什么？有哪些抑制方法？ 答：環(huán)流是由于兩組反并聯(lián)整流裝置同時(shí)工作時(shí)瞬時(shí)電壓不同產(chǎn)生的。抑制環(huán)流的辦法主要有兩種：采用配合控制并在環(huán)流回路中串入環(huán)流電抗器限制環(huán)流，采用邏輯控制保證任何時(shí)候只有一組工作就不會(huì)產(chǎn)生環(huán)流。 3-14無(wú)環(huán)流邏輯控制器中為什么必須設(shè)置封鎖延時(shí)和開(kāi)放延時(shí)？延時(shí)過(guò)大或過(guò)小對(duì)系

24、統(tǒng)有何影響？ 答：因?yàn)檎?、反組切換必須等到電樞電流降到零后才能進(jìn)行，邏輯切換指令發(fā)出后不能馬上執(zhí)行，必須設(shè)置封鎖延時(shí)和開(kāi)放延時(shí)。延時(shí)過(guò)小可能使得切換不可靠，一組尚未完全關(guān)斷另一組就開(kāi)通了。延時(shí)過(guò)大則正反轉(zhuǎn)過(guò)渡過(guò)程太慢，影響系統(tǒng)快速性。 3-15請(qǐng)從系統(tǒng)組成、功用、工作原理、特性等方面比較PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)與晶閘管可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的異同點(diǎn)。 答：兩者系統(tǒng)組成原理框圖相似，但主電路及功率元件不同，PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)主電路一般采用H橋電路，功率元件采用MOSFET或IGBT等全控型器件；而晶閘管可逆直流系統(tǒng)主電路是反并聯(lián)晶閘管整流電路。兩者都能實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)可逆運(yùn)行，但兩者工作原理和特性

25、有所不同。PWM可逆系統(tǒng)通過(guò)高頻脈寬變化改變速度和方向，系統(tǒng)響應(yīng)快、調(diào)速范圍大、電流總是連續(xù)的、能消除靜摩擦死區(qū)，而且可以直接使用直流電源；V-M可逆系統(tǒng)通過(guò)改變移相觸發(fā)角調(diào)節(jié)速度，通過(guò)切換正反組改變方向，系統(tǒng)響應(yīng)較慢，電流有可能斷續(xù)，可能出現(xiàn)環(huán)流，而且必須采用交流電源，存在電力污染，但功率容量大。 3-16弱磁與變壓協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速以上，主電路電流和勵(lì)磁電流的變化規(guī)律是什么？ 答：該系統(tǒng)在空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速過(guò)程中，勵(lì)磁電流保持不變以使得磁通恒定，而主電路電流在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)控制下保持在允許的最大值。超過(guò)額定轉(zhuǎn)速后，勵(lì)磁電流逐步減小，而主電路電流保持在與負(fù)載對(duì)應(yīng)的較小值

26、。 4-1異步電動(dòng)機(jī)的變壓調(diào)速需要何種交流電源？有哪些交流調(diào)壓方法？ 答：既然是變壓調(diào)速就需要一種電壓可以調(diào)整的單相或三相交流電源，過(guò)去采用自耦變壓器或帶直流勵(lì)磁繞組的飽和電抗器，現(xiàn)在采用晶閘管交流調(diào)壓器及全控型開(kāi)關(guān)斬波調(diào)壓器。 4-2異步電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)存在什么缺點(diǎn)？而閉環(huán)控制系統(tǒng)是如何改進(jìn)性能的？ 答：普通異步電動(dòng)機(jī)采用變壓調(diào)速時(shí)，調(diào)速范圍很窄，采用力矩電動(dòng)機(jī)可以增大調(diào)速范圍但負(fù)載變化時(shí)靜差率很大，開(kāi)環(huán)控制很難解決這個(gè)矛盾。力矩電動(dòng)機(jī)采用閉環(huán)控制，由于系統(tǒng)放大倍數(shù)很大，閉環(huán)穩(wěn)態(tài)特性可以很硬，如果采用PI調(diào)節(jié)器則可以做到無(wú)靜差。改變給定信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)較大范圍的調(diào)速。 4-

