《控制電機》參考答案(李光友)

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1、 控制電機（2版）思考題與習題參考答案 （機械工業(yè)岀版社，李光友等編著） 第1章 直流伺服電動機 1 —臺直流電動機，其額定電壓為110V,額定電樞電流為04A,額定轉(zhuǎn)速為3600r/min, 電樞電阻為50C,空載阻轉(zhuǎn)矩％=0.015N?m,試問電動機的額定負我轉(zhuǎn)矩是多少？ 解：幾=Te - To , Te =警=箸=0.0955N.m n = ^=12Chr, Ea = U-RaIa = 110 - 50 x 0.4 = 90V Tl = 0.0955 一 0.015 = 0.0805N.m 2. 一臺型號為55SZ54的直流伺服電動機，其額定電壓為110V,額定電樞電

2、流為0.46A, 額定轉(zhuǎn)矩為0.093 N?m,額定轉(zhuǎn)速為3000r/min。忽略電動機本身的空載阻轉(zhuǎn)矩T°,試求 電機在額定運行狀態(tài)時的反電動勢E,和電樞電阻 解：U=Ea + laRa , Te = EaIa/D , Q =醤=2血 Ea = ^ = 0,093xl00TT = 63.5 IV, Ra = = 110-635 = 101.1D a la 0.46 a Ia 0.46 3. 伺服電動機型號為 70SZ54 , PN =55W,Un = Uf =110V,效率 T]N =62.5%,nN =3000r/nmi ,空載阻轉(zhuǎn)矩％ =0.0714 N?m。試求額定運行時電動

3、機 的電樞電流I寂，電磁轉(zhuǎn)矩反電動勢E釈和電樞電阻 解：IaN = ^= 110X0.625 = 0-8A，Tln=^ =益= 0.175N.m , fl = ^ = 100ir Te = Tln + To = 0.175 + 0.0715 = 0.2465N.m. EaN = ^ = 警伽=96.75V U-BaN 110-96.8 0. =16.50 4由兩臺完全相同的直流電機組成的電動機?發(fā)電機組。它們的勵磁電壓均為110V＞電樞繞 組電阻均為750。當發(fā)電機空我時，電動機電樞加110V電壓，電樞電流為0 12A,機組的 轉(zhuǎn)速為4500r/mm。試求：（1）發(fā)電機空載

4、時的輸出電壓為多少？ （2）電動機仍加110V電 壓，發(fā)電機負載電阻為lkC時，機組的轉(zhuǎn)速為多少。 解：（1） UF0 = EDa = U - RaIDa0 = 110 -75 x 0.12 = 101 V <2) 由爲=Ce

5、500 5.試用分析電樞控制時的類似方法，推導(dǎo)出電樞繞組加恒定電壓，而勵磁繞組加控制電壓 時直流伺服電動機的機械特性和調(diào)節(jié)特性。并說明這種控制方式有哪些缺點7 答：磁場控制時電樞電壓保持不變。機械特性是指勵磁電壓不變時電動機轉(zhuǎn)速隨電磁轉(zhuǎn) 矩變化的關(guān)系，即n =冷-詐法=n0 -也。由公式可知，當控制電壓加載勵磁繞組上， 即采用磁場控制時，隨著控制信號減弱，①減小，k增大.機械特件變軟。調(diào)節(jié)特性是指電 磁轉(zhuǎn)矩不變時，轉(zhuǎn)速隨控制信號變化的關(guān)系。由公式可知，n與6為非線性關(guān)系，不利于精 確調(diào)速。 6若直流伺服電動機的勵磁電壓下降，對電機的機械特性和調(diào)節(jié)特性將會產(chǎn)生哪些影響？ 答：電樞控制

6、時，若勵磁電壓下降，①減小，k增大，機械特性變軟，始動電壓變大。 7電樞控制的直流伺服電機，當控制電壓和勵磁電壓都不變時，電機軸上的負裁轉(zhuǎn)矩減小， 試問這時電機控制電流電磁轉(zhuǎn)矩1；和轉(zhuǎn)速n都會有哪些變化？并說明由原來的穩(wěn)態(tài)到 達新穩(wěn)態(tài)的物理過程。 答：勵磁電壓不變，可近似認為①不變。負我轉(zhuǎn)矩減小時，Te減小，由Te = Ct

7、越大，機械 特性就越軟。 答：直流伺服電動機的機械特性為11 =啓-冬當控制電壓和勵磁電壓均不變時,, 鬻和云需都是常數(shù)，轉(zhuǎn)速n和電磁轉(zhuǎn)矩Te之間是線性關(guān)系，且隨著電磁轉(zhuǎn)矩Te的增加，轉(zhuǎn) 速n下降，因此機械特性是一條下傾的直線。放大器的內(nèi)阻對機械特性來說，與電樞電阻是 等價的，電阻越大，II線斜率■鴛就越大，機械特性就越軟。 9直流伺服電動機在不帶負戦時，其調(diào)節(jié)特性有無死區(qū)？調(diào)節(jié)特性死區(qū)的大小與哪些因素 有關(guān)？ 答：有死區(qū)。山=土^ ,死區(qū)電壓與起始負戦轉(zhuǎn)矩，電樞電阻，勵磁電壓，電機結(jié)構(gòu) / J關(guān)。 10.當直流伺服電機運行在電動機、發(fā)電機、反接制動、能耗制動四個狀態(tài)時，電磁轉(zhuǎn)矩與 轉(zhuǎn)

8、速的方向成什么關(guān)系？它們的能疑流向有什么特點2 答：電動機：電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向相同，電能轉(zhuǎn)化為機械能。發(fā)電機：電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速 方向相反，機械能轉(zhuǎn)化為電能.反接制動：電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向相反，電能和轉(zhuǎn)子機械能轉(zhuǎn) 化為電機內(nèi)部的熱能。能耗制動：電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向相反。轉(zhuǎn)子機械能轉(zhuǎn)化為電機內(nèi)部的 熱能。 11試述機電時間常數(shù)的物理意義。 答：電動機在空戦狀態(tài)下，勵磁繞組加額定勵磁電壓，電樞加階躍額定控制電壓，轉(zhuǎn)速 從零升到理想空載轉(zhuǎn)速的63 2%所需的時間. 12直流伺服電動機當轉(zhuǎn)速很低時會出現(xiàn)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定現(xiàn)象，簡述產(chǎn)生轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定的原因及其 對控制系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。 答：電樞齒槽的彫響，電樞接觸

9、壓降的影響，電刷和換向器之間摩擦的影響.造成控制 系統(tǒng)誤差。 13 一臺直流伺服電動機帶動恒轉(zhuǎn)矩負栽(即負我轉(zhuǎn)矩保持不變)，測得始動電壓= 4V , 當電樞電壓為50V時，其轉(zhuǎn)速為1500r/min,若要求轉(zhuǎn)速達到3000r/min,試問要加多大的 電樞電壓？ 解：由題意，畔嚴=丄，n =譬U-130.4,代入數(shù)據(jù)得U=96V 50-4 U-4 46 14 一臺直流伺服電動機，其額定電樞電壓和勵磁電壓都為110V,額定電樞電流為0.46A, 額定轉(zhuǎn)速為3000r/min,額定轉(zhuǎn)矩為0.09 N?m,忽略空載阻轉(zhuǎn)矩T。。耍求：(1)繪出電樞 電壓為110V和80V時的機械特性曲線；(2

10、)當負載轉(zhuǎn)矩為0.08 N?m電樞電壓為80V時 電機的轉(zhuǎn)速；(3)對應(yīng)于該負我和電壓下的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩T匕和始動電壓U" la 解：(1)由Ct 0.0205 =3902 r/min 曲線略。

