《控制电机》参考答案(李光友)

控制电机（2版）思考题与习题参考答案（机械工业岀版社，李光友等编著）第1章 直流伺服电动机1 台直流电动机，其额定电压为110V,额定电枢电流为04A,额定转速为3600r/min, 电枢电阻为50C,空载阻转矩=0.015Nm,试问电动机的额定负我转矩是多少？解：几=Te - To , Te =警=箸=0.0955N.mn = =12Chr, Ea = U-RaIa = 110 - 50 x 0.4 = 90VTl = 0.0955 一 0.015 = 0.0805N.m2. 一台型号为55SZ54的直流伺服电动机，其额定电压为110V,额定电枢电流为0.46A, 额定转矩为0.093 Nm,额定转速为3000r/min。忽略电动机本身的空载阻转矩T,试求 电机在额定运行状态时的反电动势E,和电枢电阻解：U=Ea + laRa , Te = EaIa/D , Q =醤=2血Ea = = 0,093xl00TT = 63.5 IV, Ra = 110-635 = 101.1Da la0.46a Ia0.463. 伺服电动机型号为 70SZ54 , PN =55W,Un = Uf =110V,效率TN =62.5%,nN =3000r/nmi ,空载阻转矩 =0.0714 Nm。试求额定运行时电动机的电枢电流I寂，电磁转矩反电动势E釈和电枢电阻解：IaN = = 110X0.625 = 0-8A，Tln= =益= 0.175N.m , fl = = 100irTe = Tln + To = 0.175 + 0.0715 = 0.2465N.m. EaN = = 警伽=96.75VU-BaN 110-96.80.=16.504由两台完全相同的直流电机组成的电动机发电机组。它们的励磁电压均为110V电枢绕组电阻均为750。当发电机空我时，电动机电枢加110V电压，电枢电流为0 12A,机组的转速为4500r/mm。试求：（1）发电机空载时的输出电压为多少？ （2）电动机仍加110V电 压，发电机负载电阻为lkC时，机组的转速为多少。解：（1） UF0 = EDa = U - RaIDa0 = 110 -75 x 0.12 = 101 V2) 由爲=CePn 得，C = Ea/n, IDa0=0 12A, n=4500r/min接负裁时,U=c“m + IDJJ CePn1 = IFa(Ra+RL)CePn1IDa = CePn1Ipa + enlDaO解得 I = 0.087 8A,IDa = IFa + IDa0 = 0.0878 + 0.12 = 0.2078A101/45005.试用分析电枢控制时的类似方法，推导出电枢绕组加恒定电压，而励磁绕组加控制电压时直流伺服电动机的机械特性和调节特性。并说明这种控制方式有哪些缺点7答：磁场控制时电枢电压保持不变。机械特性是指励磁电压不变时电动机转速随电磁转 矩变化的关系，即n =冷-詐法=n0 -也。由公式可知，当控制电压加载励磁绕组上， 即采用磁场控制时，随着控制信号减弱，减小，k增大.机械特件变软。调节特性是指电 磁转矩不变时，转速随控制信号变化的关系。由公式可知，n与6为非线性关系，不利于精 确调速。6若直流伺服电动机的励磁电压下降，对电机的机械特性和调节特性将会产生哪些影响？ 答：电枢控制时，若励磁电压下降，减小，k增大，机械特性变软，始动电压变大。7电枢控制的直流伺服电机，当控制电压和励磁电压都不变时，电机轴上的负裁转矩减小，试问这时电机控制电流电磁转矩1；和转速n都会有哪些变化？并说明由原来的稳态到 达新稳态的物理过程。答：励磁电压不变，可近似认为不变。负我转矩减小时，Te减小，由Te = CtPIa得h 减小，U=CePn + IaRa,转速升高物理过程：负载转矩减小时，瞬时电磁转矩大于负载转矩，电动机加速，反电动势升高， 电流下降，电磁转矩下降，直到新的转矩平衡后进入稳态。8直流伺服电动机的机械特性为什么是一条下倾的直线？为什么放大器的内阻越大，机械 特性就越软。答：直流伺服电动机的机械特性为11 =啓-冬当控制电压和励磁电压均不变时, 鬻和云需都是常数，转速n和电磁转矩Te之间是线性关系，且随着电磁转矩Te的增加，转 速n下降，因此机械特性是一条下倾的直线。