伺服系统复习指导.docx

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伺服系统复习指导

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电力电子技术基础

电力电子器件

1、电力电子器件：

可直接用于处理电能的主电路中实现电能的变换或控制的电子器件。

2、晶闸管-门极G、阳极A、阴极K

晶闸管导通的条件是：

1）要有适当的正向阳极电压；

2）还要有适当的正向门极电压，且晶闸管一旦导通，门极将失去作用

晶闸管的关断条件：

使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值（称为维持电流）以下。

3、IGBT-栅极G、集电极C、发射极E

IGBT的驱动原理是一种场控器件。

其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的。

当UGE为正且大于开启电压UGE（th）时，IGBT导通。

当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，IGBT关断。

4、电压驱动型器件

√单极型器件和复合型器件。

（电力MOSFET、IGBT）

√共同特点是：

输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。

5、电流驱动型器件

√双极型器件-晶闸管、GTO、GTR。

√共同特点是：

通态压降低，导通损耗小，但工作频率较低，所需驱动功率大，驱动电路也比较复杂。

6、比较

输入阻抗

导通损耗

驱动电路

驱动功率

工作频率

通态压降

电压驱动型

高

较大

简单

小

高

较高

电流驱动型

低

小

比较复杂

大

较低

低

晶闸管整流电路

1、相控整流的基本概念

触发延迟角：

从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度，也称触发角或控制角。

导通角：

晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度。

相控方式：

通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式。

移相范围：

的变化范围（180）。

2、单相半波可控整流电路

3、单相桥式全控整流电路如图所示，画出在电阻负载下的电压Ud、电流id和VT1电压的波形。

[答]

4、单相桥式全控整流电路如图所示，画出在阻感负载下电压Ud、电流id和VT1电压的波形。

5、什么是逆变、有源逆变、无源逆变？

逆变：

把直流电转变成交流电的过程。

当交流侧和电网连结时，为有源逆变电路。

当交流侧不与电网联接，而直接接到负载，称为无源逆变。

6、产生有源逆变的条件

（1）要有直流电动势，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应大于变流器直流侧的平均电压。

（2）要求晶闸管的控制角>/2，使Ud为负值。

两者必须同时具备才能实现有源逆变。

7、当电流波形连续时，整流装置的平均输出电压

8、逆变角

◆通常把>/2时的控制角用-=表示，称为逆变角。

◆的大小自=0的起始点向左方计量。

9、逆变失败

逆变运行时，一旦发生换相失败，外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路，或者使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，由于逆变电路的内阻很小，形成很大的短路电流，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆。

转速反馈直流调速系统

1、直流电动机有哪几种调速方法？

各有哪些特点？

a.改变电枢供电电压：

可平滑调速，是直流调速系统主要使用的调速方案。

b.减弱励磁磁通：

可平滑调速，但调速范围不大，只是配合调压方案，在基速以上小范围弱磁升速。

c.改变电枢回路电阻：

只能有级调速。

2、什么是静差率，调速范围。

生产机械要求电动机提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比称为调速范围，用字母D表示。

调速范围D=nmax/nmin=nN/nmin

当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落ΔnN与理想空载转速n0之比。

静差率S=△nN/n0*100%

。

3、写出直流电机以微分方程组表达的数学模型，并说明各参变量的意义和量纲。

电动机的数学模型

Ce--电动势系数V.min/r

Cm--转矩系数N.m/A

GD2-飞轮转矩=N.m2

Te-电动力矩N.m

n-转速r/min

注意转动惯量J和飞轮转矩的关系

角速度和转速的关系

4、转速负反馈闭环直流调速系统的稳态结构图如图，推导出该闭环调速系统的机械静特性表达式。

5、有一V-M调速系统，电动机参数为：

PN=2.5kW，额定电压UN=220V，额定电流IN=10A，额定转速nN=000r/min，电枢内阻Ra=2Ω，整流装置的放大倍数Ks=40，内阻Rc=1Ω，