11、 亠=響8 = 26202 Ct①Ce? 0.0205 x 0.196 (2) n = ^-kTs =急- 26202 x 0 08=1806 r/mm (3小=也=泄空=(M49Nm K Ra 105.28 Ra 105.28 Us。= s Ts =0.196 X 0 08 = 42 97 V 15己知一臺直流伺服電動機的電樞電壓Ua =110V,空載電流1^ =0.055A,空載轉(zhuǎn)速 Hg = 46001711M1 ,電樞電阻Ra = 80Q ,試求：(1)當電樞電壓Ua = 67.5V時的理想空 載轉(zhuǎn)速1】。和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩T匕；(2)該電機若用放大器控制.放大器的內(nèi)

12、阻R = 80Q,開路電 ffiUx=67.5V,求這時的理想空我轉(zhuǎn)速1】。和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 解：(1) U = Ea + IaRa, Ea = U- IaRa = 110 - 80 x 0.055 = 105.6V 105.6 4600 30 30 Ct

13、23 =2935 r/min 第二章 交流感應(yīng)伺服電動機 1.空心杯形轉(zhuǎn)子兩相感應(yīng)伺服電動機與籠型轉(zhuǎn)子感應(yīng)伺服電動機相比，在結(jié)構(gòu)與原理上有 何異同？ 答:籠型轉(zhuǎn)子感應(yīng)伺服電動機的結(jié)構(gòu)與普通籠型感應(yīng)電動機相似，只是定子為兩相繞組, 并且為了減少轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，需做得細而長?？招谋透袘?yīng)伺服電動機的定子分成外定子 和內(nèi)定子兩部分。外定子部分與籠型轉(zhuǎn)子感應(yīng)伺服電動機相同，在鐵心槽中嵌有空間相距 90。電角度的兩相交流繞組，而內(nèi)定子鐵心中一般不放繞組，僅作為磁路的一部分，以減少

14、 主磁通磁路的磁阻。內(nèi)、外定子之間有細長的空心轉(zhuǎn)子裝在轉(zhuǎn)軸上，空心轉(zhuǎn)子做成杯子形狀， 所以稱為空心杯型轉(zhuǎn)子?？招谋秃突\型感應(yīng)伺服電機在原理上是相同的，杯型轉(zhuǎn)子可以看 做是導(dǎo)條數(shù)目非常多、條與條之間緊靠在一起、而兩端自疔短路的籠型轉(zhuǎn)子。 2. 兩相感應(yīng)伺服電動機的轉(zhuǎn)子電阻為什么必須足夠大?轉(zhuǎn)子電阻是不是越大越好？為什么2 答：為了得到盡可能接近線性的機械特性，并實現(xiàn)無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，兩相感應(yīng)伺服電機 必須具冇足夠大的轉(zhuǎn)子電阻. 轉(zhuǎn)子電限并非

15、越大越好?如果轉(zhuǎn)子電陰過大，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子中的電陰損耗增加，電機的轉(zhuǎn) 矩減小，效率降低。 3. 什么是“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)釦對兩相感應(yīng)伺服電動機，應(yīng)該采取哪些措施來克服“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。 為了實現(xiàn)無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，單相供電時應(yīng)具有怎樣的機械特性？ 答:兩相感應(yīng)伺服電機正常勵磁，在控制電壓作用下以 淀轉(zhuǎn)速運行，當無控制信號時， 電機應(yīng)該立即停轉(zhuǎn)，若電機仍能以某一轉(zhuǎn)速繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，則會造成失控，稱為“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。 為了克服“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，首先在設(shè)計上轉(zhuǎn)子電阻必須足夠大，以使正向旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生繪 大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率s^>l；另外，在制造過程中還應(yīng)該避免因工藝不良造成控制電壓切除 后的氣隙磁場不是單相脈振磁場，而是稍有橢圓

16、的旋轉(zhuǎn)磁場。 為了實現(xiàn)無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，單相供電時電機的合成電磁轉(zhuǎn)矩在整個電動機運行范圍內(nèi)均 應(yīng)為負值,即在整個機械特性曲線上轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩符號始終相反，此時機械特性位于第二、 四彖限。 4. 兩相繞組冇效匝數(shù)不等的兩相感應(yīng)伺服電動機，若外施兩相對稱電壓，電機中能否得到 圓形旋轉(zhuǎn)磁場？若要產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，兩相繞組的外施電壓應(yīng)滿足什么條件？ 答：對于兩相繞組有效匝數(shù)不等的兩相感應(yīng)伺服電動機，若外施兩相對稱電壓，電機中 不能得到圓形旋轉(zhuǎn)磁場。若要產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，兩相電壓的比值應(yīng)等于兩相繞組的有效匝 數(shù)比，且相位上相差90°。 5. 幅值控制的兩相感應(yīng)伺服電動機，若冇效信號系數(shù)“由0變化到

17、1,電機中的正序、負 序磁動勢的大小將如何變化？ 答：在幅值控制的兩相感應(yīng)伺服電動機中，若有效信號系數(shù)&為0,在滿足無“自轉(zhuǎn)” 現(xiàn)象的條件下，電機轉(zhuǎn)速為0,此時正、負序磁動勢大小相等，合成磁動勢為脈振磁動勢; 若有效信號系數(shù)“為1，則合成磁動勢為圜形旋轉(zhuǎn)磁動勢，即只有正序磁動勢，負序磁動勢 幅值為零；若有效信號系數(shù)0V&V1,則合成磁動勢為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢，負序磁動勢的幅 值小于正序磁動勢幅值，并且隨著有效信號系數(shù)4的增大，負序磁動勢的幅值逐漸減小。 6. 幅值控制的兩相感應(yīng)伺服電動機，當有效信號系數(shù)“H1時，理想空載轉(zhuǎn)速為何低于同 步轉(zhuǎn)速？當控制電壓降低時，電機的理想空我轉(zhuǎn)速為什么隨之降

18、低？ 答：對于幅值控制的兩相感應(yīng)伺服電動機，當有效信號心小于1時，伺服電動機將產(chǎn) 生橢圓形的旋轉(zhuǎn)磁動勢，氣隙磁場為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場。由于反向旋轉(zhuǎn)磁場的存在，將會產(chǎn)生 一個制動轉(zhuǎn)矩。當正序旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與負序磁場產(chǎn)生的制動轉(zhuǎn)矩相等時，合成電 磁轉(zhuǎn)矩等于0,對應(yīng)于電動機的理想空載狀態(tài)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速即為理想空裁轉(zhuǎn)速，顯然這一轉(zhuǎn) 速低于同步速。 當控制電壓降低時，有效信號系數(shù)變小，磁場的橢圓度變大，反向旋轉(zhuǎn)磁場及相應(yīng)的制 動轉(zhuǎn)矩增大，因此電機的理想空載轉(zhuǎn)速B9之降低。 7. 幅值控制的兩相感應(yīng)伺服電動機，有效信號系數(shù)冬習時，電機的理想空載轉(zhuǎn)速是多少？ 若采用幅值?相位控制，并按起動時獲得圓形

19、旋轉(zhuǎn)磁場選擇電容和控制繞組電圧，電機的理 想空載轉(zhuǎn)速能否達到同步轉(zhuǎn)速？為什么？ 答：對于幅值控制的兩相感應(yīng)伺服電機，當冇效信號系數(shù)0=1時，理想空載轉(zhuǎn)速等于 同步轉(zhuǎn)速。 對于幅值-相位控制的兩相感應(yīng)伺服電機，若按起動時獲得圓形旋轉(zhuǎn)磁場選擇電容和控 制繞組電壓，電機的理想空載轉(zhuǎn)速達不到同步轉(zhuǎn)速。因為當電動機旋轉(zhuǎn)后便成為橢圓型旋轉(zhuǎn) 磁場，由于反向旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的反向轉(zhuǎn)矩的作用，理想空載轉(zhuǎn)速將低于同步轉(zhuǎn)速。 8. 兩相感應(yīng)伺服電動機為何常采用中頻電源供電？ 答：為了提高控制精度，希望伺服電動機的調(diào)節(jié)特性為線性。但兩相感應(yīng)伺服電動機調(diào) 節(jié)特性的線性度較差，只在轉(zhuǎn)速很低（轉(zhuǎn)速標么值很?。r近似為線