放大器的内阻对机械特性來说，与电枢电阻是 等价的，电阻越大，II线斜率鴛就越大，机械特性就越软。9直流伺服电动机在不带负戦时，其调节特性有无死区？调节特性死区的大小与哪些因素 有关？答：有死区。山=土 ,死区电压与起始负戦转矩，电枢电阻，励磁电压，电机结构 / J关。10.当直流伺服电机运行在电动机、发电机、反接制动、能耗制动四个状态时，电磁转矩与 转速的方向成什么关系？它们的能疑流向有什么特点2答：电动机：电磁转矩与转速方向相同，电能转化为机械能。发电机：电磁转矩与转速 方向相反，机械能转化为电能.反接制动：电磁转矩与转速方向相反，电能和转子机械能转 化为电机内部的热能。能耗制动：电磁转矩与转速方向相反。转子机械能转化为电机内部的 热能。11试述机电时间常数的物理意义。答：电动机在空戦状态下，励磁绕组加额定励磁电压，电枢加阶跃额定控制电压，转速 从零升到理想空载转速的63 2%所需的时间.12直流伺服电动机当转速很低时会出现转速不稳定现象，简述产生转速不稳定的原因及其 对控制系统产生的影响。答：电枢齿槽的彫响，电枢接触压降的影响，电刷和换向器之间摩擦的影响.造成控制 系统误差。13 一台直流伺服电动机带动恒转矩负栽(即负我转矩保持不变)，测得始动电压= 4V , 当电枢电压为50V时，其转速为1500r/min,若要求转速达到3000r/min,试问要加多大的 电枢电压？解：由题意，畔严=丄，n =譬U-130.4,代入数据得U=96V50-4U-44614 一台直流伺服电动机，其额定电枢电压和励磁电压都为110V,额定电枢电流为0.46A, 额定转速为3000r/min,额定转矩为0.09 Nm,忽略空載阻转矩T。耍求：(1)绘出电枢电压为110V和80V时的机械特性曲线；(2)当负载转矩为0.08 Nm电枢电压为80V时电机的转速；(3)对应于该负我和电压下的堵转转矩T匕和始动电压Ula解：(1)由CtPIa = Ts得.ce =Ii = =0.196, Ce = CeP =-1x0.196 = 0.0205la 0463030H7TEa = Ce 0.0205=3902 r/min曲线略。亠=響8 = 26202CtCe 0.0205 x 0.196(2) n = -kTs =急- 26202 x 0 08=1806 r/mm(3小=也=泄空=(M49NmK Ra105.28Ra105.28Us。= s Ts=0.196 X 0 08 = 42 97 V15己知一台直流伺服电动机的电枢电压Ua =110V,空载电流1 =0.055A,空载转速Hg = 46001711M1 ,电枢电阻Ra = 80Q ,试求：(1)当电枢电压Ua = 67.5V时的理想空載转速1】。和堵转转矩T匕；(2)该电机若用放大器控制.放大器的内阻R = 80Q,开路电ffiUx=67.5V,求这时的理想空我转速1】。和堵转转矩解：(1) U = Ea + IaRa, Ea = U- IaRa = 110 - 80 x 0.055 = 105.6V105.646003030CtP = CH = X 0.023 = 0.219ITITun。=于二总935伽in=0.023,C= 0.219 x 67.5 = Q i85N mRa80l；另外，在制造过程中还应该避免因工艺不良造成控制电压切除 后的气隙磁场不是单相脉振磁场，而是稍有椭圆的旋转磁场。为了实现无“自转”现象，单相供电时电机的合成电磁转矩在整个电动机运行范围内均 应为负值,即在整个机械特性曲线上转速与电磁转矩符号始终相反，此时机械特性位于第二、 四彖限。4. 两相绕组冇效匝数不等的两相感应伺服电动机，若外施两相对称电压，电机中能否得到 圆形旋转磁场？若要产生圆形旋转磁场，两相绕组的外施电压应满足什么条件？答：对于两相绕组有效匝数不等的两相感应伺服电动机，若外施两相对称电压，电机中 不能得到圆形旋转磁场。若要产生圆形旋转磁场，两相电压的比值应等于两相绕组的有效匝 数比，且相位上相差90。5. 幅值控制的两相感应伺服电动机，若冇效信号系数“由0变化到1,电机中的正序、负 序磁动势的大小将如何变化？