运动控制系统思考题课后习题答案完整版.docx

1、运动控制系统思考题课后习题答案完整版思考题答案1.1直流电动机有哪几种调速方式？各有那些特点？答： a改变电枢回路电阻调速法 外加电阻 Radd 的阻值越大，机械特性的斜率就越大， 相同转矩下电动机的转速越低 b 减弱磁通调速法 减弱磁通只能在额定转速以上的范围内 调节转速 c 调节电枢电压调速法 调节电枢电压调速所得的人为机械特性与电动机的固有 机械特性平行，转速的稳定性好，能在基速以下实现平滑调速。1.2为什么直流 PWM变换器 -电动机系统比相控整流器 - 电动机系统能够获得更好的动态 性能？答：a PWM 变换器简单来讲调节的是脉冲串的宽度，直流成分没有受到破坏，也就是 说其最大值 =

2、峰值是不变的，变的是平均值； b 相控整流，是由交流整流得到的直流，虽然也是平均值在变， 但是其最大值、 峰值也是随着导通角的大小时刻在变， 且导通角越小波 形的畸变越严重。从而影响了电机的输出特性。答：直流 PWM 变换器和晶闸管整流装置均可看作是一阶惯性环节。其中直流 PWM 变 换器的时间常数 Ts 等于其 IGBT 控制脉冲周期 （1/fc ），晶闸管整流装置的时间常数 Ts通常 取其最大失控时间的一半（ 1/（ 2mf ）。因 fc 通常为 kHz 级，而 f 通常为工频（ 50 或 60Hz ） 为一周内），m 整流电压的脉波数， 通常也不会超过 20 直流 PWM 变换器间常数通

3、常比晶闸 管整流装置时间常数更小，从而响应更快，动态性能更好。1.4 简述直流 PWM变 换器电路的基本结构。答：直流 PWM 变换器基本结构如图，包括 IGBT 和续流二极管。三相交流电经过整 流滤波后送往直流 PWM 变换器，通过改变直流 PWM 变换器中 IGBT 的控制脉冲占空比， 来调节直流 PWM 变换器输出电压大小，二极管起续流作用。1.5答：不会1.7静差率 s 与调速范围 D 有什么关系？静差率与机械特性硬度是一回事吗？答：关系见书上公式。 静差率与机械特性硬度是不同的概念， 硬度是指机械特性的斜率， 一般说硬度大静差率也大； 但同样硬度的机械特性， 随着起理想空载转速的降低

4、， 其静差率 会随之增大。1.8直流 PWM变换器的开关频率是否越高越好？为什么？答：不是。 因为若开关频率非常高， 当给直流电动机供电时， 有可能导致电枢电流还未 上升至负载电流时， 就已经开始下降了， 从而导致平均电流总小于负载电流， 电机无法运转。1.9泵升电压是怎样产生的？对系统有何影响？如何抑制？ 答：泵升电压是当电动机工作于回馈制动状态时， 由于二极管整流器的单向导电性， 使 得电动机由动能转变为的电能不能通过整流装置反馈回交流电网，而只能向滤波电容充电， 造成电容两端电压升高。 泵升电压过大将导致电力电子开关器件被击穿。 应合理选择滤波电 容的容量，或采用泵升电压限制电路。1.1

5、0在晶闸管整流器电动机开环调速系统中，为什么转速随负载增加而降低？ 答：负载增加意味着负载转矩变大，电机减速，并且在减速过程中，反电动势减小，于 是电 枢电流增大，从而使电磁转矩增加，达到与负载转矩平衡，电机不再减速，保持稳定。故负 载增加，稳态时，电机转速会较增加之前降低。1.11调速范围和静差率的定义是什么？为神马说“脱离了调速范围。要满足给定的静 差率也就容易的多了”？答：（ 1）生产机械要求电动机在额定负载的情况下所需的最高转速 Nmax 与最低转速Nmin 之比称为调速范围；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时转 速的变化率，称为静差率。 （2） s 与 D 是一对