20、性關(guān)系。因此為了使伺 服電動機能工作在調(diào)節(jié)特性的線性范圍內(nèi)，應(yīng)使其始終在較小的轉(zhuǎn)速標么值下運行，這樣, 為了提高電機的實際運行轉(zhuǎn)速，就需提高伺服電動機的同步轉(zhuǎn)速，所以常采用中頻電源供電。 9. 如何改變兩相感應(yīng)伺服電動機的轉(zhuǎn)向？為什么？ 答：當控制電壓相對于勵磁電壓的相位由滯后變?yōu)槌埃ɑ蚍粗姍C的轉(zhuǎn)向就會改 變。這可以通過將控制繞組（或勵磁繞組）的兩端對調(diào)實現(xiàn)，對調(diào)后控制電壓（勵磁電壓） 反相，其與勵磁電壓（控制電壓）相位的超前滯后關(guān)系隨之改變。 10. 機械特性非線性和有效信號系數(shù)大小對兩相感應(yīng)伺服電動機的動態(tài)性能各有何影響？ 答：考慮機械特性的非線性，兩相感應(yīng)伺服電動機轉(zhuǎn)速隨

21、時間的變化規(guī)律己經(jīng)不再呈指 數(shù)函數(shù)關(guān)系，其動態(tài)性能將優(yōu)于線性機械特性時。但由于實際兩相感應(yīng)伺服電動機的“值不 超過0.2,因而忽略非線性對機電時間常數(shù)的影響造成的誤差不超過22%,因此機械特性非 線杵?對兩相感應(yīng)伺服電動機動態(tài)性能的影響不大，其作用常可忽略。 有效信號系數(shù)對動態(tài)性能的彫響較為顯著，隨著有效信號系數(shù)的減小，控制電壓降低, 兩相感應(yīng)伺服電動機的動態(tài)性能會變差，當控制電壓較小時，其過渡過程時間可延長約一倍. 11. 兩相感應(yīng)伺服電動機的主要性能指標有哪些？各是如何定義的2 答：兩相感應(yīng)伺服電動機的主要性能指標有： （1） 空載始動電壓U,o：在額定勵磁電壓和空我情況下，使轉(zhuǎn)子

22、在任意位置開始連續(xù) 轉(zhuǎn)動所需要的最小控制電壓? （2） 機械特性非線性度km：在額定勵磁下，將任意控制電壓時的實際機械特性與線性 機械特性在轉(zhuǎn)矩Z = 1； /2時的速度偏差A(yù)n與空裁轉(zhuǎn)速％之比的百分數(shù)定義為機械特性 的非線性度. （3） 調(diào)節(jié)特性的非線性度?：在額定勵磁電壓和空載情況下，當匕=0.7時，實際調(diào) 節(jié)特性與線性調(diào)節(jié)特性的轉(zhuǎn)速偏差△!】與匕=1時的空我轉(zhuǎn)速％之比的百分數(shù)定義為調(diào)節(jié) 特性的非線性度。 （4） 機電時間常數(shù)rm：對伺服電動機而言，機電時間常數(shù)是反映電機動態(tài)響應(yīng)快速性 的一項重要指標，在技術(shù)數(shù)據(jù)中給出的機電時間常數(shù)是用對稱狀態(tài)下的空載轉(zhuǎn)速％代替同 步轉(zhuǎn)速按照下式計

23、算所得幾= 0.1047 /1；0 ,式中Tko為對稱狀態(tài)下的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。 12. 何為兩相感應(yīng)伺服電動機的額定狀態(tài)？額定功率含義如何？ 答：當電動機處于對稱狀態(tài)時，其輸出功率是隨轉(zhuǎn)速變化的，當轉(zhuǎn)速接近空載轉(zhuǎn)速的一 半時，輸出功率最大，通常就把這個點規(guī)定為兩相感應(yīng)伺服電動機的額定狀態(tài)。電機可以在 這個狀態(tài)下長期連續(xù)運轉(zhuǎn)而不過熱。這個最大的輸出功率就是電動機的額定功率。 13. 一臺兩極的兩相感應(yīng)伺服電動機，勵磁繞組通以400Hz的交流電，當轉(zhuǎn)速n=18000r/min 時，使控制電壓Uc=0,問此瞬時： （1） 正、反向旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的速率（即轉(zhuǎn)差率）為多少？ （2） 正、反向旋

24、轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子電流的頻率各為多少？ （3） 正、反向旋轉(zhuǎn)磁場作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩方向和大小是否一樣？哪個大P為什么？ 解：(1)電機的同步速“讐讐= 24。。。皿 轉(zhuǎn)子導(dǎo)體相對于正向旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)羞率為 11. 一 11 $ 11. 24000 -18000 = =0.25 24000 轉(zhuǎn)子導(dǎo)體相對于反向旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)差率為 s = = 2-s+ = 2-0.25 = 1.75 (2)正向旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子電流的頻率為 f^. = s+f = 0.25 x 400 = 100Hz 反向旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子電流的頻率為 f

25、= sf = 1.75x400 = 700Hz (3)不一樣。正向旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同，反向旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的電磁 轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反。在控制電壓6=0的瞬時，反向旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于正向 旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩。這是因為對于兩相感應(yīng)伺服電動機，為了避免自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子電 阻必須足夠大，以使單相供電時正、反向旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的合成電磁轉(zhuǎn)矩在整個電動機運行范 圍內(nèi)為負值 14. 有一臺兩相感應(yīng)伺服電動機，己知歸算到勵磁繞組的轉(zhuǎn)子電阻和勵磁電抗為r；=2Xn, 若忽略定子繞組電阻和定、轉(zhuǎn)子繞組漏抗，試計算采用幅值控制和幅值位控制并在起動 時荻得圓形旋轉(zhuǎn)磁場兩種情況下，它們的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)

26、矩之比是多少？幅值-相位控制時電容容抗 乂‘應(yīng)為Xn的多少倍？ 解：由兩相感應(yīng)伺服電動機的等效電路，在上述己知條件下，歸算到勵磁繞組的堵轉(zhuǎn)電 阻和電抗分別為 若釆用幅值?相位控制，并要求起動時為圓形旋轉(zhuǎn)磁場，則勵磁繞組應(yīng)串聯(lián)的電容容抗 為 時十 X； _(1：/5尸十(21：/5)2 X& 一 2

27、5）3 + （0.5r；-2r；/5）2 < pck2 = 21；耳=2x^pr-xy = 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的比值為 15. 一臺400Hz的兩相感應(yīng)伺服電動機，控制繞組和勵磁繞組的冇效匝數(shù)比kf=l,當勵磁 繞組電壓Uf=110 V,而控制繞組電壓Uc=0時，測量勵磁電流為If=0 2A,若將If中的無功 分量用并聯(lián)電容補償之后，測得有功分量広=0 1A,試問： （1） 電機的堵轉(zhuǎn)阻抗Kdc和Xk各等于多少？ （2） 如果采用幅值-相位控制，為在起動時獲得圓形旋轉(zhuǎn)磁場，應(yīng)在勵磁繞組中串多大電 容？若電源電壓Ui=110V,此時控制電壓5應(yīng)為多大？勵磁繞組電壓Uf為多少？

28、 Uf 110 解：（1）由題意可知，堵轉(zhuǎn)阻抗為zck =—=—— = 550 0 If 0.2 當勵磁電流為0 2A時，其有功分量為0 1A,因此有 Rtk = Zck cos0= 550 x0.5 = 275 Q Xck = Zck sin（p= 550x0.866 = 4763 Q （2）為在起動時獲得圓形旋轉(zhuǎn)磁場，電容的容抗應(yīng)為 275?十476?3, 4763 = 635.10  相應(yīng)電容值Ca = = = 0.6265嚴 6?^ 2^x400x635.1 有效信號系數(shù)應(yīng)為"許芻"2 相應(yīng)地，控制繞組電壓應(yīng)為Uc = a\J： = ?

