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 φφe a a ae 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？，因为它是速度答: (1) 改变转速时只能改变速度调节器的输入ug环的指令信号。
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u g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，改变负载大小也不能影响转速，因为是速度闭环系统，不论负载大小均速度无差。
(2) 转速反馈线突然断掉时，u fn＝ 0，使△u n＝u g－u fn＝u g很大，速度调节器饱和限幅输出，调速系统以最大电流、最大转矩加速，直至电磁转矩与负载转矩、阻尼转矩相平衡，达到最高转速而恒定，故电动机不可调速。
7. 以双闭环直流调速系统两个闭环之间连接上的特点及各个闭环的并带负载功能为依据，详细解释下图所示从静止起动至给定转速ng表示）的过程，即说明(1)、(2)、(3) 阶段转速n、（以负载电流IL电枢电流i的变化规律。
d答:(1) 起动特征：① i d 由 max 0d I ↑→（限幅值）② ST、LT 全部饱和限幅，蜕化为限幅器，系统实为速度、电流双开环过程① 电机静止，0=fn u ,给定 u g 突加，g n u u =∆ 很大，ST 饱和，u n 输出限幅，无PI 调节作用；② 电流给定u n 为限幅值→ 对应电流指令max d I ；但电流未建立，0=fi u ， LT 输入n i u u =∆， LT 饱和，输出u k 限幅，推min αα= ，至使↑→→→n T I U d d 加速max max max 。
③ 因转子惯性，n< u g(2) 加速特征① 恒定（电流调节结果，非限幅） ② ST 饱和限幅，LT 作PI 调节，实为电流单闭环系统。
过程① 很大→ST 仍饱和限幅，无调节作用。
② ST 输出 为限幅值→使LT 以 为指令值→电流闭环不断调节整流触发角 →动态地保持 ，维持与给定无差——“动态平衡”③ 动态平衡过程：随 并维持不变④ 电机以恒定 加 速， dmax d I I=g fn g n g fn n n u u u u u<→<<→∆=-n u dmaxI αdmax d I I =LT PI ,dmax u I I k d α→↑→↓→=经调节后dmax maxI T 、n ↑(3) PI 调节至稳定特征① 转速稳定至 ，电流稳定至 （对应 ）； ② ST、LT 均作PI 调节，真正速度、电流双闭环工作。
过程①首先分析进入本阶段开始点的初值情况A ．速度：上阶段末加速至 输入 ；但PI 型ST 的积分（记忆）作用使ST 输出 → 仍暂作饱和输出→电流指令为 。
B ．电流：上阶段末 ，与指令相同 PI 型LT 的积分（记忆）作用使LT 输出 →迫使 移至能产生 的位置。
②故以 进入(3)，会用 驱动而加速过头，出现 ——转速超调③超调时 调节器反向积分→ST 退出饱和，进入PI 调节命令 输出其中 时， （超调）最大，以后 。
④ 由于电磁惯性， 可能达 电机进入制动 回升， 重新回到g n n =（平衡） ⑤ 经几次振荡，PI 调节达平衡 虽 ，但PI 调节器积分记忆功能使 → 推 至适当位置 → 产生合适 U d 、I d 、T →保证系统静态无差运行。
g n n =d L I I =L TST g fn g n n u u =→=→0n u ∆=0n u ≠dmax d I I =dmax d I I =f i n u u →=0i u →∆=→0k u ≠αdmaxd I I =dmax d I I =max T T =g n n >0PIg n g fn n n u u u >→∆=-<→n u →↓→dmax d I I LT <→k d d u U I T α↓→↑→↓→↓→↓d L I I =n n ↓d I ↓d L L I I T T <→<→d d U E n E I R ∑-→↓→↓→=↑→→0k u ≠α8. 在直流可逆调速系统中，主回路为何需要双桥反并联？ 答:在直流可逆系统中，要求电磁转矩具有两种方向，以实现四象限运行单桥只能提供单一方向电枢电流→产生单一方向电磁转矩;双桥反并联 才能提供两个方向电枢电流，产生两个方向电磁转矩，构成可逆系统主电路。
9. 图示为直流电动机脉宽调制(PWM)调速系统主电路(H 型桥)，各功率开关元件编号及电机反电势E a 方向如图。
当采用双极性脉宽调制时:⑴ 画出VT l ～ VT 4 基极控制信号u bl ～ u b4及电机端电压U a 波形； ⑵ 说明为何叫双极性？如何实现正、反转？何时速度为零？答: 正半周（ ）电机电压U A > 0（B →A ）；负半周（ ）电机电压U A < 0（A →B ） 即一个周期内可获得两个方向电压极性，称双极性。
正/反转控制只需改变 t 1 位置（占空比 γ），方便: VTl ～ VT4 基极信号u bl ～ u b4及电机端电压U a 波形10. 图示为直流电动机脉宽调制(斩波)调速系统H 型桥主电路，各功率开关元件编号及电机反电势E a 方向如图。
当采用双极性脉宽调制时,分析:① 不同时刻的导通元件及导通原因；② 画出各阶段的电流路径及维持电流的源泉(电源电压、电枢反电11/2,0/2,0A A t T U t T U >>→⎫⎬<<→⎭平均值电机正转平均值电机反转10t t ≤<1t t T≤<势、自感电势等)；③ 电机运行状态(电动、能耗制动、再生制动、反接制动等)及其原因。
答：工作过程（设 ）（1） 在 作用下，形成电流路径Ⅰ→ 反向→电机作电动运行（2）→ VT1、VT4断，切断电源 ； →应VT2、VT3通，→ 但电枢电感自感电势 作用 维持电流方向不能突变→VD2、VD3通→续流→VT2、VT3反偏，断→形成电流路径Ⅱ→ 与 反向→电机仍作电动运行→使 很快衰减为零，为 换向创造条件（设在 时刻断流）（3）时刻路径Ⅱ断流→VD2、VD3断 →VT2、VT3反偏消失，通→在（ 形成电流路径III→ 同向→电机作反接制动至下周期s a U E >10t t≤<1,4142,3230,0,b b u VT VT u VT VT >→⎫⎬<→⎭通断()0s a U E ->,a a I E 1,40b u <2,30b u >/a Ldi dts Ua I a I a E /a Ldi dt a I 12t t T<<2t t T ≤<2t s a U E +,a a I E（ ）时刻（4） →但在 续流及反电势 共同作用下电流方向不变→VD1、VD4通→形成电流路径Ⅳ→同向→再生制动（能量回馈电源 ） →直至（ ） ，路径Ⅳ断流→VT1、VT4得以导通，进入下一周期输出电压一周期内瞬时电压为双极性方波，平均值负载电压系数 11. 异步电机有哪些调速方法？ 从转速公式上进行分类说明。
这些调速方法又各采用什么样的电力电子手段来实现？答:异步电机调速方法可按其速度公式 来分类：(1) 变同步速调速 , 具体有:① 变频调速。
可采用直-交变换的逆变器戓交-交变频器改变电机供电频率f l 。
② 变极调速。
需同时改变定、转子极对数，故只适合鼠笼式异步电机。
(2) 变滑差S 调速。
这是一种改变转子滑差功率消耗的调速方式。
具体有：1T t +1T t T t ≤<+/a Ldi dt a Ea a I E 、s U /a a E Ldi dt +s U ≤a I M VT1VT2VT3VT4VD1VD2VD3VD4A B S U IV a E IIIU A s U U A1t T s -U (1)s n -s n =160s f n p =① 交流调压调速采用双向晶闸管构成的交流固态调压器实现。