6、矛盾的指标，要求 D 越大，则所能达到的调 速精度越大， s 越大。2.1带有比例放大器的转速反馈闭环调速系统（转速单闭环调速系统）特点a 只有比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍是有静差的； b 反馈控制系统的作用 是抵抗扰动，服从给定； c 系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。如果给定电压不变，调节测速反馈电压的分压比或测速发电机的励磁发生了变化，它 不能得到反馈控制系统的抑制， 反而会增大被调量的误差， 因为反馈控制功能抑制的只是被 反馈环包围的前向通道上的扰动。2.2为什么用积分控制的调速系统是无静差的 ?答：在积分调速系统中，当转速偏差电压等于零时 Uc 并不是零，而是一个终止 U

7、f ， 如果转速偏差电压不变话， 这是积分调节控制不同于比例环节的特点。 正应为如此， 积分环 节可以使系统在无静差的条件下保持恒速运行，实现无静差调速。2.3在无静差转速单闭环调速系统中， 转速的稳态精度是否还受给定电源和测速发电机 精度的影响？是说明理由。答：闭环系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度，因此转速的稳定精度还受给定电 源和测速发电机精度的影响。（1）在转速负反馈单闭环有静差调速系统中，突减负载后又进入稳定运行状态，此时 晶闸管整流装置的输出电压 Ud 较之负载变化前减少了（2） 在无静差调速系统中，突加负载后进入稳态时转速 n 不变，整流装置的输出电压Ud 增减（3） 在采用

8、PI 调节器的单环自动调速系统中，调节对象包含有积分环节，突加给定电 压后 PI 调节器没有饱和，系统达到稳速前被调量不会出现超调。2.42.5（ 3）在采用 PI 调节器的单环自动调速系统中，调节对象包含有积分环节，突加给定电 压后 PI 调节器没有饱和，系统达到稳速前被调量不会出现超调。2.6采用 PI 调节器的转速负反馈调速系统，为什么能够较好地解决系统稳态精度和动 态稳定性之间的矛盾？答：采用比例积分控制的转速负反馈调速系统， 其输出有比例和积分两部分组成， 比例 部分快速响应输入信号的变化， 实现系统的快速控制，发挥了比例控制的长处，同时， 可以 满足稳态精度的要求。 此后， 随着电

9、容电压的电压不断变化， 输出电压逐步增长， 直到稳态， 可以实现稳态无静差，又可以保证系统的稳定。因此，采用 PI 调节器的转速负反馈调速系 统能够较好地解决系统稳态精度和动态稳定性之间的矛盾。2.7双闭环直流调速系统中，给定电压 Un*不变，增加转速负反馈系数，系统稳定后转速反馈电压 Un和实际转速 n 是增加、减小还是不变？答：转速反馈系数增加，则转速反馈电压 Un 增加，给定电压 Un* ，则转速偏差电压 减小，则 ASR 给定电压 Ui* 减小，则控制电压 Uc 减小，则转速 n 减小；转速 n 减小，则转 速反馈电压 Un 减小，直到转速偏差电压为零；故稳态时转速反馈电压 Un 不变

10、，且实际转 速 n 减小。2.8双闭环调速系统调试时，遇到下列情况会出现什么现象？（1）电流反馈极性接反 （ 2）转速极性接反（3）启动时 ASR 未达到饱和，转速还处于闭合状态（4）启动时 ACR 达到饱和，速度环开环 2.13 是从下述 5个方面来比较转速，电流双 闭环调速系统和带电流截止环节的转速单闭环调速系统。（1）调速系统的静态特性： a 单闭环 在系统稳时实现转速无静差 b 双闭环 可实现转 速无静差和电流无静差。（2）动态限流性能 a单闭环 只能在超过临届电流 Idcr 后，限制电流冲击 b 双闭环 电 流调节器通过电流反馈系统随时调节控制电流。（ 3）启动的快速性 a 单闭环

