1．交－直－交变频调速系统：
（1）六阶梯波逆变器中，①改变U l依靠调节＿可控整流器的移相触发角＿＿来实现，
②改变f1依靠调节＿逆变器晶闸管换流快慢(频率)＿＿＿来实现，
③改变电机转向依靠改变＿逆变器晶闸管触发脉冲的分配规律＿来实现。
（2）在正弦脉宽调制型SPWM逆变器中，①改变U l依靠调节＿正弦调制波幅值＿来实现，
②改变f1依靠调节＿正弦调制波频率＿来实现，
③改变电机转向依靠改变＿逆变器开关元件驱动脉冲的分配规律＿
＿来实现。
2．变流器非正弦供电对电机运行性能有何影响？
答：
变流器非正弦供电对电机运行性能的影响有:
(1) 磁路工作点: 使六阶梯波电压源供电电机气隙磁密比正弦波供电时大10%, 磁路将饱
和，使力能指标η↓，cosΦ↓
设计非正弦电压源供电电机时，其磁路设计和空载试验须提高电压10%，以计及谐波磁场的饱和效应
(2)电流中的谐波将使槽电流增大（1.1倍），槽磁势增大，漏磁路饱和，使定子漏抗减小
（15~20）%
(3)转子参数:谐波滑差S k = 1 ，转子频率f2= S k f1 = f1为高频，转子集肤效应严重。转
子电阻增大；转子电流挤向槽口，分布不均，槽漏抗减小。
(4)功率因数: 电流谐波→增大电流有效值→提高磁路饱和程度→增加励磁电流→cosφ降低
(5)损耗与效率: 变频器非正弦供电时，谐波电流增加了损耗、降低了效率。但变化趋势与变频器型有关:
①电压源型逆变器供电时, 谐波电流大小及产生的谐波损耗Δp不随负载Ρ2变化而恒定,
造成: 轻载时，η↓多；满载时，η↓少（2%）
②电流源型逆变器供电时, 电流中各次谐波含量比例确定，大小随负载变,造成: 满载时，损耗增大，η、cosΦ↓多；
轻载时，损耗较小，η、cosΦ↓少。
(6) 谐波转矩
①恒定谐波转矩
气隙磁通中谐波磁通与在转子中感应出同次谐波电流相互作用产生的异步性质谐波转矩,
）,影响可忽略。
其值恒定但很小（1%T
N
②脉动转矩
不同次数谐波磁场(主要是幅值最大的5、7次)与基波磁场的相互作用产生出六倍频谐波转矩.其性质为脉振转矩,平均值为零。
(7) 电应力——非正弦电压波形上电压变化梯度大,绕组进线第一匝电容小、容抗大，将承
受40%的过电压（电位梯度），使绝缘因电晕而老化、击穿。
(8) 轴电流:零序电压U0作用在零序回路上, 形成流过轴、轴承的轴电流.变频器供电时，其
中谐波电压频率高，容性零序阻抗小，轴电流大。流过轴承，破坏油膜稳定生成，形成干磨擦，烧毁电机，成为变频电机常烧轴承的原因.
3.在设计及选用变流器非正弦供电电机时, 应作如何考虑？
答:
在设计及选用变流器非正弦供电电机时, 应考虑的对策是：
①电压源型变流器供电时, 因变频器输出电压谐波含量确定，要设计或选用漏抗大电机来限制谐波电流的产生恶果。
②电流源型变流器供电时, 因变频器输出电流谐波含量确定，要设计或选用漏抗小电机来限制谐波电压的产生及恶果。
4.异步电机非正弦供电下，存在两种谐波转矩：
(1) 恒定谐波转矩，①性质：＿＿(a)异步转矩性质。＿(b) 恒定转矩，但数值很小，
其影响可忽略＿＿
②产生机理是＿气隙磁通中谐波磁通（激励）→转子中感应出同次谐波电流（响应）
相互作用产生的谐波转矩＿＿。
(2) 交变谐波转矩，①性质：(a)＿＿脉振转矩(基波的六倍频)＿＿
(b)非恒定转矩(不同极对数磁场作用产生)，平均值为零，(c) 但低速（低频）时脉
动幅值大，会造成噪声、振动，影响大＿＿＿＿＿＿；
②产生机理＿不同次数谐波磁场与基波磁场的相互作用结果。幅值最大低次(5、7次)
谐波电流→建立5、7次谐波磁场→转子中感应出5、7次转子谐波电流。其中
5次谐波转子电流（磁势）以5ω1反转，基波旋转磁场以ω1正转，两者相对速度为6ω1。7次谐波转子电流（磁势）以7ω1正转，基波旋转磁场以ω1正转，两者相对速度为6ω1。均产生出六倍频谐波转矩＿＿。
5．变频调速系统中，逆变器有电压源逆变器（VSI）及电流源逆变器（CSI）之分，试从以下三方面对比说明其差异，并详细说明其理由：
答:
(1) 直流环节所用滤波元件及造成的电源内阻特性上：
①电压源型逆变器: 采用大电容滤波，逆变器电源内阻呈现低内阻特性，使输出电
压不随负载电流改变而稳定。
②电流源型逆变器: 釆用大电感滤波，逆变器电源内阻呈现高内阻特性，使输出电
流稳定，输出电压随负载电流变。
⑵功率开关元件导通型式及造成的输出电压、电流特性上：
①电压源型：180度导通型（每管导通半周期）,换流在同相上、下桥臂元件间进行，
任何时刻均有三管导通，使三相电压确定。
②电流源型：120度导通型（每管导通1/3周期）,换流在同组（共阳或共阴组）的
三相元件间进行，任何时候只有两管导通，使三相电流确定。
⑶拖动多机及四象限运行能力上：
①电压源型：大电容滤波，直流母线电压极性不能改变，两桥开关元件单向导电性
决定了直流电流流向不能变，功率只能从电网流向电机，电机只能作电动运行，
故无四象限运行能力
②电流源型：虽两桥开关元件单向导电性决定直流电流流向不能改变，但大电感
滤波下直流母线电压极性允许改变，故有四象限运行能力。
6.在采用六阶梯波 ( 方波 ) 逆变器构成的交一直一交变频调速系统中，分别阐述：
①改变电机端电压依靠调节什么来实现？
②改变电机运行频率依靠调节什么来实现？
③改变电机转向又是依靠什么来实现？
答：
①改变电机端电压依靠调节可控整流器的输出直流电压来实现；
②改变电机运行频率依靠调节逆变器晶闸管换流快慢(频率)来实现；
③改变电机转向又是依靠逆变器晶闸管触发脉冲的分配来实现。
7.按电压与频率协调控制的实现方式区分,交—直—交变频器有几种结构形式? 图示说明。答:
（1）可控整流器调压+ 逆变器变频形式:
釆用可控整流器相控调压, 改变逆变器换流快慢（脉冲频率）实现变频。
（2）不控整流器整流+ 斩波器调压+ 逆变器变频形式:
釆用不控整流改善输入特性, 但输出直流电压U d恒定，故采用斩波器脉宽调制调压;
仍釆用六脉波逆变器, 改变逆变器换流快慢（脉冲频率）实现变频, 但输出特性差。（3）不控整流器整流+ PWM逆变器调压/变频形式:
逆变器采用高频自关断器件, 提高逆变器开关频率，使最低次谐波频率提高, 削弱了谐波负面影响; 同时釆用正弦脉宽调制（PWM）控制，使输出电压以正弦基波为主, 大大改善了输出特性。
8. 在采用SPWM （正弦脉宽调制）逆变器构成的交一直一交变频调速系统中，分别阐述： ① 改变电机端电压依靠调节什么来实现？
② 改变电机运行频率依靠调节什么来实现？
③ 改变电机转向又是依靠什么来实现？
答：
采用SPWM （正弦脉宽调制）逆变器构成的交一直一交变频调速系统中：
① 改变电机端电压依靠调节正弦调制波幅值来实现；
② 改变电机运行频率依靠调节正弦调制波频率来实现；
③ 改变电机转向又是依靠改变三相正弦调制波的相序来实现，也可认为是通过变化逆变器功率开关元件的分配次序来实现。
9. PWM 型变频器输出电压的幅值和频率是如何调节的？分别就正弦脉宽调制(SPWM)和磁链追踪控制(SVPWM)两种不同方式作出说明。
答：
(1) SPWM ：
① 改变正弦调制波的频率，调节PWM 波脉宽变化周期，即频率；
② 改变正弦调制波的幅值，调节PWM 波脉冲宽度，即电压大小
(2) SVPWM
设基频为
①基频以下 ：采用零矢量控制 磁链圆大小恒定
---恒磁通控制
②基频 ：不用零矢量，有效矢量作用时间额定
③基频以上 ：不用零矢量，减少有效矢量作用时间——磁链圆变小（弱磁控制），转速变快
10.