答：在幅值控制的两相感应伺服电动机中，若有效信号系数&为0,在满足无“自转” 现象的条件下，电机转速为0,此时正、负序磁动势大小相等，合成磁动势为脉振磁动势; 若有效信号系数“为1，则合成磁动势为圜形旋转磁动势，即只有正序磁动势，负序磁动势 幅值为零；若有效信号系数0V&V1,则合成磁动势为椭圆形旋转磁动势，负序磁动势的幅 值小于正序磁动势幅值，并且随着有效信号系数4的增大，负序磁动势的幅值逐渐减小。6. 幅值控制的两相感应伺服电动机，当有效信号系数“H1时，理想空載转速为何低于同 步转速？当控制电压降低时，电机的理想空我转速为什么随之降低？答：对于幅值控制的两相感应伺服电动机，当有效信号心小于1时，伺服电动机将产 生椭圆形的旋转磁动势，气隙磁场为椭圆形旋转磁场。由于反向旋转磁场的存在，将会产生 一个制动转矩。当正序旋转磁场产生的电磁转矩与负序磁场产生的制动转矩相等时，合成电 磁转矩等于0,对应于电动机的理想空载状态，相应的转速即为理想空裁转速，显然这一转 速低于同步速。当控制电压降低时，有效信号系数变小，磁场的椭圆度变大，反向旋转磁场及相应的制 动转矩增大，因此电机的理想空载转速B9之降低。7. 幅值控制的两相感应伺服电动机，有效信号系数冬习时，电机的理想空載转速是多少？ 若采用幅值相位控制，并按起动时获得圆形旋转磁场选择电容和控制绕组电圧，电机的理 想空载转速能否达到同步转速？为什么？答：对于幅值控制的两相感应伺服电机，当冇效信号系数0=1时，理想空載转速等于 同步转速。对于幅值-相位控制的两相感应伺服电机，若按起动时获得圆形旋转磁场选择电容和控 制绕组电压，电机的理想空载转速达不到同步转速。因为当电动机旋转后便成为椭圆型旋转 磁场，由于反向旋转磁场产生的反向转矩的作用，理想空载转速将低于同步转速。8. 两相感应伺服电动机为何常采用中频电源供电？答：为了提高控制精度，希望伺服电动机的调节特性为线性。但两相感应伺服电动机调 节特性的线性度较差，只在转速很低（转速标么值很小）时近似为线性关系。因此为了使伺 服电动机能工作在调节特性的线性范围内，应使其始终在较小的转速标么值下运行，这样, 为了提高电机的实际运行转速，就需提高伺服电动机的同步转速，所以常采用中频电源供电。9. 如何改变两相感应伺服电动机的转向？为什么？答：当控制电压相对于励磁电压的相位由滞后变为超前（或反之），电机的转向就会改 变。这可以通过将控制绕组（或励磁绕组）的两端对调实现，对调后控制电压（励磁电压） 反相，其与励磁电压（控制电压）相位的超前滞后关系随之改变。10. 机械特性非线性和有效信号系数大小对两相感应伺服电动机的动态性能各有何影响？答：考虑机械特性的非线性，两相感应伺服电动机转速随时间的变化规律己经不再呈指 数函数关系，其动态性能将优于线性机械特性时。但由于实际两相感应伺服电动机的“值不 超过0.2,因而忽略非线性对机电时间常数的影响造成的误差不超过22%,因此机械特性非 线杵对两相感应伺服电动机动态性能的影响不大，其作用常可忽略。有效信号系数对动态性能的彫响较为显著，随着有效信号系数的减小，控制电压降低, 两相感应伺服电动机的动态性能会变差，当控制电压较小时，其过渡过程时间可延长约一倍.11. 两相感应伺服电动机的主要性能指标有哪些？各是如何定义的2答：两相感应伺服电动机的主要性能指标有：（1）空载始动电压U,o：在额定励磁电压和空我情况下，使转子在任意位置开始连续 转动所需要的最小控制电压（2）机械特性非线性度km：在额定励磁下，将任意控制电压时的实际机械特性与线性 机械特性在转矩Z = 1； /2时的速度偏差An与空裁转速之比的百分数定义为机械特性 的非线性度.（3）调节特性的非线性度：在额定励磁电压和空载情况下，当匕=0.7时，实际调节特性与线性调节特性的转速偏差!】与匕=1时的空我转速之比的百分数定义为调节 特性的非线性度。（4）机电时间常数rm：对伺服电动机而言，机电时间常数是反映电机动态响应快速性 的一项重要指标，在技术数据中给出的机电时间常数是用对称状态下的空载转速代替同 步转速按照下式计算所得几= 0.1047 /1；0 ,式中Tko为对称状态下的堵转转矩。12. 何为两相感应伺服电动机的额定状态？额定功率含义如何？