11、快，不平稳 b 双闭环 快，平稳（4）抗负载扰动的性能 a单闭环 差 b 双闭环 强（5）抗电源电压波动的性能2.9某双闭环调速系统， ASR、 ACR均采用 PI 调节器，调试中怎样才能做到 Uim*=6V 时， Idm=20A；欲使 Un*=10V 时， n=1000rpm，应调什么参数？答：（ 1）调节电流反馈系数 =0.3；（ 2）调节转速反馈系数 =0.01。2.10在转速、电流双闭环直流调速系统中，若要改变电动机的转速，应调节什么参 数？改变转速调节器的放大倍数 Kn行不行？改变电力电子变换器的放大倍数 Ks 行不行？改变转速反馈系数行不行？若要改变电动机的堵转电流，应调节系统中的

12、什么参 数？答：通常可以调节给定电压。改变 Kn 和 Ks 都不行，因为转速电流双闭环直流调速系 统对前向通道内的阶跃扰动均有能力克服。 也可以改变， 但目的通常是为了获得更理想的 机械特性。若要改变堵转电流，应调节电流反馈系数2.112.12在双闭环系统中， 若速度调节器改为比例调节器， 或电流调节器改为比例调节器， 对系统的稳态性能影响如何？答：有静差。速度调节器对阶跃扰动的静差由 0 变为 1/（ 1+Kn ），或电流调节器对阶 跃扰动的静差由 0 变为 1/（1+Kc ），而对斜坡扰动的静差变得更大。2.13从下述五个方面来比较转速电流双闭环直流调速系统和带电流截止负反馈环节的转速单闭

13、环直流调速系统： （1）调速系统的静态特性。 （2）动态限流性能。 （ 3）起动的快速性。（ 4）抗负载扰动的性能。 （ 5）抗电源电压波动的性能。答：（ 1）转速、电流双闭环调速系统在稳态工作点上，转速 n 是由给定电压 *nU 决定的。 ASR的输出量 *iU 是由负载电流 IdL 决定的。控制电压 UC的大小则同时取决 于 n 和 Id ，或者说，同时取决于 *nU 和 IdL 。双闭环调速系统的稳态参数计算是和无静差 系统的稳态计算相似。 带电流截止环节的转速单闭环调速系统静态特性特点： 电流负反馈 的作用相当于在主电路中串入一个大电阻 Kp Ks Rs ，因而稳态速降极大， 特性急剧

14、下 垂；比较电压 Ucom 与给定电压 *nU 的作用一致，好象把理想空载转速提高了。这样的两 段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性。（2）二方面均具有动态限流性能，性能相似的。（3）双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：饱和非线性控制、转速超调、准时 间最优控制。（4）由动态结构图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器 ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计 ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。（5）在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节 的延滞， 因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。 双闭环系统中， 由于增设了电流内环

15、， 电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节， 不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。2.142.15 在转速、电流双闭环系统中，转速给定信号 Un未改变，若增大转速反馈系数，系统稳定后转速反馈电压 Un 是增加还是减少还是不变？为什么？答： Un不变，因为 PI 调节器在稳态时无静差，即： Un=Un，Un未改变，则， Un也 不变。4.1异步电动机变频调速时， 为何要电压协调控制？在整个调速范围内， 保持电压恒定 是否可行？为何在基频以下时，采用恒压频比控制，而在基频以上保持电压恒定？答：因为定子电压频率变化时， 将导致气隙磁通变化，影响电动机工作。在整个调速范 围内，若

16、保持电压恒定，则在基频以上时，气隙磁通将减少，电动机将出力不足；而在基频 以下时，气隙磁通将增加，由于磁路饱和，励磁电流将过大，电动机将遭到破坏。因此保持 电压恒定不可行。在基频以下时，若保持电压不变，则气隙磁通增加，由于磁路饱和，将使 励磁电流过大， 破坏电动机，故应保持气隙磁通不变，即保持压频比不变， 即采用恒压频比 控制； 而在基频以上时， 受绕组绝缘耐压和磁路饱和的限制， 电压不能随之升高， 故保持电 压恒定。4.2异步电动机变频调速时，基频以下和基频以上分别属于恒功率还是恒转矩调速方 式？为什么？所谓恒功率或恒转矩调速方式，是否指输出功率或转矩恒定？若不是，那么 恒功率和恒转矩调速究