27、3什么是SPWM控制技術(shù)？什么是SVPWM控制技術(shù)？ 答：SPWM控制技術(shù)即正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)，對(duì)于電壓正弦PWM技術(shù)，就是將電壓正弦波正半周分為N等份，然后把每一份的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的等高矩形脈沖來(lái)代替，矩形脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等份的中點(diǎn)重合。這樣，由N個(gè)等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的脈沖序列就與正弦波的正半周等效。同樣，正弦波的負(fù)半周也可用相同的方法來(lái)等效。 SVPWM控制技術(shù)即電壓空間矢量PWM技術(shù)，是從電機(jī)的角度出發(fā)，目的在于使交流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生圓形磁場(chǎng)。它是以三相對(duì)稱正弦波電源供電時(shí)交流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的理想磁鏈圓為基準(zhǔn)，通過(guò)選擇逆變器功率開(kāi)關(guān)器件的不同開(kāi)關(guān)

28、模式，使電動(dòng)機(jī)的實(shí)際磁鏈盡可能逼近理想磁鏈圓。 4-4矢量控制系統(tǒng)的基本思想是什么？為何采用矢量控制可以使交流調(diào)速系統(tǒng)達(dá)到與直流調(diào)速系統(tǒng)相當(dāng)?shù)男阅埽? 答：異步電動(dòng)機(jī)矢量控制的目的是仿照直流電動(dòng)機(jī)的控制方式，利用坐標(biāo)變換的手段，把交流電動(dòng)機(jī)的定子電流分解為磁場(chǎng)分量電流(相當(dāng)于勵(lì)磁電流)和轉(zhuǎn)矩電流分量（相當(dāng)于電樞電流）分別加以控制，以獲得類似于直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。因?yàn)橛脕?lái)進(jìn)行坐標(biāo)變換的物理量是空間矢量，所以將這種控制系統(tǒng)稱為矢量變換控制系統(tǒng)。 4-5直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本思想是什么？試分析比較矢量控制系統(tǒng)與直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)各有何特點(diǎn)。 答：直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用雙位式控制，根據(jù)定子磁鏈幅

29、值偏差、電磁轉(zhuǎn)矩偏差的符號(hào)以及期望電磁轉(zhuǎn)矩的極性，再依據(jù)當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶克诘奈恢?，直接產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，避開(kāi)了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，省掉復(fù)雜計(jì)算，簡(jiǎn)化了控制結(jié)構(gòu)。 矢量控制系統(tǒng)與直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的性能特點(diǎn)比較如下： 性能與特點(diǎn) 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 矢量控制系統(tǒng) 磁鏈控制 定子磁鏈閉環(huán)控制 轉(zhuǎn)子磁鏈可以閉環(huán)控制， 也可以開(kāi)環(huán)控制 轉(zhuǎn)矩控制 雙位式控制，有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 連續(xù)控制，比較平滑 電流控制 無(wú)閉環(huán)控制 閉環(huán)控制 坐標(biāo)變換 靜止坐標(biāo)變換，較簡(jiǎn)單 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，較復(fù)雜 磁鏈定向 需知道定子磁鏈?zhǔn)噶康奈恢茫? 但無(wú)需精確定向 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向 調(diào)速范圍 不夠?qū)?

