浙大自动控制元件作业共11页word资料.docx
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第一章直流伺服电动机
其实,任何一门学科都离不开死记硬背,关键是记忆有技巧,“死记”之后会“活用”。
不记住那些基础知识,怎么会向高层次进军?
尤其是语文学科涉猎的范围很广,要真正提高学生的写作水平,单靠分析文章的写作技巧是远远不够的,必须从基础知识抓起,每天挤一点时间让学生“死记”名篇佳句、名言警句,以及丰富的词语、新颖的材料等。
这样,就会在有限的时间、空间里给学生的脑海里注入无限的内容。
日积月累,积少成多,从而收到水滴石穿,绳锯木断的功效。
1-1直流伺服电动机的电磁转矩和控制电流由什么决定？
观察内容的选择，我本着先静后动，由近及远的原则，有目的、有计划的先安排与幼儿生活接近的，能理解的观察内容。
随机观察也是不可少的，是相当有趣的，如蜻蜓、蚯蚓、毛毛虫等，孩子一边观察，一边提问，兴趣很浓。
我提供的观察对象，注意形象逼真，色彩鲜明，大小适中，引导幼儿多角度多层面地进行观察，保证每个幼儿看得到，看得清。
看得清才能说得正确。
在观察过程中指导。
我注意帮助幼儿学习正确的观察方法，即按顺序观察和抓住事物的不同特征重点观察，观察与说话相结合，在观察中积累词汇，理解词汇，如一次我抓住时机，引导幼儿观察雷雨，雷雨前天空急剧变化，乌云密布，我问幼儿乌云是什么样子的，有的孩子说：
乌云像大海的波浪。
有的孩子说“乌云跑得飞快。
”我加以肯定说“这是乌云滚滚。
”当幼儿看到闪电时，我告诉他“这叫电光闪闪。
”接着幼儿听到雷声惊叫起来，我抓住时机说：
“这就是雷声隆隆。
”一会儿下起了大雨，我问：
“雨下得怎样?
”幼儿说大极了，我就舀一盆水往下一倒，作比较观察，让幼儿掌握“倾盆大雨”这个词。
雨后，我又带幼儿观察晴朗的天空，朗诵自编的一首儿歌：
“蓝天高，白云飘，鸟儿飞，树儿摇，太阳公公咪咪笑。
”这样抓住特征见景生情，幼儿不仅印象深刻，对雷雨前后气象变化的词语学得快，记得牢，而且会应用。
我还在观察的基础上，引导幼儿联想，让他们与以往学的词语、生活经验联系起来，在发展想象力中发展语言。
如啄木鸟的嘴是长长的，尖尖的，硬硬的，像医生用的手术刀―样，给大树开刀治病。
通过联想，幼儿能够生动形象地描述观察对象。
答：
a：
由Tem=CmΦIa知电磁转矩由每极磁通量和绕组电流大小决定。
一般说来，“教师”概念之形成经历了十分漫长的历史。
杨士勋（唐初学者，四门博士）《春秋谷梁传疏》曰：
“师者教人以不及，故谓师为师资也”。
这儿的“师资”，其实就是先秦而后历代对教师的别称之一。
《韩非子》也有云：
“今有不才之子……师长教之弗为变”其“师长”当然也指教师。
这儿的“师资”和“师长”可称为“教师”概念的雏形，但仍说不上是名副其实的“教师”，因为“教师”必须要有明确的传授知识的对象和本身明确的职责。
b：
由Tem=T0+T2=CmΦIa控制电流由负载转矩（T2）和空载转矩（T0）大小决定。
1-2当直流伺服电动机的负载转矩恒定不变时，控制电压升高将使稳态的电磁转矩、控制电流、转速发生怎样的变化？
为什么？
答：
a：
电磁转矩Tem=T0+T2可见电磁转矩也不变。
由Tem=CmΦIa知控制电流Ia也不变
b：
知Tem不变可见Ua转速升高理想空载转速变大导致转速n升高。
1-3已知一台直流电动机，其电枢额定电压Ua=110V，额定运行时电枢电流Ia=0.4A，转速n=3600rpm，它的电枢电阻Ra=50欧姆，负载阻转矩To=15mN.m。
试问该电动机额定负载转矩是多少？
答：
Ea=Ua-IaRa=110-0.4×50=90V
Ea=CeΦn,Ce=0.105CmCmΦ=
Tem=T0+T2=CmΦIa→T2=CmΦIa-T0=0.40.238=0.0952-15×10-3=80.2mN.m
1-6当直流伺服电动机电枢电压、励磁电压不变时，如将负载转矩减少，试问此时电动机的电枢电流、电磁转矩、转速将怎样变化？
并说明由原来的状态到新的稳态的物理过程。
答：