17、竟是指什么？答：在基频以下调速，采用恒压频比控制，则磁通保持恒定，又额定电流不变，故允许 输出转矩恒定， 因此属于恒转矩调速方式。在基频以下调速， 采用恒电压控制，则在基频以 上随转速的升高，磁通将减少， 又额定电流不变， 故允许输出转矩减小，因此允许输出功率 基本保持不变， 属于恒功率调速方式。 恒功率或恒转矩调速方式并不是指输出功率或输出转 矩恒定，而是额定电流下允许输出的功率或允许输出的转矩恒定。4.3基频以下调速可以是恒压频比控制，恒定子磁通 ms、恒气隙磁通 m和恒转子磁通 mr的控制方式，从机械特性和系统实现两个方面分析与比较四种控制方法的优缺点 。答：恒压频比控制最容易实现， 其

18、机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能满足一 般调速要求，低速时需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。 恒定子磁通 ms、恒 气隙磁通 m和恒转子磁通 mr 的控制方式均需要定子电压补偿， 控制要复杂一些。 恒定子 磁通 ms和恒气隙磁通 m的控制方式虽然改善了低速性能， 机械特性还是非线性的， 仍受 到临界转矩的限制。恒转子磁通 mr 控制方式可以获得和直流他励电动机一样的线性机械 特性，性能最佳。恒压频比控制： 恒压频比控制最容易实现， 它的变频机械特性基本上是平行下移， 硬度 也较好， 能够满足一般的调速要求， 低速时需适当提高定子电压， 以近似补偿定子阻抗压降。 在对于相同的电

19、磁转矩， 角频率越大，速降落越大，机械特性越软，与直流电动机弱磁调速 相似。 在基频以下运行时， 采用恒压频比的控制方法具有控制简便的优点， 但负载变化时定 子压降不同， 将导致磁通改变， 因此需采用定子电压补偿控制。 根据定子电流的大小改变定 子电压，以保持磁通恒定。恒定子磁通： 虽然改善了低速性能， 但机械特性还是非线性的， 仍受到临界转矩的限制。 频率变化时，恒定子磁通控制的临界转矩恒定不变 。恒定子磁通控制的临界转差率大于恒 压频比控制方式。 恒定子磁通控制的临界转矩也大于恒压频比控制方式。 控制方式均需要定 子电压补偿，控制要复杂一些。恒气隙磁通： 虽然改善了低速性能， 但机械特性还

20、是非线性的， 仍受到临界转矩的限制。 保持气隙磁通恒定， 除了补偿定子电阻压降外， 还应补偿定子漏抗压降。 与恒定子磁通控制 方式相比较， 恒气隙磁通控制方式的临界转差率和临界转矩更大， 机械特性更硬。 控制方式 均需要定子电压补偿，控制要复杂一些。恒转子磁通：机械特性完全是一条直线，可以获得和直流电动机一样的线性机械特性， 这正是高性能交流变频调速所要求的稳态性能。4.4常用的交流 PWM有三种控制方式，分别为 SPW、M CFPWM和 SVPW，M论述它们的基本 特征、各自的优缺点。答：SPW：M特征： 以频率与期望的输出电压波相同的正弦波作为调制波， 以频率比期望波高得多的等腰三角波作为

21、载波。 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列。优缺点：普通的 SPWM变频器输出电压带有一定的谐波分量， 为降低谐波分量， 减少电动机转矩脉动， 可以采用直接计算各脉冲起始与终了相 位的方法，以消除指定次数的谐波。CFPW：M特征：在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定 值。优缺点：在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，这就能比电压控制的 SPWM获得 更好的性能。精度高、响应快，且易于实现。但功率开关器件的开关频率不定。SVPWM ：特征：把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器 的工作，