30、比較寬 轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng) 較快 不夠快 4-6一臺(tái)三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)為：額定電壓，額定轉(zhuǎn)速，額定頻率，定子繞組為Y形聯(lián)結(jié)。定子電阻，定子漏感，定子繞組產(chǎn)生氣隙主磁通的等效電感，折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻，轉(zhuǎn)子漏感，忽略鐵心損耗。 （1） 畫出異步電動(dòng)機(jī)T形等效電路和簡(jiǎn)化等效電路； （2） 求額定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)差率、定子額定電流和額定電磁轉(zhuǎn)矩； （3） 求定子電壓和頻率均為額定值時(shí)，理想空載時(shí)的勵(lì)磁電流； （4） 求定子電壓和頻率均為額定值時(shí)，臨界轉(zhuǎn)差率和臨界轉(zhuǎn)矩，畫出異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。 解：（1） T形等效電路 簡(jiǎn)化等效電路 （2）顯然，np=3，n1=1

31、000r/min。 根據(jù)簡(jiǎn)化等效電路，有 由于sN很小，近似有 理想空載相當(dāng)于轉(zhuǎn)子回路開(kāi)路，則 （4） 該異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如下： 4-7異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)同題4-6，畫出變壓調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性，計(jì)算臨界轉(zhuǎn)差率和臨界轉(zhuǎn)矩，分析氣隙磁通的變化和在額定電流下的電磁轉(zhuǎn)矩，分析在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載和風(fēng)機(jī)類負(fù)載兩種情況下變壓調(diào)速的穩(wěn)定運(yùn)行范圍。 答：變壓調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性如下圖所示。與題4-6相同，而臨界轉(zhuǎn)矩與定子電壓的二次方成正比，故0.7UsN時(shí)的臨界轉(zhuǎn)矩為229.3N·m，0.5UsN時(shí)的臨界轉(zhuǎn)矩為117N·m。 電壓降低時(shí)，氣隙磁通也隨之減小，額定電流下的電磁轉(zhuǎn)矩也會(huì)減小。在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下，普

32、通籠型異步電動(dòng)機(jī)變電壓時(shí)的穩(wěn)定工作點(diǎn)如上圖中A、B、C點(diǎn)，轉(zhuǎn)差率s的變化范圍為0~sm，調(diào)速范圍有限，不能實(shí)現(xiàn)低速運(yùn)行。因?yàn)閟>sm時(shí)，不但電動(dòng)機(jī)不能穩(wěn)定運(yùn)行，隨著轉(zhuǎn)子電流增大還可能造成過(guò)熱而損壞電動(dòng)機(jī)。如果帶風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載運(yùn)行，則工作點(diǎn)為D、E、F，采用變壓調(diào)速可得到較大的調(diào)速范圍。 4-8按基波以下和基波以上分析電壓頻率協(xié)調(diào)的控制方式，畫出： （1） 恒壓恒頻正弦波供電時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性； （2） 基頻以下電壓頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性； （3） 基頻以上恒壓變頻控制時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性； （4） 電壓頻率特性曲線U=f（f）。 答：（1）如下圖中固有特性 （2

33、）如下圖中基頻以下部分 （3）如下圖中基頻以上部分 （4）a為無(wú)補(bǔ)償時(shí)特性曲線，b為有補(bǔ)償時(shí)特性曲線。 4-9異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)同題4-6，輸出頻率時(shí)，輸出電壓?？紤]低頻補(bǔ)償，若頻率，輸出電壓。 （1） 求出基頻以下電壓頻率特性曲線U=f（f）的表達(dá)式，并畫出特性曲線； （2） 當(dāng)f=5Hz和f=2Hz時(shí)，比較補(bǔ)償和不補(bǔ)償?shù)臋C(jī)械特性曲線，以及兩種情況下的臨界轉(zhuǎn)矩Tem。 解：（1） Us/V （2） 特性曲線如下： 220 22 0 f/Hz 50 當(dāng)f=5Hz和f=2Hz時(shí)，如果不補(bǔ)償臨界轉(zhuǎn)矩較小，補(bǔ)償后臨界轉(zhuǎn)矩增大，機(jī)械特性曲線向右擴(kuò)展