答：当电动机处于对称状态时，其输出功率是随转速变化的，当转速接近空载转速的一 半时，输出功率最大，通常就把这个点规定为两相感应伺服电动机的额定状态。电机可以在 这个状态下长期连续运转而不过热。这个最大的输出功率就是电动机的额定功率。13. 一台两极的两相感应伺服电动机，励磁绕组通以400Hz的交流电，当转速n=18000r/min 时，使控制电压Uc=0,问此瞬时：（1）正、反向旋转磁场切割转子导体的速率（即转差率）为多少？（2）正、反向旋转磁场切割转子导体所产生的转子电流的频率各为多少？（3）正、反向旋转磁场作用在转子上的转矩方向和大小是否一样？哪个大P为什么？解：(1)电机的同步速“讐讐= 24。皿转子导体相对于正向旋转磁场的转羞率为11. 一 11$11.24000 -18000=0.2524000转子导体相对于反向旋转磁场的转差率为s = 2-s+ = 2-0.25 = 1.75(2)正向旋转磁场切割转子导体所产生的转子电流的频率为f. = s+f = 0.25 x 400 = 100Hz反向旋转磁场切割转子导体所产生的转子电流的频率为f = sf = 1.75x400 = 700Hz(3)不一样。正向旋转磁场产生的电磁转矩与转子转向相同，反向旋转磁场产生的电磁 转矩与转子转向相反。在控制电压6=0的瞬时，反向旋转磁场产生的电磁转矩应大于正向 旋转磁场产生的电磁转矩。这是因为对于两相感应伺服电动机，为了避免自转现象，转子电 阻必须足够大，以使单相供电时正、反向旋转磁场产生的合成电磁转矩在整个电动机运行范 围内为负值14. 有一台两相感应伺服电动机，己知归算到励磁绕组的转子电阻和励磁电抗为r；=2Xn, 若忽略定子绕组电阻和定、转子绕组漏抗，试计算采用幅值控制和幅值位控制并在起动 时荻得圆形旋转磁场两种情况下，它们的堵转转矩之比是多少？幅值-相位控制时电容容抗 乂应为Xn的多少倍？解：由两相感应伺服电动机的等效电路，在上述己知条件下，归算到励磁绕组的堵转电 阻和电抗分别为若釆用幅值相位控制，并要求起动时为圆形旋转磁场，则励磁绕组应串联的电容容抗为时十 X； _(1：/5尸十(21：/5)2X& 一 2?5设电源电压为U1，则幅值控制在堵转时的电流和电磁功率分别为 g UU】 凤也 届 + X； J（i；/5）? + （2i；/疔 幅值相位控制在堵转时的电流和电磁功率分别为U】届 +（Xca-Xck）2Uj_ V2OU17（rr75）3 + （0.5r；-2r；/5）2pck2 = 21；耳=2xpr-xy =堵转转矩的比值为15. 一台400Hz的两相感应伺服电动机，控制绕组和励磁绕组的冇效匝数比kf=l,当励磁 绕组电压Uf=110 V,而控制绕组电压Uc=0时，测量励磁电流为If=0 2A,若将If中的无功 分量用并联电容补偿之后，测得有功分量広=0 1A,试问：（1）电机的堵转阻抗Kdc和Xk各等于多少？（2）如果采用幅值-相位控制，为在起动时获得圆形旋转磁场，应在励磁绕组中串多大电 容？若电源电压Ui=110V,此时控制电压5应为多大？励磁绕组电压Uf为多少？Uf 110解：（1）由题意可知，堵转阻抗为zck = = 550 0If 0.2当励磁电流为0 2A时，其有功分量为0 1A,因此有Rtk = Zck cos0= 550 x0.5 = 275 QXck = Zck sin（p= 550x0.866 = 4763 Q（2）为在起动时获得圆形旋转磁场，电容的容抗应为 275?十4763,4763= 635.10相应电容值Ca = 0.6265严6?2x400x635.1有效信号系数应为許芻2相应地，控制绕组电压应为Uc = aJ： = - = 1.732- = 190.5 V心1电容电压为Uca = - U =也=-/门0X635.1 = 220V屁 + (Xca - Xck)2 7275： + (635.1-476.3)2根据电压相量图，考虑到此时6应领先AO。电角度，故励磁绕组电压为U f = yfu -Uf = V2202-1102 = 190.5 V可见，励磁电压与控制电压大小相等，相位差90。电角度16. 三相感应电动机变频调速中，为什么要在变频的同时变压？试画出通常采用的电压频 率协调关系，并说明为什么要采用这样的电压频率关系。