磁转矩Tem=T0+T2可见T2↓电磁转矩也↓。
由Tem=CmΦIa知控制电流Ia↓
Ea=Ua-IaRa可见Ia↓知Ea↑，由Ea=CeΦn知Ea↑知n↑
第二章直流测速发电机
2-4某直流测速发电机，其电枢电压U=50V，负载电阻RL=3000Ω，电枢电阻Ra=180Ω，转速n=3000rpm，求该转速下的空载输出电压Uo和输出电流Ia。
Ea=UaIaRaIa=
=0.0167AEa=50
Ea=50+
×180=53空载Uo=Ea=53
第三章步进电动机
3-8某五相反应式步进电动机转子有48个齿，试分析其有哪几种运行方式及对应的步距角，并画出它们的矩角特性曲线族。
答:
5相单5拍A→B→C→D→E→A
Θb=
1.5°
TemA=-Tjmaxsin（Θe）TemB=-Tjmaxsin（Θe-
）TemC=-Tjmaxsin（Θe-
）
TemD=-Tjmaxsin（Θe-
）TemE=-Tjmaxsin（Θe-
）
5相双5拍AB→BC→CD→DE→EA→AB
Θb=
1.5°
TemAB=-1.62Tjmaxsin（Θe-
）TemBC=-1.62Tjmaxsin（Θe-
）
TemCD=-1.62Tjmaxsin（Θe-π）TemDE=-1.62Tjmaxsin（Θe-
）
TemEA=-1.62Tjmaxsin（Θe-
）
5相10拍A→AB→B→BC→C→CD→D→DE→E→EA→AB
Θb=
0.75°
3-10
3-10四相反应式步进电动机，转子有50个齿，试计算各种运行方式的步距角。
并画出其单、双拍制的矩角特性曲线族。
若单相通电时的最大静态转矩为0.1N·m，试计算各种运行方式的起动转矩；并判断转子上负载为0.08N·m时哪种运行方式可使步进电动机正常运行。
解a：
四相单四拍步距角Θb=
=1.8°，Θbe=
如下图四相单四拍相邻2相矩角特性曲线交点q1转矩Temq1=TTjmaxsin
=0.1×0.707=0.0707N·m＜0.08N·m
电机不能正常运行
b:
四相双四拍步距角Θb=
=1.8°,Θbe=
，Temq1=1.414Tjmaxsin
=1.414×0.0707=0.1N·m＞0.08N·m，电机能正常运行
四相八拍步距角Θb=
=0.9°,Θbe=
Temq1=1.414Tjmaxsin
=1.414×0.0707=0.1N·m＞0.08N·m，电机能正常运行
第四章旋转变压器
4-6用正余弦旋转变压器可以构成直角坐标系旋转θ角的变换，接线如图题图4-1，4-2所示（见书P119）。
试分析其工作原理。
解：
Uxs=Ussinθ,Uys=Uscosθ,Uxc=Uccosθ,Uyc=Ucsinθ,
∵Ux=Uxs-Uxc，Uy=Uys+Uyc，
∴Ux=Ussinθ-Uccosθ，Uy=Uscosθ+Ucsinθ，
如p点与坐标系uov相当于正余弦旋转变压器转子，当其顺时针旋转θ，坐标系顺uov时针旋转θ就会输出新的坐标（Ux、Uy）
4-8有一只旋变发送机XF和一只旋变变压器XB定子绕组对应联接作控制式运行，如题图4-3所示（见书P119），已知：
图中的θ1=15°°，θ2=10°°，试求：
（1）旋变变压器转子的输出绕组的协调位置XT；解:
协调位置XT在转子逆时针旋转95°
（2）失调角r。
r=-θ1-（90-θ2）=-95°负号表示逆时针
第五章自整角机
5-4三台自整角机如题图5-1所示（见书P147）接线。
中间一台为力矩式差动接收机，左右两台为力矩式发送机，试问：
当左右边两台发送机分别转过θ2、θ1角度时，中间的接收机将转过的角度θ与θ2和θ1之间是什么关系？
解：
r=θ2－θ1,
θ2－θ1>0则顺时针转动
θ2－θ1=0则不动
θ2－θ1<0则逆时针转动
5-6某力矩式自整角机接线如题图5-3所示（见书P148）
（1）画出接收机转子所受的转矩方向：
解：
收机转子所受的转矩方向是逆时针方向
（2）画出接收机的协调位置；解：
接收机转子逆时针旋转转角度：
（15-35=-20°）
（3）求失调角。
解：
r=θ1－θ2=15°-35°=-20°