答: ３9. 脉宽调制(PWM)变频器与方波(六阶梯波) 变频器相比有何优点？正弦脉宽调制(SPWM)变频器如何获得正弦脉宽的输出电压？又如何实现输出频率和输出电压大小的调节。
脉宽调制(PWM)变频器与方波(六阶梯波)变频器相比优点是输出特性好，即输出基波成1N 1N
2f ωπ=11N ωω<11N ωω=
11N ωω>
分大、谐波成分小，特别是谐波高频化，无低次谐波，因而易于滤波。
正弦脉宽调制(SPWM)变频器要获得正弦脉宽的输出电压可采用自然采样法的调制技术，即采用正弦调制波与等腰三角形载波相交、交点决定逆变器功率器件开关时刻的方式得到正弦脉宽的输出电压。
调节正弦调制波的频率可实现逆变器输出频率的调节，调节正弦调制波的幅值可实现逆变器输出电压大小的调节。
11。异步电机变频调速时，电机端电压应如何变化? 图示说明之
答:
U l随频率f1的变化规律是:
(1) 基频以下 ( f1 行。但在f1< 5 Hz下要对定子电阻压降作补偿, 确保E l/f l= C的恒磁通条件。 (2)基频以上 ( f1>f1N): 保持U l= C, 则隨f1上升, Φ∝U1N/ f1下降, 电机作弱磁控 制, 实现恒功率运行。 12. 画出频率开环、电压源(SPWM)逆变器—异步电机变频调速系统原理图(包括详细的主电路、控制电路)，说明主功率开关器件旁为何必须反并联续流二极管？ 答: 频率开环、电压源(SPWM)逆变器—异步电机变频调速系统原理如右图所示。 由于异步电机是一种需要感性无功功率的交流电机，电机电流落后于电压。为给落后的感性无功电流提供通路，必须在逆变器主功率开关器件旁反并联续流二极管。 13.频率开环、电压源(SPWM)逆变器—异步电机变频调速系统中： (1) 两个控制通道各自如何工作的？相互间如何协调的？靠什么单元协调？画出该单元的输入、输出关系曲线，并作合理说明； (2) 如何形成SPWM调制控制(如何变频、调压)？ 答: (1) 控制系统分为频率控制通道和电压控制通道，其总信号为速度给定。速度给定的正、 负分别表示正、反转，速度给定绝对值代表速度高低。为避免给定突变引起电流、转矩的冲击，采用给定积分器将阶跃给定变为斜坡给定。为简化频率通道及电压通道的运算，可将速度给定的大小和极性分离，采用绝对值电路提取速度给定的大小来进行控制运算，用转向判别器提取转向标志来干预转向控制。 进入频率通道的转速绝对值经V/f变换器变成运行频率信号，作为正弦调制波的频率给定值，与三角形载波相交生成SPWM波调制信号。而正弦调制波的幅值大小则由电压通道产生和给定。但三角载波频率决定于调制控制方式(异步调制、同步调制、混合同步调制)，故需从调制方式控制决定载波频率，通过三角波发生器产生三角载波，与正弦调制波一起送进PWM调制生成PWM驱动信号，送入脉冲分配器再根据转向信号决定逆变器各功率开关信号分配，控制电机按给定转向和转速运行。 为确保变频运行时电机磁路工作点不变或按要求变化，进入电压控制通道的转速绝对值必须通过一称之为函数发生器的电路，按基频以下恒U1/f l= C (恒磁通)控制、基频以上U1=U lN (弱磁)控制。这是一个协调两通通控制的单元，其输入f1、输出U1关系如下图所示。 函数发生器的输出电压U1须经电压闭环控制以确保电压U1严格按要求控制，然 后再送至正弦波发生器控制正弦调制波幅值。因而电压通道还包括电压检测及电压调 节器两个部件。 (2) SPWM调制控制是通过在正弦波发生器中正弦波的频率设定(V/f变换器)和函数发生器生成的正弦调制波电压大小的分别控制实现变频和调压的。 完 机电运动控制系统离线作 业必 Newly compiled on November 23, 2020 浙江大学远程教育学院 《机电运动控制系统》课程作业（必做） 姓名：严超学号： 3 年级：16秋电气学习中心：武义 ————————————————————————————— 1.直流电机有哪些调速方法根据其速度公式说明之, 并说明如何釆用电力电子手段实现。 答：根据直流电机速度公式，有 （1）电枢电压Ua控制-调压调速（向下调速）：采用电力电子手段时，有晶闸管可控整流器供电和自关断器件H型桥脉宽调制（PWM）供电等方式，其损耗小，控制性能好。 （2）磁场φ控制-弱磁（向上调速），采用电力电子手段时，有晶闸管可控整流器供电励磁控制。 （3）由于运行损耗大、效率低，一般不再采用串Ra调速。 2.画出双闭环晶闸管—直流电动机不可逆调速系统电原理图（非方块图），须清楚表达两个闭环的关键元件，写出各部分名称，标注有关信号量；指出两闭环连接上的特点及相互关系。 答：双闭环晶闸管-直流电动机不可逆调速系统电路原理图如下： 两闭环连接上的关系是速度调节器的输出作为电流调节器的输入，这就使得该系统具有由速度调节器的输出限幅值确定了电流环的给定值，进面确定了系统的最大电流的特点。 3.分析双闭环晶闸管—直流电动机不可逆调速系统： (1) 如果要改变转速，应调节什么参数为什么 (2) 如要控制系统的起动电流、确保系统运行安全，应调节什么参数为什么 答：（1）改变转速时只能改变速度调节器的输入ug，因为它是速度环的指令信号。改变速度调节哭的参数对稳态速度无调节作用，仅会影响动态响应速度快慢。 (2)要控制系统的起动电流、确保系统运行安全，应调节速度调节器的输出限幅值。 因为速度调节器的输出限幅值确定了电流环的给定值，进而确定了系统的最大电流。 4. 填空 : 双闭环晶闸管━直流电动机调速系统中，内环为＿电流＿环，外环为＿速度环，其连接关系是：＿速度调节器＿的输出作为＿＿电流调节器的输入，因此外环调节器的输出限幅值应按＿＿调速系统允许最大电流＿来整定；内环调节器的输出限幅值应按＿＿可控整流器晶闸管最大、最小移相触发角＿来整定。两调节器均为＿PI＿型调节器，调速系统能够做到静态无差是由于调节器具有＿积分（记忆）功能；能实现快速动态调节是由于节器具有＿＿饱和限幅＿功能。 5.在转速、电流双闭环系统中，速度调节器有哪些作用其输出限幅值应按什么要求来调整电流调节器有哪些作用其输出限幅值应如何调整 答：速度调节器用于对电机转速进行控制，以保障：①调速精度，做至静态无差；②机械特性硬，满足负载要求。 速度调节器输出限幅值应按速系统允许最大电流来调整，以确保系统运行安全（过电流保护） 电流调节器实现对电流的控制，以保障：①精确满足负载转矩大小要求（通过电流控制）；②调速的快速动态特性（转矩的快速响应）。 