（1）计算电机的电动势系数Ce；

（2）在额定负载下的转速降落Δn；

（3）当电机在负载IdL=10A下以n=200r/min的转速稳定运行时，整流装置输出电压Ud；

（4）如果该系统的转速调节器限幅值为5V，计算当电机堵转时的电枢电流Id。

（5）如果要求D=10，计算开环系统所能达到的静差率S；

（1）电机的电动势系数Ce

Ce=（UN-IN*Ra）/nN=（220-10*2）/1000=0.2V.min/r

（2）当电流连续时，在额定负载下的转速降落Δn

Δn=IN*R/Ce=10*（2+1）/0.2=150r/min。

（3）当电机在负载IdL=10A下以n=200r/min的转速稳定运行时，整流装置输出电压Ud

Ud=Id*（Ra+Rc）+Ce*n=10*3+.2*200=70V。

（4）堵转电流Id=200/（2+1）=66.7A

（5）如果系统的稳态性能指标为调速范围D＝10

S=150/（100+150）=0.60=60%

6、在转速负反馈系统闭环系统中，当下列参数发生变化时系统是否有调节作用，为什么？

a.电网电压，b.负载转矩，c.电动机励磁电流，d.电枢电阻，e.测速发电机励磁，f.给定电源的精度。

问系统对上述各量有无调节能力？

并简要说明理由。

答：

反馈系统对包含在反馈环内的前向通道上的扰动有抑制作用，而对反馈通道上及反馈环外的扰动没有抑制作用。

因而，对电网电压、负载转矩、电动机励磁电流、电枢电阻有调节能力，对测速发电机励磁、给定电源精度的变化无调节能力。

7、V-M系统的主要缺点

⏹由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。

⏹晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt与di/dt都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。