29、 ^- = 1.732- — = 190.5 V 心 1 電容電壓為 Uca = - U] =也=-/ 門0 X635.1 = 220V 屁 + (Xca - Xck)2 7275： + (635.1-476.3)2 根據(jù)電壓相量圖，考慮到此時6應(yīng)領(lǐng)先"AO。電角度，故勵磁繞組電壓為 U f = yfu^ -Uf = V2202-1102 = 190.5 V 可見，勵磁電壓與控制電壓大小相等，相位差90。電角度 16. 三相感應(yīng)電動機變頻調(diào)速中，為什么要在變頻的同時變壓？試畫出通常采用的電壓■頻 率協(xié)調(diào)關(guān)系，并說明為什么要采用這樣的電壓■頻率關(guān)系。 答：在三相感應(yīng)電動機變頻

30、調(diào)速過程中，通常希里電機的磁通近似保持不變。因為如果 磁通減少，意味著電動機的鐵心沒有得到充分利用，是一種浪費；如果磁通過分增加，又會 使鐵心飽和，引起定子電流勵磁分重的急劇増加，導(dǎo)致功率因數(shù)下降，損耗增加，電機發(fā)熱 等一系列問題。為此在感應(yīng)電動機變頻調(diào)速過程中，需進行電壓■頻率協(xié)調(diào)控制，使電動機 的電壓隨著頻率的變化而變化，即必須在變頻的同時變壓。 通常采用的電壓-頻率協(xié)調(diào)關(guān)系如圖所示，在基頻以下采用恒壓頻比或帶低頻補償?shù)暮?壓頻比控制，基頻以上為恒壓變頻。 在三相感應(yīng)電動機中，感應(yīng)電動勢E<=4 44曬】。吋 考慮到定子漏阻抗壓降相對較小，若忽略其影響，則有定 子電壓U5=Eg=4 4

31、4fNkxi %，這意味著若要使磁通少m近 似不變，電壓應(yīng)隨頻率成比例變化，即應(yīng)采用恒壓頻比控 制。當計及定子電阻壓降的影響，采用恒壓頻比控制時的 轉(zhuǎn)矩最大值會隨著頻率的降低而下降，低頻時由于定子電阻壓降的相對值較大，最大轉(zhuǎn)矩下 降較多，會影響電動機的帶較能力。對于恒轉(zhuǎn)矩負我，往往要求在整個調(diào)速范圍內(nèi)過我能力 不變，因此希望變頻運行時不同頻率下的最大轉(zhuǎn)矩保持恒定，為此通常需在低頻時進行電壓補償，即在u,/f尸常數(shù)的基礎(chǔ)上，適當提高低頻時的電壓，以補償定子電阻壓降的影響。 當頻率達到額定頻率時，電機端電壓己達到額定值，因此在基頻以上運行時，若要保持 磁通恒定，所要求電壓將大丁?額定電壓，考

32、慮到逆變器輸出電壓及電動機額定電壓的限制, 基頻以上通常采用恒壓變頻，即使U產(chǎn)U,N,此時電機的磁通將隨著頻率增加而減小。 17. 試說明三相感應(yīng)電動機矢量控制的基本思想。 答：三相感應(yīng)電動機矢量控制的基本思想是：借助于坐標變換，把實際的三相感應(yīng)電動 機等效成兩相旋轉(zhuǎn)坐標系中的直流電動機。在一個適當選擇的兩相旋轉(zhuǎn)坐標系中，三相感應(yīng) 電動機具有與直流電動機相似的轉(zhuǎn)矩公式，且定子電流中的轉(zhuǎn)矩分量與勵磁分量可以實現(xiàn)解 耦，分別相當于直流電動機中的電樞電流和勵磁電流，這樣在該坐標系中三相感應(yīng)電動機就 可以像直流電動機一樣進行控制，從而使得三相感應(yīng)電動機具有與直流伺服電動機相似的動 態(tài)性能

33、。 18何謂坐標變換？交流電機分析與控制中坐標變換的物理意義是什么？ 答：從數(shù)學(xué)的角度看，所謂坐標變換就是將方程中原來的變量用一組新的變量代替，或 者說用新的坐標系去替換原來的坐標系?從物理意義上看，電機分析與控制中的坐標變換可 以看作是電機繞組的等效變換。 19設(shè)有一臺三相感應(yīng)電動機，定子繞組通入角頻率為◎的三相對稱正弦電流 iA = >/2I cos(ojt + (p) iB = >/2I cos(?t + 0-120 ) L = >/2I cos(?t + 0+120 ) 試求： （1）通過三相-兩相變換變換到OCp坐標系中的兩相電流応、如 （2）在以砌旋轉(zhuǎn)的同步dq坐

34、標系中的兩相電流id、h （設(shè)t=0時d軸與A軸重合）。 解：（1） ocp坐標系中的兩相電流1?、ip為 a >/2I COS(?t + ① y/2I cos⑷t + 0-120 ) y/Il COS(O]t + 0+12O ) /jj r cos(?t+0) L sin(ait + ? （2）設(shè)某時刻d軸領(lǐng)先A軸的電角度為&則dq坐標系中的兩相電流為 COS ⑷ t +（P） siigt + 0） 若dq坐標系的轉(zhuǎn)速為他，且t=0時d軸與A軸巫合，則有 代入上式，得 COS0 sin? 可見，dq坐標系中的電流為直流。 20?何謂“偽靜止

35、”繞組？在兩相靜止的ocp坐標系和同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標系中，三相感應(yīng)電 動機的定、轉(zhuǎn)子繞組哪些是“偽靜止”繞組？ 答：偽靜止繞組具有靜止和旋轉(zhuǎn)雙重屬性：一方面從產(chǎn)生磁場的角度講，它相當于靜止 繞組，繞組電流產(chǎn)生的磁動勢軸線在空間靜止不動;但另一方面從產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的角度講, 繞組又具有旋轉(zhuǎn)的屬性，即除了因磁場變化而在繞組中產(chǎn)生變壓器電動勢外，繞組還會因旋 轉(zhuǎn)而產(chǎn)生速度電動勢。 在ocp坐標系中，轉(zhuǎn)子繞組為偽靜止繞組，定子繞組是真正的靜止繞組；而在同步旋轉(zhuǎn) 的dq坐標系中，三相感應(yīng)電動機的定、轉(zhuǎn)子繞組均為偽靜止繞組(轉(zhuǎn)速尊于同步速時除外)。 21 ?何謂按轉(zhuǎn)子磁場定向的MT坐標系？試寫出在按

36、轉(zhuǎn)子磁場定向的坐標系中感應(yīng)電動 機的基本方程，推導(dǎo)其矢量控制方程，并據(jù)此說明感應(yīng)電動機的矢量控制原理。 答:所謂按轉(zhuǎn)子磁場定向,是指使dq坐標系的d軸始終與轉(zhuǎn)子磁鏈矢量％的方向一致， 為了與未定向的dq坐標系加以區(qū)別，常將定向后的d軸改稱M (Magnetization)軸，柑應(yīng) 地q軸改稱T (Torque)軸，定向后的坐標系稱為按轉(zhuǎn)了?磁場定向的MT坐標系。 在按轉(zhuǎn)子磁場定向的bfT坐標系中，定子電壓方程和定子磁鏈方程分別為 二 RAt + PHt + ^Wm 轉(zhuǎn)子電壓方程和轉(zhuǎn)子磁鏈方程為 轉(zhuǎn)矩公式為 屮T ~ L12*5M + 0 = Li2^t + Smifr -