《机电控制技术》 课程大作业一 基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真 学院：机电工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 班级：1108110 学号：1110811005 姓名：崔晓蒙 2013-06-17 设一转速、电流双闭环直流调速系统，采用双极式H 桥PWM 方式驱动，已知电动机参数为： 设一转速、电流双闭环直流调速系统，采用双极式H 桥PWM 方式驱动，已知电动机参数为： 额定功率200W ； 额定电压48V ； 额定电流4A ； 额定转速n=500r/min ； 电枢回路总电阻R=0.8Ω；(本次选为8Ω） 允许电流过载倍数λ=2； 电势系数=e C 0.04Vmin/r ； 电磁时间常数=L T 0.008s ； 机电时间常数=m T 0.5； 电流反馈滤波时间常数=oi T 0.2ms ； 转速反馈滤波时间常数=on T 1ms ； 要求转速调节器和电流调节器的最大输入电压==* * im nm U U 10V ； 两调节器的输出限幅电压为10V ； PWM 功率变换器的开关频率=f 10kHz ； 放大倍数=s K 4.8。 试对该系统进行动态参数设计，设计指标： 稳态无静差； 电流超调量≤i σ5%； 空载起动到额定转速时的转速超调量σ ≤ 25%； 过渡过程时间=s t 0.5 s 。 1.计算电流和转速反馈系数 电流反馈系数：） （A V I U nom im /25.14210 *=?==λβ 转速反馈系数：)/min (02.0500 10 *r V n U nom nm ===α 2.电流环的动态校正过程和设计结果 2.1确定时间常数 由题给电流反馈滤波时间常数s ms T oi 0002.02.0==， 调制周期s f T s 0001.010 1 14=== ， 按电流环小时间常数的近似处理方法，有 s T T T oi s i 0003.00002.00001.0=+=+=∑ 2.2选择电流调节器结构 电流环可按Ⅰ型系统进行设计。电流调节器选用PI 调节器，其传递函数为 s s K s G i i i ACR ττ1 )(+= 2.3选择调节器参数 超前时间常数：s T l i 008.0==τ。 电流超调量由题给为%5≤i σ，电流环开环增益：取5.0=∑i I T K ，因此 6667.16660003 .05 .05.0=== ∑i I T K 于是，电流调节器的比例系数为 .7778718 .425.18 008.06667.1666=???==s i I i K R K K βτ 2.4检验近似条件 电流环的截止频率1/s 6667.1666==I ci K ω。 1）近似条件一：s ci T 31≤ ω 一、选择填空：（每空2分、共20分） 1、一个调速系统的调速范围，是指在时还能满足所需静差率的转速可调范围。答案：（ 1 ） １)最低速；２)最高速； ３)平均速；４)不能确定； 2、闭环调速系统可以获得比开环调速系统的稳态特性。 答案：（ 2 ） １）硬得不多；２）硬得多； ３）软得多；４）软得不多； 3、无静差调速系统的最高转速n max，最高给定电压U*nmax其速度反馈系数为。答案：（ 2 ） １）n max/U*nmax２）U*nmax/n max ３）n max×U*nmax４）不确定 4、反并联无环流配合控制的条件是答案：（ 4 ）１）α＋β＝240o２）α＋β＝300o ３）α＋β＝360o 4）α＋β＝180o 5、无环流逻辑环节切换到正组晶闸管工作时，。答案：（ 4 ）１）正、反组同时封锁；２）封锁正组开放反组； ３）正、反组同时开放；４）封锁反组开放正组； 6、在理想情况下电压型逆变器直流环节采用大电容滤波，它是一个内阻为零的恒压源，输出交流电压波形是。答案：（ 3 ） １）锯齿波；２）正弦波 ３）矩形波；４）不能确定； 7、在理想情况下电流型逆变器直流环节采用电感滤波，它是一个相当于一个恒流源，输出交流电流波形是。答案：（ 1 ） １）矩形波；２）正弦波 ３）锯齿波；４）不能确定； 8、SPWM变频器中，如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做方式。答：（ 3 ） １）多极性控制；２）双极性控制； ３）单极性控制；４）没用定义 9、调速系统的动态性能就是控制的能力。答案：（ 2 ）１）磁场；２）转矩； ３）转速；４）转差率； 10、矢量控制系统是控制系统。答案：（ 2 ） １）静止坐标；２）旋转坐标； ３）极坐标；４）不能确定； 二、什么是有静差闭环调速系统怎样减少静差什么是无静差闭环调速系统怎样实现（12分） 答：系统在稳态时，需要一定的速度偏差来维持的速度控制系统为有静差调速系统。减少静差的方法是提高系统的开环放大倍数，但不能消除静差。系统在稳态时，不需要速度偏差来维持的速度控制闭环调速系统为无静差系统。实现的办法是通过采用积分环节或比例积分环节。 三、简述双闭环调速系统在电机起动时两个调节器的工作过程及工作状态。在双闭环调速系统时，电流环按几型系统设计速度环又按几型系统设计（12分） 答: 双闭环调速系统在电机起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况：1.起动初始阶段：由于速度调节器的输入偏差电压比较大，比例积分环节很快进入饱和状态，速度环开环，电机以最大电流起动，此时电机转速变化不大，电流调节器ACR 一般不饱和。2.恒流升速阶段：起动过程中的主要阶段，此时速度调节器一直处于饱和状态，速度环开环，为了保证电流环的主要调节作用，在起动过程中电流调节器不饱和。电机以最大电流加速， 习题四 4.1双闭环调速系统的ASR 和ACR 均为PI 调节器，设系统最大给定电压 *nm U =15V ，转速调节器限幅值为*im U =15V ， n N =1500r/min ，N I =20A ，电流过载倍数为2，电枢回路总电阻R =2Ω，s K =20，e C =0.127V·min/r ，求：（1）当系统稳 定运行在*n U =5V ，dL I =10A 时，系统的n 、n U 、*i U 、i U 和c U 各为多少？（2） 当电动机负载过大而堵转时，*i U 和c U 各为多少？ 解： （1）150.01min/1500/min nm N U V V r n r α= == 5500/min 0.01min/n U V n r V r α = = = *150.375/40im dm U V V A I A β=== *0.37510 3.75i d U I V β==?= 0.37510 3.75i d U I V β==?= 0.127500102 4.17520 e d c s C n I R U V K +?+?= == （2）堵转时，V I U dm i 15*==β， 0.1270402 420 e d c s C n I R U V K +?+?= == 4.2 在转速、电流双闭环调速系统中，两个调节器ASR ，ACR 均采用PI 调节器。已知参数：电动机：N P =3.7kW ，N U =220V ，N I =20A ，N n =1000 r/min ,电 枢回路总电阻R =1.5Ω,设cm im nm U U U ==* * =8V ，电枢回路最大电流dm I =40A,电力电子变换器的放大系数s K =40。试求： （1）电流反馈系数β和转速反馈系数α。 （2）当电动机在最高转速发生堵转时的,0d U c i i U U U ,,*值。 