⏹由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。

8、说明电路的组成

给定电路、校正装置、触发电路、相控功率放大器、电动机、

速度检测（测速电机）、转速变换馈送环节（可变电阻）、电流检测（互感器），电流变换馈送环节。

9、对于VM电动机系统，如果电枢电流断续会出现什么问题？

可以使用哪些措施避免电枢电流断续。

对于VM系统，由于晶闸管整流电路输出的是脉动的直流，当负载轻时，会出现电枢电流断续现象。

当电枢电流断续时，电机的机械特性变软，稳速能力下降。

避免电枢电流断续的方法有：

a、设置平波电抗器；

b、增加整流电路相数；

c、采用多重化技术。

10、PWM变换器-电动机系统电路如下图所示，说明其工作原理，并画出电机正转时栅极电压Ug1、电枢电压Ud、反电动势E和电枢电流id的波形。

一般电动状态：

id>0。

在0≤t

在ton≤t

VT1和VD2交替导通，VT2和VD1始终关断。

制动状态：

电枢电流反向

在0≤t≤ton期间，VT2关断，－id沿回路4经VD1续流，向电源回馈制动。

在ton≤t≤T期间，Ug2变正，VT2导通，反向电流id沿回路3流通，产生能耗制动作用。

11、转速负反馈系统中电流截止环节的作用

限流保护，解决系统在启动和堵转时电流过大的问题。

12、如果把调速系统反馈电压的极性接成给定电压极性相同，将产生什么后果？

将使系统变成正反馈系统，系统不稳定。

可能对系统造成破坏。

双闭环调速系统

1、说明该系统都包含哪些组成部分，并说明各个部分的功能。

给定电路、校正装置、触发电路、相控功率放大器、电动机、

速度检测（测速电机）、变换馈送环节（可变电阻）、

电流检测（互感器），变换馈送环节。

电流调节器，转速调节器，限幅电路

2、推导上图中ASR调节器的传递函数。

3、已知R0=50KΩ，Rn=80KΩ，Cn=2μF，计算图中ASR的传递函数。

4、简述该系统中转速调节器的作用

（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。

（2）对负载变化起抗扰作用。

（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。

5、简述该系统中电流调节器的作用

（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。

（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。

（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程

6、转速、电流双闭环调速系统如下图所示，两个调节器ASR、ACR均采用PI调节器，UPE为电力电子变换器。

假设反馈系数α、β，额定转速n0，负载电流IdL，电枢回路电阻R，UPE放大系数KS均为已知数。

在系统稳态运行时，两个调节器ASR、ACR的输入偏差电压ΔUn、ΔUi和输出电压U*i、Uc分别是多少？

答：

ΔUn=0，ΔUi=0，U*i=beta*Id，Uc=（Ce*n-Idl*R）/Ks

7、双极式可逆PWM变换器的如图所示。

简述其工作原理并画出负载较重电机正转时电枢电压Ud、电枢电流id和反电动势E的波形。

计算平均电压

及占空比

；说明该电路如何控制电动机的转速和转向？

当电机处在重载状态正向运行时，在一个开关周期内，当

时，Ug1和Ug4为正，晶体管

和

饱和导通，晶体管

和

截止，电流经

和

流过电动机。

当

时，电流经VD2和VD3流过电动机。

当占空比等于0时，PWM变换器的输出平均电压最大，当驱动电压的占空比等于0.5时，输出平均电压等于零。

计算平均电压

及占空比

；

如何控制电动机的转速和转向？

通过调节ton的大小，改变占空比，来改变电动机的转速和转向。

8、什么是泵升电压？

当可逆系统进入制动状态时，直流PWM功率变换器把机械能变为电能回馈到直流侧，由于二极管整流器导电的单向性，电能不可能通过整流器送回交流电网，只能向滤波电容充电，使电容两端电压升高，称作泵升电压。

9、双极式控制的桥式可逆PWM变换器有哪些优点？

双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点：

（1）电流一定连续；

（2）可使电动机在四象限运行；

（3）电动机停止时有微振电流，能消除静磨擦死区；

（4）低速平稳性好，系统的调速范围大；

（5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。

10、直流脉宽可逆调速系统中，当电动机停止不动时，电枢两端是否还有电压？

电路中是否还有电流？

为什么？

有。

有。

当电动机停止不动时，电枢两端平均电压为0，但瞬时电压不为0。

11、双闭环调速系统起动主要分几个阶段？

简要说明每个阶段电流

和转速反馈信号

各有什么特点。

系统起动时主要分三个阶段：

第I阶段：

电流上升阶段，ASR很快饱和，电流接近

。

 当

后，

，但由于电机惯性，

上升不快。

第II阶段：

恒流升速

ASR饱和，转速环开环，

恒定

，转速恒加速上升。

第III阶段：

转速调节阶段    开始

已达给定值

，转速退饱和超调，

 ，当

时，

达到最大值，随后

回落，进入转速调整阶段。

12、简述双闭环直流调速系统的起动过程的特点。

双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：

（1）   饱和非线性控制；

（2）   转速超调；

（3）准时间最优控制。

13、已知某调速系统原理图如下图所示:

当移相控制电压

为正时，在原理图上标注

信号的极性和

的极性。

[解答]

极性标注如图：

，

，

，

，

，

14、说明可逆系统的反向过程中电流转速的变化。

•

•ab，Id:

IdL0。

电枢电流下降，但仍提供电动力矩。

•bc，Id:

0-Idm。

电流反向并制动。

•cd，n：

nN0。

全功率制动。

转速下降。

•de，n：

0-nNId=-Idm反向加速。

•ef，Id=-IdL。

转速动态调节，Id从-Idm减小到-IdL。

•

位置随动系统

1、调速系统和随动系统的区别。

被控量

主要性能指标

输入信号性质

反馈元件

应用领域

调速系统

速度

稳态抗扰

一般为已知

速度反馈

速度控制

随动系统

位置

动态跟随

一般未知

位置反馈

位置控制

2、简述位置随动系统的基本组成，并说明每个基本组成的作用。

位置检测：

检测负载运行位置，以便于给定比较，进行的处理。

信号处理：

处理比较后信号，摸拟系统用相敏整流，数字系统用微机。

驱动部分：

对控制输出进行放大，驱动后面执行机构，一般为可逆功放。

执行机构：

驱动负载，即电机。

减速器：

由于电机速度一般较快，减速以适应负载要求，同时增强电机带负载的能力。

3、写出常用位置传感器。

电位器、自整角机、旋转变压器、感应同步器、光电和磁性编码器

4、位置随动系统下图所示，已知

Tm=0.1s，Ts=0.005s，Tl=0.01s，Ks=5，Ce=0.5V.min/r，Kg=6，R=1Ω

要求把系统校正为典型I型系统，在阶跃输入下超调量小于等于5%。

1、选择调节器D（s）的结构、确定其参数并计算该系统的峰值时间。

2、计算该系统在输入为200deg/s时的稳态误差。

3、计算当负载电流为IdL=2A时，负载扰动引起的稳态误差。

5、位置随动系统下图所示，已知

Tm=0.1s，Ts=0.005s，Tl=0.01s，Ks=5，Ce=0.5V.min/r，Kg=6，R=1Ω

要求把系统校正为典型II型系统，在阶跃输入下超调量小于等于30%。

1、选择调节器D（s）的结构、确定其参数并计算该系统的峰值时间。

2、计算该系统在输入为200deg/s时的稳态误差。

3、计算当负载电流为IdL=2A时，负载扰动引起的稳态误差。