37、 Te = — Pn“iiT 由轉(zhuǎn)子磁鏈方程，將轉(zhuǎn)子電流用轉(zhuǎn)子磁鏈和定子電流表達，然后代入轉(zhuǎn)子電壓方程和轉(zhuǎn) 矩公式，可得下述矢量控制方程： ,M =平乜0「或“=占呂山， L12 T「p+1 由矢量控制方程可見，轉(zhuǎn)子磁鏈％僅由定子電流的M軸分量l,M產(chǎn)生，與T軸分量vr 無關(guān)，而電磁轉(zhuǎn)矩由轉(zhuǎn)子磁鏈0和燈共同決定，在處一定的情況下，電磁轉(zhuǎn)矩與1ST成正比。 因此在按轉(zhuǎn)子磁場定向的MT坐標系中，產(chǎn)生有效磁場（轉(zhuǎn)子磁鏈％）的勵磁分量， 相當于直流伺服電動機中的勵磁電流切稱為定子電流的勵磁分就，通過控制1,M可以控制 0的大小；而定子電流的T軸分量燈是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的有效分量，相當于直流伺服電

38、動機 的電樞電流la，稱為定子電流的轉(zhuǎn)矩分量.由于lsT不影響轉(zhuǎn)子磁鏈S，所以定子電流的轉(zhuǎn) 矩分疑和勵磁分戢是解耦的，它們分別對轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響，因此在按轉(zhuǎn)子磁場定向的入仃坐標 系中我們可以象在直流電機中分別控制電樞電流和勵磁電流--樣，通過對IsT和isM的控制實 現(xiàn)對感應(yīng)電動機動態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子磁鏈的控制。 22.感應(yīng)電動機矢量控制系統(tǒng)中，何謂直接定向矢量控制？何謂間接定向矢量控制？其MT 坐標系各是如何確定的？ 答：感應(yīng)電動機矢量控制系統(tǒng)中，根據(jù)按轉(zhuǎn)子磁場定向MT坐標系M軸空間位覆角& 的確定方法不同，分為直接定向和間接定向兩大類。 在直接定向矢最控制系統(tǒng)中，&角通過反饋的方式產(chǎn)生，即

39、根據(jù)有關(guān)量的實測值通過 各種轉(zhuǎn)子磁鏈模型計算轉(zhuǎn)子磁鏈的大小及其空間位置角&,故也叫做磁通檢測型或磁通反饋 型矢量控制。直接定向矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子磁鏈檢測方法有多種，例如：可以根據(jù)定子電流 和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的實測值，通過電流模型法獲得。 間接定向矢量控制系統(tǒng)中，8角以前饋的方式產(chǎn)生，即由給定值利用轉(zhuǎn)差公式獲得， 故也叫做前饋型或轉(zhuǎn)差型矢量控制。 轉(zhuǎn)差型矢量控制中，根據(jù)轉(zhuǎn)差公式為=丑，利用轉(zhuǎn)子磁鏈給定值幺?和定子電流轉(zhuǎn) 矩分量給定值vr*計算轉(zhuǎn)差頻率給定值砂盧，◎盧與實測轉(zhuǎn)速如Z和即為M軸的旋轉(zhuǎn)角速度 切*,其積分即為M軸的空間位置角& 23.在按轉(zhuǎn)子磁場定向的MT坐標系中，為什么感應(yīng)電動機定

40、子電流有T軸分量（v#0） 而轉(zhuǎn)子磁鏈卻無T軸分量（艸=0） ? 答：由MT坐標系中的T軸轉(zhuǎn)子磁鏈方程幺t = Li丄t + J=t = 0可知，轉(zhuǎn)子T軸電流 i,T = -皿，這意味著轉(zhuǎn)子T軸電流產(chǎn)生的自感磁進3遼=-11壷T，即該磁鏈與定子電 流T軸分量燈在轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的互感磁鏈大小相等、極性相反，因此"在轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的 互感磁鏈全部被轉(zhuǎn)子T軸電流產(chǎn)生的自感磁鏈所抵消，故轉(zhuǎn)子磁鏈并無T軸分量。 第3章無刷永磁伺服電動機 1.無刷永磁伺服電動機中，表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)各有何特點？ 答：表面式轉(zhuǎn)子的永磁體通常呈瓦片形，通過壞氧樹脂粘貼等方式直接固定在轉(zhuǎn)子鐵心 農(nóng)面上，由于永磁

41、體的磁導(dǎo)率與氣隙相近，因此其交、直軸磁路磁阻基本相同，屬于隱極式 同步電動機；內(nèi)置式轉(zhuǎn)子的永磁體位于轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)部，由于直軸磁通的磁路除了通過氣隙和 鐵心外尚需穿過兩個永磁體，這相當于在直軸磁路上串聯(lián)了兩個長度等于永磁體厚度的氣隙, 使直軸磁路磁阻大于交軸磁路，因此屬于凸極同步電動機。 2?同步電動機變頻調(diào)速中，何謂他控變頻？何謂自控變頻？永磁同步伺服電動機通常采用 何種變頻方式？為什么？ 答：他控變頻是抬用獨立的變頻裝置給同步屯動機供電，通過直接改變變頻裝置的輸 出頻率調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，是一種頻率開壞控制方式。 自控變頻方式中所用的變頻裝置足非獨立的，其輸出電流（電壓）的頻率和相位受反

42、映轉(zhuǎn)子磁極空間位崑的轉(zhuǎn)子位置信號控制，是一種定子繞組供電電源的頻率和相位自動跟蹤 轉(zhuǎn)子磁極空間位置的閉壞控制方式。 永磁同步伺服電動機通常采用自控變頻方式。 他控變頻時，當頻率給定值一定，變頻器的輸岀頻率恒定，此時電機的運行情況與恒 頻電源供電時無異，也會產(chǎn)生恒頻電源供電時的振蕩、失步等現(xiàn)象。而自控變頻中由于電動 機輸入電流的頻率始終和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速保持同步，不會出現(xiàn)振蕩和失步，因此永磁同步伺服電 動機通常采用自控變頻方式。 3. 無刷永磁電動機伺服系統(tǒng)主要由哪幾部分組成？試說明孑部分的作用及它們之間的相互 關(guān)系。 答：無刷永磁電動機伺服系統(tǒng)主要由4個部分組成：永磁同步電動機SM、轉(zhuǎn)子位置

43、傳 感器PS、逆變器和控制器。由轉(zhuǎn)子位遏傳感器產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁極的空間位宣信號，并將其提供 給控制器；控制器根據(jù)來自外部的控制信號和來自位宜傳感器的轉(zhuǎn)子位宜信號，產(chǎn)生逆變器 中各功率開關(guān)器件的通斷信號;最終由逆變器將輸入直流電轉(zhuǎn)換成具有相應(yīng)頻率和相位的交 流電流和電壓，供給伺服電動機。 4. 正弦波永磁同步電動機和無刷直流電動機的主要區(qū)別是什么？兩種電機在結(jié)構(gòu)上有何差 別？ 答：正弦波永磁同步電動機的感應(yīng)電動勢應(yīng)為正弦波，為了產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩，定子繞組應(yīng) 通入止弦波電流；而無刷直流電動機的感應(yīng)電動勢應(yīng)為梯形波，為了產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩，定子繞 組電流應(yīng)為方波。 無刷直流電動機中，為了得到平頂部分具有足夠?qū)?/p>