5-7对于题图5-4所示（见书P148）自整角测量线路，CX为自整角发送机，CT为自整角变压器，它们的转子的转角分别为θ1和θ2。
画出三相绕组合成磁场轴线的位置，并写出输出电势的有效值Eo和转角θ1、θ2的关系式。
（1）合成磁场轴线的位置：
为激磁电源交变频率；
为自整角变压器输出绕组有效匝数；
为自整角变压器的主磁通
6-8交流伺服电动机的控制方法有几种？
幅值控制转速变化的物理过程如何？
答:
控制方法：
幅值控制、相位控制、幅相控制
幅值控制就是将励磁绕组加上恒定的额定励磁电压Ujc，并保持励磁电压和控制电压的相位差90°不变，改变控制电压的大小，以实现对伺服电动机转速的控制。
负载不变时，改变控制电压Uk，如Uk↑→a↑椭圆磁场越园，其转速n↑，反之相反
6-13什么是自转现象？
为了消除自转现象，交流伺服电动机在单相供电时应具有怎样的机械特性？
答：
控制信号消失后，电动机仍以某个转速稳定运行的现象，就是自转现象。
消除自转将转子电阻足够大，使单相供电时机械特性曲线位于二、四象限。
一、多项选择：
以下各题有一个或多个正确答案，请选择正确答案标号填于题后答案中。
（20分）
1.电机和变压器中铁芯采用硅钢片迭压而成是为了（）B.增加导磁率
2.通常直流电机定子包括A.电刷D.激磁绕组
3.直流电机和感应式异步电机的转子铁芯采用（）D.软磁材料
4.一磁阻式步进电机正常运行时每步步距误差可达0.2度，若该电机正常运转100步，总的转角误差是（选出最明确的答案）D.小于等于0.2度
5.直流电机换向火花随以下情况增大A.电枢电流增大B.电机转速增大C.电机负载转矩增大D.电枢电压提高E.换向器表面变粗糙
6.一电源变压器原边空载电流随以下情况增大B.变压器铁芯磁阻增加D.变压器铁芯气隙增大
7.两相交流伺服电机转予绕组回路电阻选的较大是为了C.使电机机械特性具有良好的线性度D.消除单相自转
8.直流电动机有以下工作状态A.电动机状态C.发电机状态D.反接制动状态E.能耗制动状态
9.选出正确项
A.自整角机是测量角位移的元件
B.感应同步器是测量电流的元件
C.异步电机的换向器和电刷机构较直流电机简单
D.力矩电机电枢（转子）长度与直径之比较小
E.通常三相异步电动机堵转转矩小于最大转矩
F.异步电动机输出最大功率出现在转子转速为同步转速时
G.光电编码器（光栅）是一种位移测量元件
H.直流电动机转子依靠定子旋转磁场旋转
I.将输入三相电机的三相交流电源中任意两相对掉就可以改变该电机的转向
一、1（B）2（A,D）3（D）4（D）5（A,B,C,D,E）6（B,D）
7（C,D）8（A,C,D,E）9（B,E,F,H,J）
二、简答题（30分）
1）推导直流电机机械特性，并根据该特性分析有几种调速方案？
它们是什么？
（10分）
2）一电源变压器原边为220V，50Hz交流，有三个副边绕组，其额定值分别为：
副边一为8V，15A；副边二为12V，5A；副边三为24V，10A。
求该变压器原边的额定电流Ie=？
（5分）
3）画出直流电机的动态方框图？
（5分）
4）画出一个温度闭环自动控制系统原理方框图（10分）
三、计算分析题（25分）
1）一交流异步电机已知额定转速ne=1200（rpm）,电源频率为f=50Hz，问这是几极电机？
额定转差率Se=？
（5分）
2）一直流电机，额定电压Ua=220V,额定电流Ia=0.8A,额定转速n=3600（rpm）,电枢电阻Ra=50Ω，空载阻转矩T0=0.02N·M，求该电动机的额定负载转矩Te和理想空载转速n0？
在上述情况下，输出转矩为1N·m时转速n1=？
（10分）
3）一四相磁阻式步进电机，转子齿数为Zr=50（齿），请计算出单拍制和双拍制的步距角θb1=？
和θb2=？
，并分别列出单相（或双）单拍制时，正、反向旋转要求的通电顺序和一个双拍制时的通电顺序。
（10分）
四、论述（25分）
1）论述三相异步电动机的调速方法（从方法、特点及控制性能等方面）（12分）
2）综述驱动直流电机的功率放大器（从类型、特点及选用等方面）（13分）
参考答案
二、1.