34、。 f=5Hz時(shí)，補(bǔ)償前Us=22V， f=5Hz時(shí)，補(bǔ)償后Us=41.8V，則 f=2Hz時(shí)，補(bǔ)償前Us=8.8V， f=2Hz時(shí)，補(bǔ)償后Us=29.92V，則 4-10若三相電壓分別為、、，如何定義三相定子電壓空間矢量、、和合成矢量？寫出它們的表達(dá)式。 答：電壓空間矢量下圖所示。A、B、C分別表示在空間靜止的電動(dòng)機(jī)定子三相繞組的軸線，它們?cè)诳臻g互差，三相定子電壓uAO、uBO、uCO分別加在三相繞組上。可以定義三個(gè)定子電壓空間矢量uAO、uBO、uCO。當(dāng)uAO>0時(shí)，uAO與A軸同向，當(dāng)uAO<0時(shí)，uAO與A軸反向，B、C兩相也一樣。則電壓矢量可表示為 其中，k為待定系數(shù)。

35、 三相合成矢量為 4-11試論述轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的控制規(guī)律、實(shí)現(xiàn)方法及系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。 答：在s值很小的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍內(nèi)，如果能夠保持氣隙磁通不變，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩就近似與轉(zhuǎn)差角頻率成正比。這就是說(shuō)，在異步電動(dòng)機(jī)中控制，就和直流電動(dòng)機(jī)中控制電樞電流一樣，能夠達(dá)到間接控制轉(zhuǎn)矩的目的。 按恒Eg/ω1控制時(shí)可保持恒定，要實(shí)現(xiàn)恒控制，必須采用定子電壓補(bǔ)償控制，以抵消定子電阻和漏抗的壓降。實(shí)現(xiàn)上述轉(zhuǎn)差頻率控制的轉(zhuǎn)速閉環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖如下圖所示。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）的輸出信號(hào)是轉(zhuǎn)差頻率給定（相當(dāng)于電磁轉(zhuǎn)矩給定），與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào)相加，即得定子頻率給定信號(hào)，即。由和電流反饋信號(hào)從微機(jī)存

36、儲(chǔ)的函數(shù)表格中查得定子電壓給定信號(hào)，用和控制PWM逆變器，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速。 轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)具有突出優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)差角頻率與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速相加后得到定子角頻率，在調(diào)速過(guò)程中，定子角頻率隨著實(shí)際轉(zhuǎn)速同步地上升或下降，因此加、減速平滑而且穩(wěn)定。同時(shí)，由于在動(dòng)態(tài)過(guò)程中ASR飽和，系統(tǒng)以對(duì)應(yīng)于的最大轉(zhuǎn)矩起、制動(dòng)，并限制了最大電流，保證了在允許條件下的快速性。 轉(zhuǎn)差頻率控制是一個(gè)較好的控制策略，其調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)、動(dòng)態(tài)性能接近轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。不過(guò)，它的性能還不能完全達(dá)到雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，其原因如下： （1）轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)是基于異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的，

37、所謂的“保持磁通恒定”只有在穩(wěn)態(tài)情況下才能做到。在動(dòng)態(tài)過(guò)程中難以保持磁通恒定，這將影響到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 （2）電壓頻率特性只控制定子電流的幅值，沒(méi)有考慮到電流的相位，而在動(dòng)態(tài)中相位也是影響轉(zhuǎn)矩變化的因素。 （3）如果轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)不準(zhǔn)確或存在干擾，也會(huì)直接給頻率造成誤差，而這些誤差和干擾都以正反饋的形式毫無(wú)衰減地傳遞到頻率控制信號(hào)上。 4-12通用變頻器為什么經(jīng)常要外接一個(gè)制動(dòng)電阻？ 答：制動(dòng)電阻R用于吸收電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的再生電能，可以縮短大慣量負(fù)載的自由停車時(shí)間，還可以在位能負(fù)載下放時(shí)實(shí)現(xiàn)再生運(yùn)行。 變頻器內(nèi)部配有制動(dòng)電阻，但當(dāng)內(nèi)部制動(dòng)電阻不能滿足工藝要求時(shí)，還要外部制動(dòng)電阻。