44、度的梯形波感應(yīng)電動勢，轉(zhuǎn)子常采用 農(nóng)面式或嵌入式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子磁鋼呈弧形（瓦片形），并采用徑向充磁方式，這樣磁極下的氣 隙均勻，永磁體產(chǎn)生的勵磁磁場的空間分布接近于矩形波或梯形波，定子方面若采用整距集 中繞組，就可以得到近似為梯形波的感應(yīng)電動勢。由干內(nèi)置式轉(zhuǎn)子很難產(chǎn)生梯形波感應(yīng)電動 勢，無刷直流電動機一般不宜采用這種結(jié)構(gòu)。 正弦波永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子既可以采用表面式和嵌入式結(jié)構(gòu)，也可以采用內(nèi)置式結(jié)構(gòu)。 為產(chǎn)生正弦波感應(yīng)電動勢，設(shè)計時應(yīng)使氣隙磁密盡可能呈正弦分布。以表面式結(jié)構(gòu)為例，在 正弦波永磁同步電動機中，轉(zhuǎn)子磁鋼表面常呈拋物線形，并采用平行充磁方式；定子方面采 用短距分布繞組或正弦繞組，以最大

45、限度地抑制諧波磁場對感應(yīng)電動勢波形的影響。 5. 為什么說無刷直流電動機既可以看作足直流電動機，又可以看作是一種自控變頻同步電 動機系統(tǒng)？ 答：無刷直流電動機是由直流電動機發(fā)展而來的，其出發(fā)點是用由轉(zhuǎn)子位置傳感器和逆 變器構(gòu)成的電子換向器取代有刷直流電動機的機械換向器，把輸入直流電流轉(zhuǎn)換成交變的方 波電流輸入多相電樞繞組，其轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生方式、控制方法和運行性能都與直流電動機十分相似， 由于省去了機械換向器和電刷，故得名為無刷直流電動機。但是從另一方面看，就電動機本 體而言，無刷直流電動機與正弦波永磁同步電動機差別不大；從控制系統(tǒng)的角度看，無刷直 流電動機也是由逆變器供電的，并且工作在自控變頻方

46、式或自同步方式下，因此它又是一種 自控變頻同步電動機系統(tǒng)。 6. 簡述工作于二相導(dǎo)通三相六狀態(tài)的三相無刷直流電動機的工作原理. 答：無刷直流電動機運行時，由控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極的空間位置，改變逆變器g?功率開 關(guān)的通斷狀態(tài)，以控制電樞繞組的導(dǎo)通情況及繞組電流的方向，即實現(xiàn)繞組電流的換相，在 直流電流一定的情況下，使永磁磁極所覆蓋線圈邊中的電流方向及大小均保持不變，導(dǎo)體所 受電磁力在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的反作用轉(zhuǎn)矩的大小和方向也保持不變，從而推動轉(zhuǎn)子不斷旋轉(zhuǎn)。對 于工作在二相導(dǎo)通三相六狀態(tài)的三相無刷直流電動機，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60"電角度，就進行一 次換相，使繞組導(dǎo)通情況改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一對磁極，對應(yīng)于36

47、0°電角度，需進行6次 換榊，相應(yīng)地定子繞組有六種導(dǎo)通狀態(tài)，而在每個60。區(qū)間只有兩相繞組同時導(dǎo)通，另外 一相繞組電流為零。 7. 為什么說在無刷直流電動機中轉(zhuǎn)子位置傳感器和逆變器起到了 “電子換向器”的作用？ 答：根據(jù)直流電動機的工作原理，為了能產(chǎn)生大小、方向均保持不變的電磁轉(zhuǎn)矩，毎一 主磁極下電樞繞組元件邊中的電流方向應(yīng)相同并保持不變，但因每一元件邊均隨轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn) 而輪流經(jīng)過N、S極，故各元件邊中的電流方向必須用應(yīng)交替變化，即必須為交變電流。在 有刷直流電動機中，把外部輸入直流電變換成電樞繞組中的交變電流是由電刷和機械式換向 器完成的，每當一個元件邊經(jīng)過幾何中性線由N極轉(zhuǎn)到S極下或由S

48、極轉(zhuǎn)到N極下時，通 過電刷和機械換向器使繞組電流改變方向。 而在無刷直流電動機中將直流電動機反裝，即將永磁體磁極放在轉(zhuǎn)子上，而電樞繞組成 為靜止的定子繞組，為了使定子繞組中的電流方向能隨其線圈邊所在處的磁場極性交替變化, 將定子繞組與逆變器連接，并安裝轉(zhuǎn)子位置傳感器，以檢測轉(zhuǎn)子磁極的空間位置，由轉(zhuǎn)子磁 極的空間位置，確定電樞繞組g?線圈邊所在處磁場的極性，據(jù)此控制逆變器中功率開關(guān)器件 的通斷，從而控制電樞繞組的導(dǎo)通情況及繞組電流的方向，顯然在這里轉(zhuǎn)子位置傳感器和逆 變器起到了 “電子換向器”的作用。 8. 無刷直流電動機的電樞磁動勢有何特點？ 答：無刷直流電動機的電樞磁動勢不是勻速旋轉(zhuǎn)的

49、圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢，而是跳躍式前進的 步進磁動勢，對于工作在二相導(dǎo)通三相六狀態(tài)方式的三相無刷直流電動機，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60° 電角度，電樞磁動勢跳躍前進60° ,電樞磁動勢領(lǐng)先轉(zhuǎn)子磁動勢的電角度始終保持在60° -120°之間。 9. 試畫出理想情況下三相無刷直流電動機的感應(yīng)電動勢和繞組電流波形，并據(jù)此說明英轉(zhuǎn) 矩無脈動條件。 答：感應(yīng)電動勢和繞組電流波形圖略。 三相無刷直流電動機的瞬時轉(zhuǎn)矩為 考慮到任意時刻三相繞組中只有兩相導(dǎo)通，設(shè)上橋臂導(dǎo)通相的感應(yīng)電動勢、電流分別為 en 11.下橋臂導(dǎo)通相的感應(yīng)電動勢和電流為匕、12,考慮到n=-i2=Id,則有 勺斤+勺4 _ （勺一勺）—

50、 可見，在一定轉(zhuǎn)速下要實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩無脈動的話，繞組電流Id和導(dǎo)通兩相的線電動勢（ei-e2） 均應(yīng)保持恒定，為此，繞組電流應(yīng)為120。的矩形波，且導(dǎo)通兩相均應(yīng)始終處于電動勢波形 的平頂部分，即梯形波電動勢的平頂寬度應(yīng)大于120°電角度，同時換相時刻必須準確。 10. 試比較無刷直流電動機和有刷直流電動機的轉(zhuǎn)矩公式、轉(zhuǎn)速公式和機械特性。 答：有刷直流電動機和無刷直流電動機的感應(yīng)電動勢、轉(zhuǎn)矩公式、轉(zhuǎn)速公式和機械特性 方程如表所示. 有刷直流電動機 無刷直流電動機 感應(yīng)電動勢 E. = C.D1 Ep = K.n 轉(zhuǎn)矩公式 Z = c帆 Z = KtId 轉(zhuǎn)速公式 eg eg

51、 Ud R T n= — I, 2瓦Ke 機械待性方程 n=U. - K A eg c.cp Ud R F n - d 一 t 2K° KeKt 考慮到氐與永磁體在定子繞組產(chǎn)生的永磁磁鏈成正比，而Kt = —Ke,可見無刷直流 H 電動機和有刷直流電動機的相應(yīng)公式在形式上相同。 11. 工作在二相導(dǎo)通三相六狀態(tài)方式的三相無刷直流電動機，對轉(zhuǎn)子位置信號有何要求？如 何根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號得到逆變器各功率開關(guān)的控制信號？ 答：工作在二相導(dǎo)通三相六狀態(tài)方式的三相無刷直流電動機，其轉(zhuǎn)子位罷信號應(yīng)為三路 高低電平各為180°、相位依次差120。（或者60° ）電角度的方波信號，而且