，调电压。
磁通，电阻。
2.
3.框图为
4.
三、1.
，p=2，4极电机，
2.
。
3.
四、1.
（1）改变极对数p。
（2）改变转差率
。
在恒转矩（及恒功率）时改变转差率
又有下列几种方法：
l）改变定子绕组的端电压
，主要用于风机类负载。
2）在定子回路中串入外加电阻或电抗，以改变
或
，用于线绕式。
3）在转子回路串入外加电阻、电感或电容，以改变
或
，用于线绕式。
4）在转子回路中引入外加电动势也可改变
。
（3）改变电源频率
，变频调速。
有较高的效率，宽的调速范围和平滑的调速特性，机械特性见图。
调速性能可与直流电动机相媲美，是目前应用最广的交流调速方式。
变频调速需要具有调频兼调压功能的变频装置。
目前市场上已出现了各种性能良好、工作可靠的变频装置，并已应用于工业各领域。
（4）矢量控制，性能好，装置复杂。
2.常用的直流功率放大器有三种：
线性（比例式）功率放大器、开关式功率放大器和晶闸管功率放大器。
一般功率为100W以下时可以选用线性功率放大器，25～5000W时可选用开关式功率放大器，500W以上时选用晶闸管功率放大器。
线性功率放大器，线性度好，失真小，电磁干扰和噪音小，本身功耗大，输出电流和功率小，用于小功率系统。
PWM开关功率放大器的优点是效率高，晶体管损耗小，输出功率大。
缺点是由于开关动作而产生噪音和电磁干扰。
常用于中小功率系统。
晶闸管功率放大器功率大，用于中、大功率装置。
一．（20分）1.1台永磁直流力矩电机，反电势系数
摩擦转矩
，转动惯量
kg•m
，电感
H。
连续堵转时电流
，电压
。
（1）求机电时间常数
，电磁时间常数
，连续堵转的电磁转矩
。
（2）电枢电压
=25V，求起动时的输出转矩
和此电压对应的空载转速
。
（3）电机转速
，电磁转矩
时，求电枢电压
和输出
转矩
。
（4）写出该电机的传递函数
。
2．输入信号是电枢电压
，输出信号是电机转角θ。
绘出直流电动机动态框图，标出
，
及扰动力矩
。
3．绘出直流电动机电枢控制的调节特性和机械特性曲线，标出始动电压、理想空载转速和堵转转矩，标出电动机、发电机和反接制动状态。
4．直流电动机的主要优点和缺点是什么？
5．电机铁心多用硅钢片叠压而成。
采用片状材料的目的是什么？
6.性能优良的永磁直流力矩电动机现在一般采用什么永磁材料？
7.7.与直流伺服电动机相比，直流力矩电动机的
、
有什么特点？
电枢的几何形状有什么特点？
二．（20分）
1.异步电动机等效电路图中
上的热损耗表示什么？
2.简述两相对称绕组产生椭圆形旋转磁场的条件。
3画出两相电机幅相控制时的电路图。
3．磁场
表示什么磁场？
为什么？
4.绘出圆形旋转磁场时异
步电动机的两条典型机械
特性曲线（转子电阻大和小）。
5．推导两相伺服电动机传递函数
并说明其中的参数与静态特性曲线的关系。
6．．绘出三相异步电动机从基频向下变频调速时的机械特性。
7.异步电动机从基频向下变频调速时，若电压保持不变将产生什么现象？
用公式说明。
8.．一台三相异步电动机空载转速是1450r/min，电源频率50Hz。
这是几极电机？
为什么？
三、（7分）
1.简述永磁同步电机同步运行时的工作原理，画出必要的图形，写出电磁转矩公式。
2.写出磁阻同步电动机电磁转矩表达式并说明参数的含义。
3.哪种同步电动机不加鼠笼绕组就能自行起动并具有较大的起动转矩？
（）绘出它的机械特性曲线。
四、（11分）
1.步进电动机转角的大小取决于控制脉冲的（），转速大小取决于控制脉冲的（）。
控制脉冲频率增高，步进电机的负载能力下降，主要原因是：
2.磁阻式步进电动机有A、B、C、D四相。
绘出A和B极下，当A通电，B通电，和AB通电时，定子、转子齿的相对位置。
3.磁阻式步进电动机小失调角时的传递函数（输出是转角θ）是：
4.两相混合式步进电动机，产品说明书给出步距角为1.8°，若采用8细分驱动电路，步距角是（）。
5.从用户使用角度看，在位置伺服系统中，全数字交流伺服系统与直流伺服电动机有什么不同之处？
6.目前批量生产的无刷直流电动机（交流伺服电动机）常用的位置传感器有哪两类？
五、（20分）