解:1）* 80.32/40im dm U V V A I A β=== 电力拖动自动控制系统复习（14电气工程本） 一．题型 填空（20）、选择（10）、简答（30）、计算（40） 二．各章节内容提要 （一）绪论——基本概念 1.运动控制系统的组成（电动机、功率放大与变换装置、控制器、相应的传感器）【P1】【填空】 2.直流电机的数学模型简单，转矩易于控制。交流电机具有结构简单等优点，但其动态数学模 型具有非线性多变量强耦合的性质。【P3】【填空】 3.转矩控制是运动控制的根本问题，磁链控制与转矩控制同样重要。【P5】【填空】 4.典型的生产机械负载转矩特性主要包含恒转矩负载特性、恒功率负载特性、风机与泵类负载 特性。【P5】【填空】 （二）第2章 1．基本概念 （1）直流调速转速公式、方法。【P7】【填空】 公式：方法：1）调节电枢供电电压U； 2）减弱励磁磁通； 3）改变电枢回路电阻R （2）可控直流电源（G-M系统、V-M系统、PWM变换器）【P9】【填空】 （3）增设平波电抗器来抑制电流脉动，总电感量的计算。【P12】【选择题】 三相桥式 三相半波 单相桥式 （4）失控时间的选择【p15】【选择题】 整流电路形式最大失控时间 单相半波20 10 单相桥式（全波）10 5 三相半波 6.67 3.33 三相桥式 3.33 1.67 ★★★★（5）PWM调速系统的优越性表现【p16】【简答题】 ○1主电路简单，需要的电力电子器件少； ○2开关频率高，电路容易连续，谐波少，电动机损耗及发热都较小； ○3低速性能好，稳速精度高，调速范围宽； ○4若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强； ○5电力电子器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高； ○6直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高 （6）不可逆PWM系统中，γ与ρ的关系。【P17】 γ=ρ （7）泵升电压【P20】【填空题】 对滤波电容充电的结果造成直流侧电压升高 （8）调速系统的稳态性能指标S与D及相互之间的关系。【P21-22】【填空题】 ○1——额定负载时的最高和最低转速 => ○2最低速 => 空载转速 ○3例： ★★★★（9）开环系统与闭环系统比较（4点结论）【P29-30】【简答题】 ○1闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多。 ○2闭环系统的静差率要比开环系统小得多。 ○3当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。 ○4要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。 ★★★★（10）闭环系统能减少稳态转速降的实质问题是什么？结合图形分析【P31】【简答题】闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降。 （11）反馈控制规律（3点）【P31】【简答题】 ○1比例控制的反馈控制系统是被调量有静差的控制系统 ○2反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定 ○3系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度 《机电系统控制基础》大作业一 基于MATLAB的机电控制系统响应分析 哈尔滨工业大学 2013年11月4日 1 作业题目 1. 用MATLAB 绘制系统2 ()25()() 425 C s s R s s s Φ== ++的单位阶跃响应曲线、单位斜坡响应曲线。 2. 用MATLAB 求系统2 ()25 ()()425 C s s R s s s Φ==++的单位阶跃响应性能指标：上升时间、峰值时间、调节时间和超调量。 3. 数控直线运动工作平台位置控制示意图如下： X i 伺服电机原理图如下： L R (1)假定电动机转子轴上的转动惯量为J 1，减速器输出轴上的转动惯量为J 2，减速器减速比为i ，滚珠丝杠的螺距为P ，试计算折算到电机主轴上的总的转动惯量J ； (2)假定工作台质量m ，给定环节的传递函数为K a ，放大环节的传递函数为K b ，包括检测装置在内的反馈环节传递函数为K c ，电动机的反电势常数为K d ，电动机的电磁力矩常数为K m ，试建立该数控直线工作平台的数学模型，画出其控制系统框图； (3)忽略电感L 时，令参数K a =K c =K d =R=J=1，K m =10，P/i =4π，利用MATLAB 分析kb 的取值对于系统的性能的影响。 2 题目1 单位脉冲响应曲线 单位阶跃响应曲线 源代码 t=[0:0.01:1.6]; %仿真时间区段和输入 nC=[25]; dR=[1,4,25]; fi=tf(nC,dR); %求系统模型 [y1,T]=impulse(fi,t); [y2,T]=step(fi,t); %系统响应 plot(T,y1); xlabel('t(sec)'),ylabel('x(t)'); grid on; plot(T,y2); xlabel('t(sec)'),ylabel('x(t)'); grid on; %生成图形 3 题目2 借助Matlab，可得： ans = 0.4330 0.6860 25.3826 1.0000 即 判断题 1弱磁控制时电动机的电磁转矩属于恒功率性质只能拖动恒功率负载而不能拖动恒转矩负载。（Ⅹ） 3只有一组桥式晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统在位能式负载下能实现制动。（√）4直流电动机变压调速和降磁调速都可做到无级调速。（√） 5静差率和机械特性硬度是一回事。（Ⅹ） 6带电流截止负反馈的转速闭环系统不是单闭环系统。（Ⅹ） 7电流—转速双闭环无静差可逆调速系统稳态时控制电压U k的大小并非仅取决于速度定 U g*的大小。（√） 8双闭环调速系统在起动过程中，速度调节器总是处于饱和状态。（Ⅹ） 9逻辑无环流可逆调速系统任何时候都不会出现两组晶闸管同时封锁的情况。（Ⅹ） 10可逆脉宽调速系统中电动机的转动方向（正或反）由驱动脉冲的宽窄决定。（√） 11双闭环可逆系统中，电流调节器的作用之一是对负载扰动起抗扰作用。（Ⅹ） 与开环系统相比，单闭环调速系统的稳态速降减小了。（Ⅹ） 12α=β配合工作制的可逆调速系统的制动过程分为本组逆变和它组制动两阶段（√） 13转速电流双闭环速度控制系统中转速调节为PID调节器时转速总有超调。（Ⅹ） 14 电压闭环相当于电流变化率闭环。（√） 15 闭环系统可以改造控制对象。