52、三路方波信 號的跳變時刻應(yīng)該與換相時刻對應(yīng)，即應(yīng)滯后各相感應(yīng)電動勢過零點30°電角度。 若無刷直流電動機采用微處理器控制，可以將三路位置信號作為3位二進制數(shù)由I/O 端口輸入，由于轉(zhuǎn)子處于不同的60。區(qū)間，其所形成的3位二進制數(shù)代碼不同，微處理器可 根據(jù)這3位二進制代碼，判斷轉(zhuǎn)子所在60。區(qū)間，并據(jù)此產(chǎn)生逆變器功率開關(guān)的通斷信號. 各功率開關(guān)的控制信號也可以由硬件譯碼電路產(chǎn)生，由三路位置信號通過邏輯運算就可 以得到六個功率開關(guān)的導(dǎo)通信號，這種譯碼電路常稱為換相邏輯電路。不同運行狀態(tài)下各功 率開關(guān)的驅(qū)動信號與位置信號的邏輯關(guān)系見教材表3-1. 12. 無刷直流電動機如何調(diào)速？當采用PWM控制

53、時，何謂反饋斬波方式？何謂續(xù)流斬波方 式？何謂PWM電壓控制？何謂PWM電流控制？ 答：無刷直流電動機既可以通過改變直流電壓Ud調(diào)速，也可以在直流電源電壓5—定 的情況下，通過對逆變器的功率開關(guān)進行PWM控制，連續(xù)地調(diào)節(jié)施加到電動機繞組的平均 電壓和電流，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。 反饋斬波：對上、卜橋臂兩只功率開關(guān)同時進行PWM控制。 續(xù)流斬波：只對上、下橋臂中的一只功率開關(guān)施加PWM信號，另一只功率開關(guān)保持導(dǎo) 通狀態(tài)，即另一只開關(guān)僅受換相邏輯控制，而不受PWM信號影響. PWM電壓控制：直接通過改變占空比調(diào)節(jié)施加到定子繞組的電壓平均值。 PWM電流控制：根據(jù)電流實測值與給定值的偏差產(chǎn)生P

54、WM控制信號，對電流瞬時值 進行控制，以使電流實際值跟蹤其給定值的PWM方式。 13. 無刷直流電動機如何實現(xiàn)再生制動運行？如何實現(xiàn)反轉(zhuǎn)？ 答：由無刷直流電動機的工作原理可知，當轉(zhuǎn)子磁極處于某一空間位置時，只要改變N、 S極下導(dǎo)通繞組中電流的方向，就可以改變所產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的方向，因此只要使各相繞組電 流波形與正向電動狀態(tài)時反相，就可以使無刷直流電動機由正向電動運行轉(zhuǎn)入正向制動運行 狀態(tài)。即正向制動狀態(tài)下，在各柑電動勢波形正半波平頂部分應(yīng)使繞組流過反向電流，在各 相感應(yīng)電動勢負半波平頂部分，應(yīng)使繞組流過正向電流。這可以通過改變各功率開關(guān)驅(qū)動信 號與位置信號的關(guān)系實現(xiàn)，對應(yīng)于正向電動狀態(tài)的上

55、橋臂導(dǎo)通信號，在正向制動狀態(tài)下應(yīng)作 為該相下橋臂導(dǎo)通信號，反之亦然。 與此類似，通過改變各功率開關(guān)驅(qū)動信號與位置信號的關(guān)系，就可以使電機反向旋轉(zhuǎn), 在反向運轉(zhuǎn)時同樣有反向電動和反向制動兩種運行狀態(tài)。 14. 在無刷直流電動機中，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動的主要因素有哪些？ 答：理想情況下，三相無刷直流電動機相繞組感應(yīng)電動勢為平頂寬度大于120。的梯形 波，繞組電流為正、負半波各120。電角度的方波，瓦方波電流與梯形波電動勢相位一致， 則無刷直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩無脈動，但對于實際電動機上述理想條件很難滿足。 首先，就感應(yīng)電動勢波形而言，既與永磁勵磁磁場的空間分布有關(guān)，又與定子繞組結(jié)構(gòu) 及是否采用斜槽等

56、有關(guān)，平頂寬度可能小于匕0。電角度。 其次，就繞組電流波形而言，由于電樞繞組電感的存在，繞組電流不能突變，一相繞 組關(guān)斷、另一相繞組導(dǎo)通的換相不可能瞬間完成，需要一個過程，稱為換相過程。當逆變器 采用PWM控制時，還會使繞組電流產(chǎn)生紋波。因此實際電流波形并不是120。的方波。 感應(yīng)電動勢波形和繞組電流波形與理想波形的偏差均會導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩脈動。其中由繞組 電流換相引起的換相轉(zhuǎn)矩脈動影響最大，換相期間可能產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)矩尖郵。 此外，由于定子齒槽存在所產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩，也是導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動的一個因素。如果因 換相時刻不準確導(dǎo)致繞組電流相位與感應(yīng)電動勢相位不一致，也會使轉(zhuǎn)矩脈動增大。 15. 在正弦

57、波永磁同步電動機中，何種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩？為什么？為使磁阻轉(zhuǎn)矩與 永磁轉(zhuǎn)矩方向相同，對定子電流有何要求？ 答：當正弦波永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子采用恨入式或內(nèi)置式結(jié)構(gòu)時，會產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn) 子為嵌入式或內(nèi)置式的永磁同步電動機,直軸磁路上由于永磁體的存在使磁阻增大，故3<1勺， 由轉(zhuǎn)矩公式1 =卩」壞口 +山-2）臥］可知，當小h均不為零時，就會產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。 考慮到（Ld-Lj <0,為使磁阻轉(zhuǎn)矩與永磁轉(zhuǎn)矩方向相同，應(yīng)使電動機定子電流的直軸分疑 id<0# 16. 正弦波永磁同步電動機控制中何inid=o控制？為什么表而式永磁同步電動機通常采用 id=o控制？試說明id =0控制的主要優(yōu)缺

58、點。 答：所謂1尸0控制就是在控制過程中始終使定子電流的d軸分量id為零，而僅通過對定 子電流q軸分量h的控制，實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)矩的控制。 id=0控制實現(xiàn)簡單，轉(zhuǎn)矩與定子電流幅值成正比，而且對于表面式正弦波永磁同步電 動機，由于J壬，不產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，圮的大小與電磁轉(zhuǎn)矩無關(guān)，通過使id=0可以使產(chǎn)生給 定轉(zhuǎn)矩所需的定子電流最小，從而減少損耗、提高效率。因此表面式正弦波永磁同步電動機 通常采用id=0控制。 id=o控制也存在一些不足。采用id=0控制時電流矢量&總是滯后電壓矢量心一個卩角， 這意味著電動機運行時的功率因數(shù)總是滯后的，而耳在一定轉(zhuǎn)速下隨著負載轉(zhuǎn)矩的增加，電 流對增大，電壓矢量

59、與電流矢量的夾角0增大，電機的功率因數(shù)降低。另外隨負我增加，所 需的定子電壓矢疑幅值也相應(yīng)增大，因此對變頻器的容疑要求較高.不過對于表面式電機， 由于等效氣隙大，電感Ld主的值很小，因此P角始終較小，上述問題并不嚴重。 對于內(nèi)罷式正弦波永磁同步電動機，由于q軸電感J較大，隨著負載;增加會導(dǎo)致卩角 顯著增大，功率因數(shù)明顯降低，而且同樣情況下所需的定子電壓也較大，考慮逆變器輸出電 壓限制時的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍減少，可見內(nèi)置式永磁同步電動機采用14=0控制時性能不如表 面式。 17. 正弦波永磁同步電動機伺服驅(qū)動系統(tǒng)中如何實現(xiàn)弱磁控制？為什么要進行弱磁控制？ 答：正弦波永磁同步電動機的弱磁控制是通