1.画图解释传感器的重复性误差。
2.旋转变压器如右图。
完成原边补偿和
副边补偿的连线。
电压有效值
感应同步器鉴相型信号处理方式中，
输出电压
。
3.画出直流测速发电机理想输出
电压与实际输出电压曲线，并在
图中说明误差产生的原因。
4.光电增量码盘每转产生1000个脉冲，分辩率为。
增量码盘为什么用两个光电转换器而不是一个？
增量码盘为什么要寻零？
怎样寻零？
5.画出采用电位器测量正、负位移的线路图。
6.螺杆型差动变压器用来。
输出电压表达式是。
7.热敏电阻传感器是根据（材料）电阻与温度之间的关系制成的。
它的主要优点是什么？
六、（9分）1.PWM功放电路和双极性
输出时的输入电压如图。
设电流连续。
1）绘出输出电压
波形。
2分别绘出电动机状态、发电机状态和轻载时电流
波形。
3）
，电动机状态，指出一周期内电流流经的路线。
2.PWM功率放大器包括和两部分。
3.PWM电路中，提高频率将使晶体管功耗。
（1）减小
（2）不变（3）增加。
4.异步电动机变频器输出的电压是波形。
5.用数据说明线性功放的主要缺点。
七、（13分）
1．写出阀控液压马达的传递函数，说明输入量和输出量的含义并说明传递函数参数的特点。
2．与电动机相比，液压动力机构的主要优、缺点是什么？
3．标示出图示液压马达的旋转方向。
这是向式液压马达。
4.航天器中陀螺传感器有哪两项作用？
5．图示为电容式微加速度传感器结构示意图。
简述工作原理。
若采用静电力平衡式的工作方式，解释“静电力平衡式的工作方式”，并说明它的优点。
八、附加题
1.求图示功率放大器的稳态放大系数
2.两相绕组匝数都是
，电流分别为
。
证明合成磁场是圆形旋转磁场。
（提示
）
参考答案
一、1.
（1）
（2）
（3）
（4）
2.框图如下。
3.特性曲线如下。
4.优点：
力矩大，控制容易。
缺点：
有机械换向器，有火花，摩擦大，维护较复杂，价高，结构复杂。
5.减小涡流损耗。
6.钕铁硼。
7.
大，电枢扁平状。
二、1.电机一相绕组产生的机械功率。
2.两相电流相位差：
两相电压相位差90º，幅值不等。
3.
4.特性曲线见图。
5.
调节特性斜率。
机械特性斜率。
6.特性曲线见图。
7.
电机额定工作状态时铁心磁密接近饱和，如图。
U不变，
。
电流过大，电机过热损坏。
8.4极，
三、1.
2.工作原理见图。
:
交轴和直轴磁阻。
3.磁滞同步电机。
特性曲线见图。
四、1.个数；频率；绕组电感的影响。
2.
3
4.0.225º
5.数字交流伺服系统：
控制简单，用脉冲做输入信号，直接控制位置。
内部结构复杂，产生高频电压扰动。
直流电动机：
需要另外配置传感器，功率放大器，补偿电路组成系统。
6.霍尔元件；旋转变压器，光电码盘。
五、1.输入按同一方向多次变化时的误差。
2.
3.曲线见图。
4.0.36º。
辨别转动方向。
寻找转角的基准位置，以便求绝对位置。
无限位时，开机后向某一方向转动，直到产生零位脉冲。
有限位时，开机后向一方向转动，找不零位时再反转。
5.线路见图。
6.测线位移。
。
7.半导体（金属氧化物）。
灵敏度高，热惯性小，体积小，价格低。
六、1.
（1），
（2）波形见图。
（3）
2.脉宽调制器；开关放大器。
3.增加。
4.SPWM
5.效率低，晶体管功耗大，不能输出大功率。
例如，电源电压50V,电流20A，功率1000W。
电机电压10V，晶体管管耗
。
七、1.传递函数为
θ：
输出，转角。
x：
输入、滑阀位移。
：
外负载力矩。
特点：
小，刚度大。
ζ小，阻尼小，不利。
非线性严重，某些参数变化大。
2.优点：
力矩大；尺寸小，重量轻；刚度大。
缺点：
需要专门液压源；漏油；维护麻烦。
3.轴；柱塞。
顺时针转动，见图。
4.测运动体的角位置和角速度。
5.加速度使质量块产生位移。
，δ变化，引起电容变化，测出电容可知位移δ和加速度。
静力平衡：
加电压，静电力使质量块不动，由电压可知加速度。
优点：
灵敏度高，精度高。
八、1.
2.
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