（√） 16闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系，即静特性，它在形式上与开环机械特性相似，但本质上却有很大的不同。 17直流电动机弱磁升速的前提条件是恒定电动势反电势不变。（√） 18 直流电动机弱磁升速的前提条件是恒定电枢电压不变。（Ⅹ） 19电压闭环会给闭环系统带来谐波干扰，严重时会造成系统振荡。（√） 20对电网电压波动来说，电压环比电流环更快。（√） 选择题 1．转速电流双闭环调速系统中的两个调速器通常采用的控制方式是 A．PID B．PI C．P D．PD 2．静差率和机械特性的硬度有关,当理想空载转速一定时,特性越硬,静差率A．越小B．越大C．不变D．不确定3．下列异步电动机调速方法属于转差功率不变型的调速系统是 A．降电压调速B．串级调速C．变极调速D．变压变频调速4．可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速的是 A．比例控制B．积分控制C．微分控制D．比例微分控制5．控制系统能够正常运行的首要条件是 A．抗扰性B．稳定性C．快速性D．准确性6．在定性的分析闭环系统性能时，截止频率ωc越低,则系统的稳态精度 A．越高B．越低C．不变D．不确定8．转速电流双闭环调速系统中电流调节器的英文缩写是 A．ACR B．AVR C．ASR D．ATR 9．双闭环直流调速系统的起动过程中不包括 A.转速调节阶段 B.电流上升阶段 C.恒流升速阶段 D.电流下降阶段 机电运动控制系统(习题集) 必做作业 1.直流电机有哪些调速方法? 根据其速度公式说明之, 并说明如何釆用电力电子 手段实现。 答: 根据直流电机速度公式 φ φe a a a e C I R U C E n -== , 有 (1) 电枢电压 U a 控制 － 调压调速 （向下调速） 采用电力电子手段时，有晶闸管可控整流器供电和自关断器件H 型桥脉宽调 制(PWM)供电等方式, 其损耗小，控制性能好。 (2) 磁场φ 控制 － 弱磁（向上调速）,采用电力电子手段时，有晶闸管可 控整流器供电励磁控制。 (3)由于运行损耗大、效率低, 一般不再釆用串 R a 调速。 2. 画出双闭环晶闸管—直流电动机不可逆调速系统电原理图（非方块图），须清 楚表达两个闭环的关键元件，写出各部分名称，标注有关信号量；指出两闭环连 接上的特点及相互关系。 答: 双闭环晶闸管—直流电动机不可逆调速系统电原理图如下： 两闭环连接上的关系是速度调节器的输出作为电流调节器的输入，这就使得该 系统具有由速度调节器的输出限幅值确定了电流环的给定值，进而确定了系统的 最大电流的特点。 3. 分析双闭环晶闸管—直流电动机不可逆调速系统： (1) 如果要改变转速，应调节什么参数？为什么？ (2) 如要控制系统的起动电流、确保系统运行安全，应调节什么参数？为什么？ 答: (1) 改变转速时只能改变速度调节器的输入u ，因为它是速度环的指令信 g 号。改变速度调节器的参数对稳态速度无调节作用，仅会影响动态响应速度快慢。 (2) 要控制系统的起动电流、确保系统运行安全，应调节速度调节器的输出限幅值。因为速度调节器的输出限幅值确定了电流环的给定值，进而确定了系统的最大电流。 4. 填空 : 双闭环晶闸管━直流电动机调速系统中，内环为＿电流＿环，外环为＿速度＿环，其连接关系是：＿速度调节器＿的输出作为＿电流调节器＿的输入，因此外环调节器的输出限幅值应按＿调速系统允许最大电流＿来整定；内环调节器的输出限幅值应按＿可控整流器晶闸管最大、最小移相触发角＿来整定。两调节器均为＿PI＿型调节器，调速系统能够做到静态无差是由于调节器具有＿积分(记忆)＿功能；能实现快速动态调节是由于节器具有＿饱和限幅＿功能。 5.在转速、电流双闭环系统中，速度调节器有哪些作用？其输出限幅值应按什么要求来调整？电流调节器有哪些作用？其输出限幅值应如何调整？ 答：速度调节器用于对电机转速进行控制，以保障：①调速精度，做到静态无差；②机械特性硬，满足负载要求。 速度调节器输出限幅值应按调速系统允许最大电流来调整，以确保系统运行安全(过电流保护) 电流调节器实现对电流的控制，以保障：①精确满足负载转矩大小要求(通过电流控制)；②调速的快速动态特性(转矩的快速响应)。 电流调节器的输出限幅作为可控整流器晶闸管的移相触发电压，其限幅值决定了触发角的移相范围，故应按αmin― αmax来调整。 6. 双闭环调速系统正常工作时，调节什么参数可以改变电动机转速？如果速度闭 运动控制直流部分复习题 一、填空： 1. 调速系统的稳态性能指标主要是指和静差率。 2. 采用V-M系统，当系统处于深调速状态时，功率因数将较。 3. 直流调速系统中，晶闸管触发和整流装置的传递函数可近似成环节， 时间常数称为。 4. 晶闸管-电动机转速、电流双闭环调速系统中，环为内环，环为 外环。 5. 双惯性环节校正成典型Ⅰ型系统，引入的调节器是调节器。 6 直流调速的方法包括改变电枢回路电阻调速、调速和减弱磁通调速。7．闭环调速系统对于_ 的扰动具有抑制作用，而对于_ _的扰动则无能为力。 8．转速、电流双闭环调速系统中，调节_ _的限幅值可以调节系统最大电流；调节_ _的限幅值可以调节UPE的最大输出电压。 9．双极性直流PWM变换器的占空比，当时，输出平均电压为正，要使输出平均电压为负，应使。 二、选择题 1.下列说法正确的是（） A 积分调节器的输出决定于输入偏差量的历史过程。 B 比例控制可以使系统在偏差电压为零时保持恒速运行。 C 比例调节器可以实现无静差。 D 采用积分调节器动态相应快。 2.双闭环调速系统中电流调节器具备的作用为（） A 对负载变化起抗扰作用。 B 对电网电压波动起及时抗扰作用。 C 输出限幅决定允许的最大电流。 D 使转速跟随转速给定电压变化。 3.双闭环调速系统中转速调节器不具备的作用为（） A 对负载变化起抗扰作用。 B 对电网电压波动起及时抗扰作用。 C 输出限幅决定允许的最大电流。 D 使转速跟随给定电压变化。 4.在工程设计中，如果将系统校正成典型Ⅰ型系统的过程，KT值取为（）时为无超调。 A B C D 5. 采用工程设计法的双闭环直流调速系统中，电流环设计成典型（）型系统，引入的电流调节器为（）调节器。 A ⅠPI B ⅡPI C ⅠP D ⅡP 6. G-M直流调速系统中的G指的是哪一种直流电源（）。 A 直流发电机； B 静止整流器； C 脉宽调制电源； D 以上情况均可能。 三、分析与简答 1.在调速系统中，为什么在开环系统中晶闸管整流装置的控制电压前面没有加放大器，而在闭环之后要添加放大器？ 2. 双闭环调速系统中，电流调节器的作用各是什么？ 3.采用双极型PWM变换器的调速系统，当电动机停止时，电枢电流是否等于零，为什么？ 4. 假设某转速单闭环调速系统的电源电压突然降低，则该调速系统将如何进行 调节，请结合稳态结构图加以说明。 5. 转速、电流双闭环直流调速系统设计后，ASR限幅对应倍额定电流，但是在空 载额定励磁稳速运行时突加额定转矩负载，转速不能回到给定转速，请分析原因？ 6. 