60、過增加定子直軸去磁電流分量來實現(xiàn)的，即 利用負的定子直軸電流id產(chǎn)生去磁的直軸電樞反應(yīng)磁鏈，部分地抵消永磁勵磁磁鏈的作用， 從而使直軸磁鏈鴨及由此產(chǎn)生的速度電動勢血鴨減少，以降低高速運行時所需的外加電壓， 提高逆變器極限電壓下電動機的轉(zhuǎn)速。 采用弱磁控制可以擴大正弦波永磁同步電動機的調(diào)速范圍。 18. 試比較無刷直流電動機和止弦波永磁同步電動機伺服馳動糸統(tǒng)的主要優(yōu)缺點。 答：理想情況下，無刷直流電動機的感應(yīng)電動勢為平頂寬度大于120。的梯形波，電流 波形為120。的方波，而且電流波形與電動勢波形同相位，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩無脈動。實際匕由 于感應(yīng)電動勢波形不理想及電流換相不能瞬間完成造成電流波形

61、不理想會產(chǎn)生較興的轉(zhuǎn)矩 脈動，影響了其在高性能領(lǐng)域的應(yīng)用，這是其最主要的缺點。此外，由于受感應(yīng)電動勢和繞 組電流波形的限制，無刷直流電動機的轉(zhuǎn)速范圍要比正弦波永磁同步電動機小。無刷直流電 動機的主要優(yōu)點是:控制實現(xiàn)簡單，并且功率密度和轉(zhuǎn)矩/電流優(yōu)于正弦波永磁同步電動機。 正弦波永磁同步電動機感應(yīng)電動勢和繞組電流波形均應(yīng)為正弦波，理想情況下轉(zhuǎn)矩無脈 動，可以實現(xiàn)高性能，在高性能伺服系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。與無刷直流電機相比，其主要 缺點是成本較高，特別是為了實現(xiàn)正弦電流控制需要使用高分辨率的轉(zhuǎn)子位證傳感器，而無 刷貞流電動機的繞組電流每隔60。電角度才換相一次，作為速度伺服時可以使用成本低廉的

62、分辨率為60。的位置傳感器。 19. 正弦波永磁同步電動機矢量控制和三相感應(yīng)電動機矢量控制通常各建立在何種坐標系上? 控制系統(tǒng)實現(xiàn)時其坐標系各如何確定？ 答：正弦波永磁同步電動機欠量控制通常建立在轉(zhuǎn)子dq坐標系上，坐標系的d軸與轉(zhuǎn) 子的磁極軸線重合;三相感應(yīng)電動機的矢疑控制通常建立在按轉(zhuǎn)子磁場定向的MT坐標系上, 其M軸始終與轉(zhuǎn)子磁鏈矢量幺方向-致。 控制系統(tǒng)實現(xiàn)時，正弦波永磁同步電動機的d軸空間位置角通常是由位于電動機非負載 端軸伸上的轉(zhuǎn)子位置傳感器宣接檢測，而三相感應(yīng)電動機的M軸空間位置角需通過各種計 算模型或觀測器進行估算。 第4章步進電動機 1.簡述反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)特點

63、與基本工作原理。 答：反應(yīng)式步進電動機由定、轉(zhuǎn)子組成。定、轉(zhuǎn)子鐵心為硅鋼片疊壓而成，在面向氣隙 的定、轉(zhuǎn)子鐵心表而有齒形相同的小齒。定子為凸極結(jié)構(gòu)，每極上套有一個集中繞組，相對 兩極的繞組串聯(lián)構(gòu)成一相。轉(zhuǎn)子上只有齒槽沒有繞組，轉(zhuǎn)子齒數(shù)與相數(shù)之間應(yīng)滿足 Zr =2ink±2的關(guān)系。以四相八極反應(yīng)式步進電動機為例來敘述其工作原理：定子鐵心無 小齒，相對兩極的繞組串聯(lián)構(gòu)成一相，轉(zhuǎn)子只有六個齒，齒寬等于定子極靴的寬度。當只有 一相通電時，由于磁通具有力圖疋磁阻最小路徑的特點，會使得轉(zhuǎn)子的齒軸線與該相的軸線 相對齊。此時切換到相鄰的下一相通電，轉(zhuǎn)子就會轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，使得相鄰的齒軸線與通 電相繞組軸線

64、對齊，步進電動機疋過了一個步距角，定子繞組輪流導(dǎo)通一次，轉(zhuǎn)子前進一個 齒距角。依此周而復(fù)始，轉(zhuǎn)子就連續(xù)旋轉(zhuǎn)。 2何謂拍。單拍制和雙拍制有何區(qū)別？ 答：電源的通電方式每變換一次，稱為一拍。拍數(shù)等于相數(shù)時稱為單拍分配方式，拍數(shù) 為相數(shù)的兩倍時稱為雙拍分配方式。 3何謂步距角？有幾種表示法？相互關(guān)系如何？ 答：每輸入一個電脈沖信號步進電機所轉(zhuǎn)過的角度，稱為步距角。步距角可以用機械角 度表示，也可以用電角度表示，在數(shù)值上兩者的比值為1/Zr- 4影響步距角大小的因素有哪些？步距角大小對電機性能又有哪些影響？ 答：由步距角的計算公式0, 可知，步距角的大小與運行的拍數(shù)和轉(zhuǎn)子的 ，N NZr

65、 齒數(shù)有關(guān)。步距角越小，步進電動機的控制精度就越高。 5什么叫做矩角特性？什么叫做矩角特性曲線族？ 答：步進電動機的靜態(tài)特性可以由矩角特性來描述。矩角特性是不改變控制繞組通電狀 態(tài)，也就是保持一相或幾相控制繞組通入直流電流時，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子偏角的關(guān)系，即靜態(tài) 轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系t= f（q）。在同一坐標系中，依次畫出各相繞組分別通電時的矩角特 性就是矩角特性曲線族。 6何謂靜穩(wěn)定區(qū)、動穩(wěn)定區(qū)和穩(wěn)定裕度？它們與步距角有什么關(guān)系？ 答：靜穩(wěn)定區(qū)：在失調(diào)角q=o時，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩t = o,該位置稱為穩(wěn)定平衡點。在 ?n<0.

66、矩 （負載）使轉(zhuǎn)子偏離穩(wěn)定平衡點，只要在上述范圍內(nèi)，一旦去掉外力，轉(zhuǎn)子就能在靜態(tài)轉(zhuǎn)矩 的作用下返回到穩(wěn)定平衡點?上述區(qū)間稱為靜穩(wěn)定區(qū)。 動穩(wěn)定區(qū)：在理想空載狀態(tài)F,步進電動機從一種通電狀態(tài)切換到相鄰的另一相通電狀 態(tài)，不至引起失步的區(qū)域，即（?龍+色）<（龍+乞）。 穩(wěn)定裕度:把矩角特性曲線n的穩(wěn)定平衡點0離開曲線（n+1）的不穩(wěn)定平衡點（?才+ QJ 的距離，稱為“穩(wěn)定裕度”。穩(wěn)定裕度為：^.=^-^=^- — = -（111-2） m m 步距角越小，穩(wěn)定與度越大。 7何謂運行矩頻特性和運行頻率？何謂起動矩頻特性、起動慣頻特性和起動頻率？ 答：運行矩頻特性：當控制脈沖頻率達到一定數(shù)值之后，再增加頻率，由于電感的作用 使動態(tài)轉(zhuǎn)矩減小，渦流作用使動態(tài)轉(zhuǎn)矩又進一步減小?？梢姡瑒討B(tài)轉(zhuǎn)矩是電源脈沖頻率的函 數(shù)，把這種函數(shù)關(guān)系稱為步進電動機運行時的轉(zhuǎn)矩一頻率特性，簡稱為運行矩頻特性。 運行頻率：當控制電源的脈沖頻率連續(xù)提高時，莊一定性質(zhì)和大小的負載下，步進電動 機能正常連續(xù)運行時所能加到的最高頻率稱為晨高連續(xù)運行頻率或者最高跟蹤頻率。 起動矩頻特性：在給定驅(qū)動電源的條件下，負