38、 4-13串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的效率比繞線轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的效率要高的原因是什么？ 答：由于串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)一部分轉(zhuǎn)差功率可以回饋電網(wǎng)，所以效率比繞線轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速要高。 4-14簡(jiǎn)述異步電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速的基本原理和異步電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速的五種工況。 答：異步電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速的基本原理是既可從繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的定子側(cè)輸入或輸出功率，也可以從轉(zhuǎn)子側(cè)輸入或輸出轉(zhuǎn)差功率，因此采用從定、轉(zhuǎn)子同時(shí)饋電的方式進(jìn)行調(diào)速。其五種工況為：次同步速電動(dòng)狀態(tài)、反轉(zhuǎn)倒拉制動(dòng)狀態(tài)、超同步速回饋制動(dòng)狀態(tài)、超同步速電動(dòng)狀態(tài)和次同步速回饋制動(dòng)狀態(tài)。 5-1何謂同步電動(dòng)機(jī)的失步與起動(dòng)問(wèn)題，如何克服解決？ 答：同步電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，定子旋

39、轉(zhuǎn)磁場(chǎng)拉著轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，同步電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子軸上的機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡。所謂失步是指同步電動(dòng)機(jī)受到來(lái)自電網(wǎng)、負(fù)載和本身的各種擾動(dòng)破壞了電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不能再和定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速保持一致的情況。如果擾動(dòng)不大，功率角（轉(zhuǎn)矩角）穩(wěn)定運(yùn)行范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)本身具備自動(dòng)調(diào)節(jié)能力；如果擾動(dòng)過(guò)大造成失步，需要專門的保護(hù)裝置。 當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)在工頻電源下起動(dòng)時(shí)，原來(lái)轉(zhuǎn)子是靜止的，而定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)立即以同步轉(zhuǎn)速對(duì)轉(zhuǎn)子作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。由于轉(zhuǎn)子的機(jī)械慣性，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速具有較大的滯后，不能快速跟上同步轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)矩角以為周期變化，電磁轉(zhuǎn)矩呈周期性正負(fù)變化。這樣，作用于轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩平均值為零，不能自行起動(dòng)

40、，這是同步電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重大缺點(diǎn)。在實(shí)際的同步電動(dòng)機(jī)中，轉(zhuǎn)子都有類似異步電動(dòng)機(jī)的籠型起動(dòng)繞組，使電動(dòng)機(jī)按異步電動(dòng)機(jī)的方式起動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)再通入勵(lì)磁電流牽入同步。對(duì)三相永磁同步電動(dòng)機(jī)，通常采用變頻起動(dòng)的方法，即采取使電動(dòng)機(jī)電源的頻率從零逐漸增大的辦法來(lái)起動(dòng)。當(dāng)定子電源頻率很低時(shí)，同步轉(zhuǎn)速也很低，這樣，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就可以“吸住”永磁轉(zhuǎn)子跟著轉(zhuǎn)動(dòng)。 5-2同步電動(dòng)機(jī)有哪兩種基本控制方式？其主要區(qū)別在何處？ 答：從頻率控制的方式來(lái)看，同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)可以分為兩種： （1）他控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)：采用獨(dú)立的變壓變頻器給定子供電，并由專門的晶閘管整流器提供直流給轉(zhuǎn)子勵(lì)磁。 （2）

41、自控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)：由PWM變頻器供電，用電動(dòng)機(jī)軸上所帶的轉(zhuǎn)子位置傳感器（BQ）提供的信號(hào)來(lái)控制PWM變頻器的換相時(shí)刻。 5-3分析比較無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與有刷直流電動(dòng)機(jī)及其相應(yīng)的調(diào)速系統(tǒng)的相同與不同之處。 答：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)實(shí)質(zhì)上是一種永磁同步電動(dòng)機(jī)-磁極位置傳感器-電力電子供電電路-自動(dòng)控制器的有機(jī)結(jié)合體。它與有刷電動(dòng)機(jī)的相同點(diǎn)是都采用直流供電，不同之處主要有：（1）無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)沒(méi)有電刷和換向器。（2）定子繞組和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不一樣。（3）無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)需要檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，其與調(diào)速系統(tǒng)已成有機(jī)整體；而有刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)需要單獨(dú)的調(diào)速器，不需要檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。 5-4旋轉(zhuǎn)編碼器有幾種？各