在转速、电流双闭环直流调速系统中，两个调节器均采用PI调节器。当系统带 额定负载运行时，转速反馈线突然断线，试分析系统进入稳态后调节器、转速、电枢电流的情况。 7. 写出直流电动机反馈闭环调速系统的临界放大系数表达式，并请说明表达式中各个参数含义。 8. 请写出双闭环调速系统起动过程的三个特点。 9. 请简述H型双极式PWM变换器的缺点。 四、设计题 1、某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下： 直流电动机220V、136A、1460r/min，C e=r，允许过载倍数λ=。 晶闸管装置放大系数40。 电枢回路总电阻Ω。 时间常数T l=，T m=。 电流反馈系数β=A（≈10V/），转速反馈系数α=r（≈10V/n N）。 将电流环校正成典型Ⅰ型系统，取KT=；将转速环校正成典型Ⅱ型系统，取h=5。电流环滤波时间常数；转速环滤波时间常数。 请选择并设计各调节器参数。 2、有一转速、电流双闭环调速系统,已知电动机参数为：P N =，U N =220V， I N=28A，n N=1490 r/min，电枢回路电阻R=Ω,允许电流过载倍数λ=，电 磁时间常数T L=，机电时间常数T m=，主电路采用三相桥式整流电路，触 发整流环节的放大倍数Ks=35，整流电装置内阻R res=Ω，平均失控时间常 哈尔滨工业大学工业工程系 机电系统控制技术大作业 班级：1008401班 学号：1100800807 姓名：匡野 日期：2013.7.14 指导教师：崔贤玉成绩： 机电系统控制技术大作业要求 根据PI 、PD 、PID 调节器的频率特性简述其校正的作用；以近似PID 调节器为例详述其校正的过程；最后以下题的指标要求为例详细设计校正网络及参数。 题：某单位反馈系统的开环传递函数为 ()11(1)(1)1060K G s s s s =++ 当输入速度为1rad/s 时，稳态位置误差为 e ss ≤1 126rad ，相位裕度,0()30c γω≥，幅值穿越频率,20c ω≥rad/s 。 （1）根据稳态精度位置误差求出系统开环放大系数 原系统为I型系统，所以 。 做出原系统的图，如图所示。由图可得，错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。，原系统不稳定。 （2）选择校正方式 虽然采用一级超前校正，无法实现如此大的相位超前；若采用两级超前校正，虽可以实现需要的相位超前，但响应速度将远远超出性能指标的要求，带宽过大，抗高频干扰能力变差，同时需要放大器，系统结构复杂，故不宜采用两级超前校正。如采用串联滞后校正，虽 可实现相位裕量的要求，但响应速度又不能满足要求，同时之后校正装置的转折频率必须远离错误！未找到引用源。，则校正装置的时间常数错误！未找到引用源。将大大增加，物理上难以实现，故也不宜采取滞后校正。因此，现拟采用无源串联滞后-超前网络来校正。（3）设计滞后-超前校正装置 首先选择校正后系统的幅值穿越频率错误！未找到引用源。。从原系统的博德图可以看出，当错误！未找到引用源。时，原系统的相角为错误！未找到引用源。。故选择校正后的系统幅值穿越频率错误！未找到引用源。较为方便。这样在错误！未找到引用源。处，所需相位超前角应大于或等于错误！未找到引用源。。当错误！未找到引用源。选定之后，下一步确定滞后-超前校正网络的相位滞后部分打的转折频率错误！未找到引用源。，选错误！未找到引用源。。且取错误！未找到引用源。，则滞后部分的另一转折频率错误！未找到引用源。，故滞后-超前校正网络的滞后部分的传递函数错误！未找到引用源。就可确定为 滞后-超前校正网络网络超前部分可确定如下：因为校正后的幅值穿越频率错误！未找到引用源。，从图1可以找出，未校正系统在错误！未找到引用源。处的对数幅值错误！未找到引用源。。因此，如果滞后-超前校正网络在错误！未找到引用源。处产生错误！未找到引用源。幅值，则校正后的幅值穿越频率即为所求。根据这一要求， 考试题型及分数分配 1 判断题（20 分，10~20 小题）范围广， 2 选择题（20 分，10~20 小题）内容深，细节区分 3 填空题（10 分，10 小题） 4 设计题（10 分，2 小题） 5 简述题（10 分，2 小题） 6 无传感器算法：磁链、转矩的计算算法 异步电动机转子磁链和定子磁链的估算、转矩的估算 7 分析计算题（20 分，3 小题） 直流调速系统 一判断题 1 弱磁控制时电动机的电磁转矩属于恒功率性质只能拖动恒功率负载而不能拖 动恒转矩负载。（X） 2采用光电式旋转编码器的数字测速方法中，M法适用于测高速，T法适用于测低速。（V） 3只有一组桥式晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统在位能式负载下能实 现制动。（V） 4 直流电动机变压调速和降磁调速都可做到无级调速。（V） 5 静差率和机械特性硬度是一回事。（X ） 6 带电流截止负反馈的转速闭环系统不是单闭环系统。（X ） 7 电流—转速双闭环无静差可逆调速系统稳态时控制电压U k 的大小并非仅取决 于速度定U g*的大小。（V） 8 双闭环调速系统在起动过程中，速度调节器总是处于饱和状态。（X ） 9 逻辑无环流可逆调速系统任何时候都不会出现两组晶闸管同时封锁的情况。（X） 10 可逆脉宽调速系统中电动机的转动方向（正或反）由驱动脉冲的宽窄决定。（V） 11双闭环可逆系统中，电流调节器的作用之一是对负载扰动起抗扰作用。（X）与开环系统相比，单闭环调速系统的稳态速降减小了。（X ） 12a = ^配合工作制的可逆调速系统的制动过程分为本组逆变和它组制动两阶段（V） 13转速电流双闭环速度控制系统中转速调节为PID调节器时转速总有超调。（X）14 电压闭环相当于电流变化率闭环。（V） 浙江大学远程教育学院 《机电运动控制系统》课程作业（必做） 姓名：严超学号： 3 年级：16秋电气学习中心：武义 ————————————————————————————— 1.直流电机有哪些调速方法根据其速度公式说明之, 并说明如何釆用电力电子手段实现。 答：根据直流电机速度公式，有 （1）电枢电压Ua控制-调压调速（向下调速）：采用电力电子手段时，有晶闸管可控整流器供电和自关断器件H型桥脉宽调制（PWM）供电等方式，其损耗小，控制性能好。 （2）磁场φ控制-弱磁（向上调速），采用电力电子手段时，有晶闸管可控整流器供电励磁控制。 （3）由于运行损耗大、效率低，一般不再采用串Ra调速。 2.画出双闭环晶闸管—直流电动机不可逆调速系统电原理图（非方块图），须清楚表达两个闭环的关键元件，写出各部分名称，标注有关信号量；指出两闭环连接上的特点及相互关系。 答：双闭环晶闸管-直流电动机不可逆调速系统电路原理图如下：两闭环连接上的关系是速度调节器的输出作为电流调节器的输入，这就使得该系统具有由速度调节器的输出限幅值确定了电流环的给定值，进面确定了系统的最大电流的特点。 3.