22、磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的。优缺点： 8 个基本输 出矢量， 6 个有效工作矢量和 2 个零矢量，在一个旋转周期内，每个有效工作矢量只作用 1 次的方式，生成正 6 边形的旋转磁链，谐波分量大，导致转矩脉动。用相邻的 2 个有效工作矢量，合成任意的期望输出电压矢量，使磁链轨迹接近于圆。 开关周期越小， 旋转磁场越接近于圆， 但功率器件的开关频率将提高。 用电压空间矢量直接 生成三相 PWM波，计算简便。与一般的 SPWM相比较， SVPWM控制方式的输出电压最多可提 高 15%。4.5分析电流滞环跟踪 PWM控制中，环宽 h 对电流波动于开关频率的影响。 答：当环宽

23、h 选得较大时，开关频率低，但电流波形失真较多，谐波分量高；如果环宽 小，电流跟踪性能好，但开关频率却增大了。4.6三相异步电动机 Y 联结，能否将中性点与直流侧参考点短接？为什么？ 答：能。虽然直流电源中点和交流电动机中点的电位不等， 但合成电压矢量的表达式相 等。因此，三相合成电压空间矢量与参考点无关。可以将中性点与直流侧参考点短接。4.7当三相异步电动机由正弦对称电压供电，并达到稳态时，可以定义电压向量 U、电流向量 I 等， 用于分析三相异步电动机的稳定工作状态， 4.2.4 节定义的空间矢量与向量有 何区别？在正弦稳态时，两者有何联系？答：相量是从时间域的三角函数到复指数函数的映射

24、, 空间矢量是从空间域的三角函数到复指数函数的映射。相量的正弦性表现为时间域的正弦性 , 空间矢量的正弦性表现为空间域的正弦性。从本 质看它们都是正弦性 ,但从形式上看 , 相量的正弦性还表现为复数在旋转 , 而空间矢量的正弦 性则仅表示原象在空间按正弦规律变化。 当然 , 也有旋转的空间矢量 , 但此时空间矢量的旋转 性也是由于电流在时间上按正弦规律变化而引起的 , 并不起因于空间矢量本身的正弦性。4.8采用 SVPWM控制， 用有效工作电压矢量合成期望的输出电压矢量， 由于期望输出电压矢量是连续可调的，因此，定子磁链矢量轨迹可以是圆，这种说法是否正确？为什么？ 答：实际的定子磁链矢量轨迹在

25、期望的磁链圆周围波动。 N越大， 磁链轨迹越接近于圆，但开关频率随之增大。由于 N 是有限的，所以磁链轨迹只能接近于圆，而不可能等于圆。4.9总结转速闭环转差频率控制系统的控制规律，若 Us f（ 1，Is）设置不当，会 产生什么影响？一般说来，正反馈系统是不稳定的，而转速闭环转差频率控制系统具有正 反馈的内环，系统却能稳定，为什么？答：转差频率控制的规律为： （1）在 s sm 范围内，如果气隙磁通保持不变，转矩Te 基本上与 s成正比。（ 2）定子电流不同时， 按照一定的 Us f（ 1，Is）函数关系控制 定子的电压和频率，可以保持气隙磁通恒定。若 Us f（ 1，Is）设置不当，则气隙

26、磁通 无法保持恒定，控制将出现紊乱。因为转差频率控制的被控量是频率差 s，在外环通过负反馈控制已经实现控制要求， 在内环控制中， 因为输出量要控制定子的实际频率， 而 s 才能得到实际的频率值 1，因此需采用正反馈相加， 由于内环调解器不是普通的 PI 调解器， 输出不受正反馈的影响，引起的扰动可通过外环进行调节，所以系统能实现稳定要求。习题习题一1.1 试分析有制动电流通路的不可逆 PWM 变换器 -直流电动机系统进行制动时，两个 VT 是如何工作的？【解答】先减小控制电压，使 1gU 得正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电压 dU 降低。但是由于机械惯性，转速和反电势还来不及变化，因而