42、有什么特點(diǎn)？ 答：按照工作原理，旋轉(zhuǎn)編碼器可分為增量式和絕對(duì)式兩類。 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器以轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出脈沖，通過(guò)計(jì)數(shù)設(shè)備來(lái)知道其位置，當(dāng)編碼器不動(dòng)或停電時(shí)，依靠計(jì)數(shù)設(shè)備的內(nèi)部記憶來(lái)記住位置。這樣，在停電后，編碼器不能有任何的移動(dòng)，當(dāng)來(lái)電工作時(shí)，編碼器輸出脈沖過(guò)程中，也不能有干擾而丟失脈沖，不然，計(jì)數(shù)設(shè)備記憶的零點(diǎn)就會(huì)偏移，而且這種偏移的量是無(wú)從知道的，只有錯(cuò)誤的生產(chǎn)結(jié)果出現(xiàn)后才能知道。也就是說(shuō)，僅靠這些還不能獲得絕對(duì)位置。解決的方法是增加參考點(diǎn)（即起始零點(diǎn)），為此，需在碼盤邊緣光槽內(nèi)圈設(shè)置一個(gè)零位標(biāo)志光槽，對(duì)應(yīng)地光欄板上也要增加一條縫隙，在接收器上增加一個(gè)光敏元件，從而得到零位脈沖Z。編碼器每

43、經(jīng)過(guò)參考點(diǎn)，將參考位置修正進(jìn)計(jì)數(shù)設(shè)備的記憶位置。由于這種方法在參考點(diǎn)以前，是不能保證位置的準(zhǔn)確性的，因此，在工控程序中就有每次操作要先找參考點(diǎn)，開(kāi)機(jī)時(shí)要找零等。這樣的方法對(duì)有些工控項(xiàng)目比較麻煩，甚至不允許開(kāi)機(jī)找零。 絕對(duì)式編碼器輸出是由碼盤的機(jī)械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。絕對(duì)式編碼器由機(jī)械位置決定每個(gè)編碼的唯一性，它無(wú)需記憶，無(wú)需找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù)，什么時(shí)候需要知道位置，什么時(shí)候就去讀取它的位置。這樣，編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。由于其高精度，輸出位數(shù)較多，若仍用并行輸出，則每一位輸出信號(hào)必須確保連接良好，對(duì)于較復(fù)雜工況還要隔離，連接電纜芯數(shù)多，由此帶來(lái)諸多

44、不便和降低可靠性，因此，其多位數(shù)輸出型，一般均選用串行輸出或總線型輸出。 5-5數(shù)字測(cè)速方法有幾種？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？ 答：（1）M法測(cè)速，在一定的時(shí)間Tc內(nèi)測(cè)取旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)M1，用以計(jì)算這段時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)速。低速時(shí)測(cè)量精度較差，適合測(cè)量較高的轉(zhuǎn)速。 （2） T法測(cè)速，通過(guò)測(cè)量旋轉(zhuǎn)編碼器輸出信號(hào)的周期來(lái)推算電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以又稱周期法。高速時(shí)測(cè)量精度較差，適合測(cè)量較低的轉(zhuǎn)速。 （3） M/T法測(cè)速，將M法和T法的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，它無(wú)論在高速或低速時(shí)都具有較高的分辨能力和檢測(cè)精度。 5-6什么是電子齒輪功能？ 答：電子齒輪是一個(gè)對(duì)位置輸入脈沖信號(hào)進(jìn)行分頻（或倍頻）的電路，給定信號(hào)