分析双闭环晶闸管—直流电动机不可逆调速系统： (1) 如果要改变转速，应调节什么参数为什么 (2) 如要控制系统的起动电流、确保系统运行安全，应调节什么参数为什么 答：（1）改变转速时只能改变速度调节器的输入ug，因为它是速度环的指令信号。 改变速度调节哭的参数对稳态速度无调节作用，仅会影响动态响应速度 快慢。 (2)要控制系统的起动电流、确保系统运行安全，应调节速度调节器的输出限 幅值。因为速度调节器的输出限幅值确定了电流环的给定值，进而确定了系统的最大电流。 4. 填空 : 双闭环晶闸管━直流电动机调速系统中，内环为＿电流＿环，外环为＿速度环，其连接关系是：＿速度调节器＿的输出作为＿＿电流调节器的输入，因此外环调节器的输出限幅值应按＿＿调速系统允许最大电流＿来整定；内环调节器的输出限幅值应按＿＿可控整流器晶闸管最大、最小移相触发角＿来整定。两调节器均为＿PI＿型调节器，调速系统能够做到静态无差是由于调节器具有＿积分（记忆）功能；能实现快速动态调节是由于节器具有＿＿饱和限幅＿功能。 5.在转速、电流双闭环系统中，速度调节器有哪些作用其输出限幅值应按什么要求来调整电流调节器有哪些作用其输出限幅值应如何调整 答：速度调节器用于对电机转速进行控制，以保障：①调速精度，做至静态无差； ②机械特性硬，满足负载要求。 速度调节器输出限幅值应按速系统允许最大电流来调整，以确保系统运行安全（过电流保护） 电流调节器实现对电流的控制，以保障：①精确满足负载转矩大小要求（通过电流控制）；②调速的快速动态特性（转矩的快速响应）。 电流调节器的输出限幅作为可控整流器晶闸管的移相触发电压，其限幅值决定了触发角的移相范围，故应按αmin-αmax来调整。 6.双闭环调速系统正常工作时，调节什么参数可以改变电动机转速如果速度闭环的转速反馈线突然断掉，会发生什么现象电动机还能否调速 答：（1）双闭环调速系统正常工作时，只有调节速度给定信号ug才可以改变电动机转速。而改变速度调节器的参数（如比例系数，积分时间常数）均无作用，改 交直流调速系统期末考试(运动控制系统) 一．判断题（正确的打√，错误的打×，答案填在题号的前面） 1. （dui ）交 - 直 - 交电压型变频器采用电容滤波，输出交流电压波形是规则矩形波。 2. （错）变频调速效率高，调速范围大，但转速不能平滑调节，是有级调速。 3. （对）有静差调速系统是依靠偏差进行调节的，而无静差调速系统则是依靠偏差对作用时间的积累进行调节的 4. （错）电动机的机械特性愈硬，则静差度愈大，转速的相对稳定性就愈高。 5. （dui ）转速负反馈调速系统能够有效抑制一切被包围在负反馈环内的扰动作用。 6. （ dui）SPWM 即正弦脉宽调制波形，是指与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲列。 7. （cuo ）在一些交流供电的场合，可以采用斩波器来实现交流电动机的调压调速。 8. （错）转速负反馈单闭环无静差调速系统采用比例调节器。 9. （dui ） PWM 型变频器中的逆变器件采用高频、大功率的半控器件。 10. （对）矢量变换控制的实质是利用数学变换把三相交流电动机的定子电流分解成两个分量，一个是用来产生旋转磁动势的励磁电流分量，一个是用来产生电磁转矩的转矩分量。 __________________________________________________ 二．填空题 1. 根据公式，交流异步电动机有三种调速方法： ① _调压 __ 调速、②__ 串电阻 __ 调速、③ ___变励 磁磁通 _ 调速。 3. IGBT 全称为 __绝缘栅双极晶闸管__ ，GTO 全称为 _门极可关断晶体管__ ， GTR 全称为 _电力晶体管 ______________ 。 4. 异步电动机的变频调速装置，其功能是将电网的恒压恒频交流电变换成变压变频的交流电，对交流电动机供电，实现交流无级调速。 三、选择题 1、变频调速中的变频电源是（C ）之间的接口。 （A）市电电源（B）交流电机（C）市电电源与交流电机 （D）市电电源与交流电源 2、调速系统的调速范围和静差率这两个指标（ B ）。（A）互不相关（B）相互制约（C）相互补充（D）相互平等 3、电压型逆变器的直流端（ D ）。 （A）串联大感器（B）串联大电容 __________________________________________________ 6011机电一体化系统设计基础大作业 责任教师高秋红 学校：北京一轻高级技术学校学号：111100140 姓名： 一、基础知识题（每题10分，共40分） 1.机电一体化系统的定义？机电一体化产品的分类？ 答：机电一体化系统是由机械技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合，并综合应用到实际中去的综合技术。 按发展水平分：功能附加型初级系统，功能代替型中级系统，机电融合型高级系统 按应用分：民用机电一体化产品，办公机电一体化产品和产业机电一体化产品 2. 机电一体化系统的基本组成要素？试分析试说明图中的各个部分分别属于机电一体化系统的哪一基本结构要素。 答：按照机电一体化系统的基本结构要素，图示数控机床的各个部分归类如下：（1）控制及信息处理单元：键盘、计算机、显示 （2）测试传感部分：光电编码器、信号处理 （3）能源：电源 （4）驱动部分：功放、电机 （5）执行机构：联轴器、齿轮减速器、丝杠螺母机构、工作台 3. 为什么采用机电一体化技术可以提高系统的精度？ 机电一体化技术使机械传动部分减少，因而使机械磨损，配合间隙及受力变形等所引起的误差大大减少，同时由于采用电子技术实现自动检测，控制，补偿和校正因各种干扰因素造成的误差，从而提高精度。 4．简述机电一体化产品设计的工程路线（主要步骤） 机电一体化产品设计的工程路线（主要步骤）：拟定产品开发目标和技术规范；收集资料，市场分析，可行性分析和技术经济性分析；总体方案设计；总体方案的评审和评价；详细设计；详细设计方案的评审和评价；试制样机；样机实验，测试；技术评价与审定；小批量生产；试销；正常生产；销售。 二、综合分析设计题（60分） 1．已知电机驱动的三自由度位置控制系统，单个自由度的驱动系统如图所示。要求： （1）说明单自由度驱动系统的两种测量方案；（20分） 要求给出传感器的类型及具体安装位置。 （2）确定整个系统的控制方案、画出控制系统原理图。（40分） 要求写出两种控制方案，方案一使用工业PC机完成系统的控制和方案二使用单片机完成系统的控制。 解：依题意有两种测量方案 1）高速端测量方案： 传感器安装在电机的尾部，通过测量电机的转角实现工作台位移的间接测量。可选用光电编码器式传感器或者磁电式编码器。 南京农业大学试题纸 2011学年第一学期课程类型：必修试卷类型：A 基频以下运行时，采用恒压频比的控制方法具有控制简便的优点，但负载的变化将导致磁通的改变，因此采用定子电流补偿控制，根据定子电流的大小改变定子电压，可保持磁通恒定，从而解决了负载改变的扰动问题。 4. 变频能节能，请说明原因。 三．