27、造成 dEU 的局面，很快电流 di 反向，VD2 截止，在onttT期间 2gU为正，于是 VT2 导通反向电流产生能耗制动作用。 在onTtTt +期间， VT2 关断， di-经VD1 续流，向电源回馈能量。同时 VD1 两端压降钳住 VT1， 使他不能导通。在制动状态， VT2 和 VD1 轮流导通， VT1 始终关断。1.31.4系统的调速范围是 1000100 r min ，要求静差率 s=2%，那么系统允许的静差转速降是 多少？解： n nns D(1 s) 1000 0.02 (10 0.98) 2.04rpm系统允许的静态速降为 2.04rpm1.5某一调速系统，在额定负载下

28、，最高转速特性为 n0max 1500r min ，最低转速特性为n0min 150r min ，带额定负载时的速度降落 nN 15r min ，且在不同转速下额定速降不变，试问系统能够达到的调速范围有多大？系统允许的静差率是多少？解： 1)调速范围Dnmax nmin (均指额定负载情况下)nmaxn0maxnN150015 1485nminn0minnN15015 135D nmax nmin1485 135112)静差率snN n0 15 150 10%1.6直流电动机为 PN=74kW,UN=220V ， I N=378A ， nN=1430r/min ，Ra=0.023。相控整流 器

29、内阻 Rrec=0.022 。采用降压调速。 当生产机械要求 s=20%时，求系统的调速范围。如果 s=30%时，则系统的调速范围又为多少？解： Ce (UN INRa ) nN (220 378 0.023) 1430 0.1478V rpmn I N R Ce378 (0.0230.022) 0.1478115rpmD nN S n(1s)14300.2 115(10.2)3.1D nN S n(1s)14300.3 115(10.3)5.331.7 某 龙 门刨床工作台采用V-M调速系统。已知直流电动机PN 60kW,U N 220V , I N 305 A, nN 1000r min

30、，主电路总电阻 R=0.18,Ce=0.2V ?min/r, 求：(1)当电流连续时，在额定负载下的转速降落 nN 为多少？( 2)开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率 SN 多少？(3)若要满足 D=20,s 5%的要求，额定负载下的转速降落 nN 又为多少 ?解： (1) nN I N R Ce 305 0.18 0.2 274.5r /min(2)SN nN n0 274.5 (1000 274.5) 21.5%(3)n nNS D(1 s) 1000 0.05 20 0.95 2.63r / min1.8 有一晶闸管稳压电源，其稳态结构图如图所示，已知给定电压 Uu* 8.8V

31、、比例调节器放大系数 KP 2、晶闸管装置放大系数 KS 15 、反馈系数 =0.7。求：(1)输出电压 Ud ；(2)若把反馈线断开， Ud 为何值？开环时的输出电压是闭环是的多少倍？( 3)若把反馈系数减至 =0.35 ，当保持同样的输出电压时，给定电压 Uu* 应为多少？解：(1)Ud KpKsUu* (1 K pKs ) 2 15 8.8 (1 2 15 0.7) 12V(2) Ud 8.8 2 15 264V ,开环输出电压是闭环的 22 倍(3) Uu* Ud(1 KpKs ) K pKs 12 (1 2 15 0.35) (2 15) 4.6V2.1 某闭环调速系统的调速范围是 1500r/min150r/min ，要求系统的静差率 s 5% ，那么 系统允许的静态速降是多少？如果开环系统的静态速降是 100r/min ，则闭环系统的开环放大倍数应有多大？解： 1) D nN s/ nN 1 s10 1500 2%/ nN 98%nN 1500 2% /98% 10 3.06r / min2)K nop / ncl 1 100 / 3.06 1 31.72.2某闭环调速系统的开环放大倍数为 15 时，额定负载下电动机的速降为 8 r/min ，如果将