45、（脈沖數(shù)）要通過(guò)電子齒輪后，才轉(zhuǎn)變?yōu)槲恢弥噶?，目的是通過(guò)電子齒輪變比的設(shè)置，使系統(tǒng)滿足用戶對(duì)控制分辨率（角度/脈沖）的要求。 5-7三相隱極同步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)為：額定電壓，額定電流，額定頻率，額定功率因數(shù)（超前），定子繞組Y形聯(lián)結(jié)，電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)，同步電抗，忽略定子電阻。 （1）求該同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在額定狀態(tài)時(shí)的電磁功率、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩角、轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)在定子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、最大轉(zhuǎn)矩； （2）若電磁轉(zhuǎn)矩為額定值，功率因數(shù)，求電磁功率、定子電流、轉(zhuǎn)矩角、轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)在定子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、最大轉(zhuǎn)矩。 解：（1）額定相電壓 由，可得，。 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 轉(zhuǎn)矩角 電磁功率 電磁轉(zhuǎn)矩 最大轉(zhuǎn)

46、矩 （2）此時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為額定值，轉(zhuǎn)速不變，則電磁功率也不變，，。 因?yàn)楹雎远ㄗ与娮?，所以，得? 6-1全閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)與半閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)相比有什么優(yōu)點(diǎn)？ 答：全閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)將機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)也包括到了位置控制回路中，就使得機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的誤差也可以通過(guò)閉環(huán)控制得到減小，因此控制精度比半閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)更高。 6-2位置隨動(dòng)系統(tǒng)有哪些特點(diǎn)？ 答：1）輸出量（被控量）為位移，而不是轉(zhuǎn)速。 2）輸入量是不斷變化的（而不是恒定量），系統(tǒng)主要要求輸出量能按一定精度跟隨輸入量的變化，以跟隨性能為主。而調(diào)速系統(tǒng)主要要求輸出量保持恒定，能抑制負(fù)載擾動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速的影響，以抗擾性能為主。 3）

47、功率放大器及控制系統(tǒng)都必須是可逆的，使伺服電動(dòng)機(jī)可以正、反兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，并消除正或負(fù)的位置偏差。而調(diào)速系統(tǒng)可以有不可逆系統(tǒng)。 4）位置隨動(dòng)系統(tǒng)的外環(huán)為位置環(huán)，而速度環(huán)、電流環(huán)為內(nèi)環(huán)。 6-3位置隨動(dòng)系統(tǒng)的性能用哪些指標(biāo)衡量？ 答：1）穩(wěn)態(tài)位置跟隨誤差。 2）定位精度與速度控制范圍。 3）最大快移速度。 4）伺服剛度。 6-4伺服系統(tǒng)的執(zhí)行電動(dòng)機(jī)有哪幾種？ 答：直流伺服電動(dòng)機(jī)（小慣量和寬調(diào)速）、交流伺服電動(dòng)機(jī)（異步和永磁同步）、直線電動(dòng)機(jī)。 6-5數(shù)控插補(bǔ)算法有哪幾類？ 答：就目前普遍應(yīng)用的算法而言，插補(bǔ)可以分為兩大類：脈沖增量插補(bǔ)和數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)。 6-6某伺服系統(tǒng)框圖如圖6-

48、15所示，計(jì)算3種輸入下的系統(tǒng)給定誤差： （1） ； （2） ； 。 圖6-15習(xí)題6-6圖 解：該伺服系統(tǒng)為I型系統(tǒng)，且開(kāi)環(huán)增益Kh=500，所以 （1）輸入為階躍信號(hào)，系統(tǒng)跟隨誤差為零。 （2）輸入為斜坡信號(hào)，且v=1/2，則系統(tǒng)跟隨誤差 （3）輸入為拋物線信號(hào)，系統(tǒng)跟隨誤差為無(wú)窮大。 7-1數(shù)字式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由哪幾部分組成？畫出控制系統(tǒng)框圖。 答：數(shù)字式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)一般采用雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用微機(jī)控制，全數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)脈沖觸發(fā)、轉(zhuǎn)速給定和檢測(cè)，并采用數(shù)字PI算法，由軟件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)框圖如下所示。 7-2運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)字控制器與模擬控制器比較有哪些優(yōu)點(diǎn)？