问答（40’） 1. 画出运动控制系统以及组成，并分析各个组成单元的作用？请举例说明实际项目中各个组成部分及其对应关系？ 2. 直流电机的转速公式是什么？通常改变直流电机转速有哪几种方法，各有什么优缺点？ 可以用强磁的方式来调速吗，为什么？对于调节电枢电压调速，为什么必须在额定电压以下进行调速？ 答： n=U-IR/KeФ 方法有：1。调节电枢供电电压U；2。减弱励磁磁通Ф；3。改变电枢回路电阻R。 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在额定转速以上做小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。 对于调节电枢电压调速，必须在额定电压以下进行调速，因为当电枢电压大于额定电压时，电机电线的绝缘层会被烧坏 3．名词解释PWM、SPWM 、CFPWM 、SVPWM。 p.w.m。脉冲宽度调制。：控制逆变器中电力电子器件的开通或关断，输出电压为幅值相等，宽度为按一定规律变化的脉冲序列，用这样的高频脉冲序列代替期望的输出电压。 s.p.w.m。正弦脉冲调制。：以频率与期望的输出电压波形相同的正弦波作为调制波，以频率比期望高的多的等腰三角波作为载波，当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得幅值相等，宽度按正弦规律变化的脉冲序 目录 ㈠直流调速系统（复习）P4 ㈡交流调速系统（回顾）P9 ㈢交流异步电动机变频调速的理论基础P13 ㈣交流异步电动机矢量变换控制P17 ㈤交流异步电动机直接转矩控制P20 ㈥PWM 和 SPWM P31 ㈦双馈调速和内反馈P36 ㈧绕线转子异步电动机串级调速系统P42 ㈨无速度传感器调速系统P46 ㈩同步电机变频调速系统P52 (十一) 开关磁阻电动机调速控制技术P56 (十二) 双定子电机调速系统P75 (十三) 直线电机调速系统P82 一、复习：直流调速系统 问题1-1：电机的分类？ ①发电机（其他能→电能）直流发电机 3 交流发电机 ②电动机（电能→其他能）直流电动机：有换向器直流电动机（串励、并励、复励、他励） 无换向器直流电动机（又属于一种特殊的同步电动机） 交流电动机：同步电动机 异步电动机：鼠笼式 绕线式 ：伺服电机 旋转变压器 控制电机自整角机 力矩电机 测速电机 步进电机（反应式、永磁式、混合式） 问题1-2：衡量调速系统的性能指标是哪些？ ①调速范围 D=n max/n min=n nom/n min ②静差率 S=△n nom/n0*100%对转差率要求高.同时要求调速范围大（D 大 S 小）时.只能 用闭环调速系统。 ③和负载匹配情况： 一般要求：恒功率负载用恒功率调速.恒转矩负载用恒转矩调速。 问题1-3：请比较直流调速系统、交流调速系统的优缺点.并说明今后电力传动系统的发展的趋势. * 直流电机调速系统优点：调速范围广.易于实现平滑调速.起动、制动性能好.过载转矩大.可靠性高.动态性能良好。缺点：有机械整流器和电刷.噪声大.维护困难；换向产生火花.使用环境受限；结构复杂.容量、转速、电压受限。 * 交流电机调速系统（正好与直流电机调速系统相反）优点：异步电动机结构简单、坚固耐用、维护方便、造价低廉.使用环境广.运行可靠.便于制造大容量、高转速、高电压电机。大量被用来拖动转速基本不变的生产机械。 缺点：调速性能比直流电机差。 * 发展趋势：用直流调速方式控制交流调速系统.达到与直流调速系统相媲美的调速性能；或采用同步电机调速系统. 问题1-4：直流电机有哪几种？直流电机调速方法有哪些?请从调速性能、应用场合和优缺点等方面进行比较. 哪些是有级调速？哪些是无级调速？ 直流电动机中常见的是有换向器直流电动机.可分为串励、并励、复励、他励四种.无换向器 直流电动机属于一种特殊的同步电动机。 根据直流电机的转速速。n U IR K e 公式.调速方法有变压调速、变电阻调速和变转差率调 调压调速：调节电压供电电压进行调速.适应于：U≤U nom.基频以下.在一定范围内 无级平滑调速。弱磁调速：无级.适用于Φ≤Φnom.一般只能配合调压调速方案.在基频以上(即 4 机电运动控制系统(习题集) 选做作业 参考答案 1．答: 与直流发电机-电动机组机械特性相比, 不同之处是: (1) 分电流连续与电流断续二个区域; (2) 电流连续区因可控整流器内阻大 (特别有换流重迭压降引入的等效电阻) 而使机械 特性软； 电流断续区则因电流不连续致使机械特性更软而无法负载工作。 三相半波可控整流器供电直流电机机械特性如图所示: 时，整流器工作在整流状态，电机工作在电动状态； 时，整流器工作在逆变状态，电机工作在制动状态。 2. 答: 由于可控整流器供电直流电机调速系统负载轻时电流断续, 机械特性软, 调速特性差，无静差度可言。 解决办法：串接平波电抗器L ，增大晶闸管导通角以使电流连续。 平波电抗器电感量计算原则是: 能确保轻载下最小电流 时电流仍连续。 一般规律是I dmin 越小，要求平波电抗器电感量越大。 3．答： (1) 电网电压波动：影响整流电压U d ，整流电流I d ，反映到控制信号即u fi ，它从电流环介入，故电流调节器起主要作用。 (2)负载扰动：负载T L 的变化将影响转矩平衡关系，继而影响转速ωr ，n ，反映到控制信号即u fn ，它从速度环介入，故速度调节器起主要作用 4. 答： (1) 根据PI 调节器的特性，稳态时能实现无差调节，使反馈等于给定，即： △u n ＝ 0 或 00α<00α>dmin (5~10)%20% N N I I I ?=?? △u i ＝ 0 ，两个PI 调节器的输入偏差为零。 (2) 它们的输出电压应对应于第一次进入△u n ＝ 0 或△u i ＝ 0 时的输出状态值(如 u n ， u i ，α，U d ，I d ，T )。这是由于PI 调节器有积分、记忆功能，对过去出现过的误差信号有记忆作用。 当 时， ，调节器输入为零，但由于PI 调节器的积分作用，对过去出现过的误差有记忆，则积分输出不为零，维持第一次出现时 的输出值 ，进而维持 （无差） 5．答： 两桥反并联且同时整流时, 产生的整流电压 会不经直流电机而顺串短路，因无电阻限流，会形成巨大环流。 限制环流的有效办法(对策)是: (1) 要求直流电压： ● 极性互顶：一桥整流、一桥逆变。 如图所示 ● 大小相等 ， 即 这样可以消除平均环流, 因为 ① 平均环流 整流平均电压 ，消除了平均环流 g fn u u =0 n u ?=0n n ?=0n u ≠g fn u u = p K E E 桥I 桥II I I ()αβII II ()αβI I αββα∏∏=??=?' d d U U =' d d U U 、cos cos I E E αβ∏=I I αββα∏ ∏=??=?' d d U U =机电运动控制系统离线作业必
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