49、 答：模擬系統(tǒng)具有物理概念清晰、控制信號(hào)流向直觀等優(yōu)點(diǎn)，便于學(xué)習(xí)入門，但其控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路和所用的器件上，因而電路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件的性能、溫度等因素的影響。以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱數(shù)字控制系統(tǒng)）硬件電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移的影響；其控制軟件能夠進(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律，而且更改起來(lái)靈活方便。 7-3增量式PID控制器與位置式PID控制器各有何優(yōu)缺點(diǎn)？ 答：①位置式PID控制的輸出與整個(gè)過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，用到了誤差的累加值；而增量式PID的輸出只與當(dāng)前拍和前兩拍的誤差

50、有關(guān)，因此位置式PID控制的累積誤差相對(duì)更大；②增量式PID控制輸出的是控制量增量，并無(wú)積分作用，因此該方法適用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶積分部件的對(duì)象，如步進(jìn)電機(jī)等，而位置式PID適用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)不帶積分部件的對(duì)象，如電液伺服閥。③由于增量式PID輸出的是控制量增量，如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，誤動(dòng)作影響較小，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身有記憶功能，可仍保持原位，不會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作，而位置式的輸出直接對(duì)應(yīng)對(duì)象的輸出，因此對(duì)系統(tǒng)影響較大。 7-4什么是現(xiàn)場(chǎng)總線？常用的現(xiàn)場(chǎng)總線有哪些？ 答：現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)，主要解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)

51、字通信以及這些現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問(wèn)題。目前流行的主要有FF、Profibus、CAN、LonWorks、WorldFIP等。 7-5Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的主站與主站、主站與從站是以什么方式進(jìn)行通信的？ 答：Profibus總線存取協(xié)議規(guī)定主站之間的令牌傳遞方式和主站與從站之間的主從方式。令牌程序保證了每個(gè)主站在一個(gè)確切規(guī)定的時(shí)間框內(nèi)得到總線存取權(quán)即令牌，在Profibus中，令牌只在各主站之間通信時(shí)使用。主從方式允許主站在得到總線存取令牌時(shí)可與從站通信，每個(gè)主站均可向從站發(fā)送或索取信息，通過(guò)該方法可實(shí)現(xiàn)以下幾種系統(tǒng)配置方式：（1）純主站一從站系統(tǒng)（主一從機(jī)制）、（

52、2）純主站一主站系統(tǒng)（令牌傳遞機(jī)制）、（3）混合系統(tǒng) 7-6試總結(jié)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)控制的發(fā)展趨勢(shì)。 答：當(dāng)前運(yùn)動(dòng)控制器已經(jīng)從以單片機(jī)或微處理器作為核心的運(yùn)動(dòng)控制器和以專用芯片(ASIC)作為核心處理器的運(yùn)動(dòng)控制器,發(fā)展到了基于嵌入式計(jì)算的開(kāi)放式、網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制器?；诰W(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)和嵌入式結(jié)構(gòu)的通用運(yùn)動(dòng)控制器逐步成為自動(dòng)化控制領(lǐng)域里的主導(dǎo)產(chǎn)品之一。運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)將進(jìn)一步向速度更快、抖動(dòng)更小、容錯(cuò)性更好、傳輸距離更遠(yuǎn)和高可靠性的方向發(fā)展,以求實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)化控制的情況下仍能進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、高速實(shí)時(shí)多軸插補(bǔ)、誤差補(bǔ)償和更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算,使得運(yùn)動(dòng)控制精度更高、速度更快、運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn);并使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加開(kāi)放,能根據(jù)用戶的應(yīng)用要求進(jìn)行客制化的重組,設(shè)計(jì)出個(gè)性化的運(yùn)動(dòng)控制器。這將是今后運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的方向。