答：在三相感应电动机变频调速过程中，通常希里电机的磁通近似保持不变。因为如果 磁通减少，意味着电动机的铁心没有得到充分利用，是一种浪费；如果磁通过分增加，又会 使铁心饱和，引起定子电流励磁分重的急剧増加，导致功率因数下降，损耗增加，电机发热 等一系列问题。为此在感应电动机变频调速过程中，需进行电压频率协调控制，使电动机 的电压随着频率的变化而变化，即必须在变频的同时变压。通常采用的电压-频率协调关系如图所示，在基频以下采用恒压频比或带低频补偿的恒 压频比控制，基频以上为恒压变频。在三相感应电动机中，感应电动势E/2I cos(ojt + (p)iB = /2I cos(t + 0-120 )L = /2I cos(t + 0+120 )试求：（1）通过三相-两相变换变换到OCp坐标系中的两相电流応、如（2）在以砌旋转的同步dq坐标系中的两相电流id、h （设t=0时d轴与A轴重合）。解：（1） ocp坐标系中的两相电流1、ip为a/2I COS(t + y/2I cost + 0-120 ) y/Il COS(Ot + 0+12O )/jj r cos(t+0)L sin(ait + （2）设某时刻d轴领先A轴的电角度为&则dq坐标系中的两相电流为COS t +（P） siigt + 0）若dq坐标系的转速为他，且t=0时d轴与A轴巫合，则有代入上式，得COS0 sin可见，dq坐标系中的电流为直流。20何谓“伪静止”绕组？在两相静止的ocp坐标系和同步旋转的dq坐标系中，三相感应电 动机的定、转子绕组哪些是“伪静止”绕组？答：伪静止绕组具有静止和旋转双重属性：一方面从产生磁场的角度讲，它相当于静止 绕组，绕组电流产生的磁动势轴线在空间静止不动;但另一方面从产生感应电动势的角度讲, 绕组又具有旋转的属性，即除了因磁场变化而在绕组中产生变压器电动势外，绕组还会因旋 转而产生速度电动势。在ocp坐标系中，转子绕组为伪静止绕组，定子绕组是真正的静止绕组；而在同步旋转 的dq坐标系中，三相感应电动机的定、转子绕组均为伪静止绕组(转速尊于同步速时除外)。21 何谓按转子磁场定向的MT坐标系？试写出在按转子磁场定向的坐标系中感应电动 机的基本方程，推导其矢量控制方程，并据此说明感应电动机的矢量控制原理。答:所谓按转子磁场定向,是指使dq坐标系的d轴始终与转子磁链矢量的方向一致， 为了与未定向的dq坐标系加以区别，常将定向后的d轴改称M (Magnetization)轴，柑应 地q轴改称T (Torque)轴，定向后的坐标系称为按转了磁场定向的MT坐标系。在按转子磁场定向的bfT坐标系中，定子电压方程和定子磁链方程分别为二 RAt + PHt + Wm转子电压方程和转子磁链方程为转矩公式为屮T L12*5M +0 = Li2t + Smifr -Te = Pn“iiT由转子磁链方程，将转子电流用转子磁链和定子电流表达，然后代入转子电压方程和转矩公式，可得下述矢量控制方程：,M =平乜0或“=占吕山，L12Tp+1由矢量控制方程可见，转子磁链仅由定子电流的M轴分量l,M产生，与T轴分量vr 无关，而电磁转矩由转子磁链0和灯共同决定，在处一定的情况下，电磁转矩与1ST成正比。 因此在按转子磁场定向的MT坐标系中，产生有效磁场（转子磁链）的励磁分量， 相当于直流伺服电动机中的励磁电流切称为定子电流的励磁分就，通过控制1,M可以控制 0的大小；而定子电流的T轴分量灯是产生电磁转矩的有效分量，相当于直流伺服电动机 的电枢电流la，称为定子电流的转矩分量.由于lsT不影响转子磁链S，所以定子电流的转 矩分疑和励磁分戢是解耦的，它们分别对转矩产生影响，因此在按转子磁场定向的入仃坐标 系中我们可以象在直流电机中分别控制电枢电流和励磁电流-样，通过对IsT和isM的控制实 现对感应电动机动态电磁转矩和转子磁链的控制。22.感应电动机矢量控制系统中，何谓直接定向矢量控制？何谓间接定向矢量控制？其MT 坐标系各是如何确定的？答：感应电动机矢量控制系统中，根据按转子磁场定向MT坐标系M轴空间位覆角& 的确定方法不同，分为直接定向和间接定向两大类。在直接定向矢最控制系统中，&角通过反馈的方式产生，即根据有关量的实测值通过 各种转子磁链模型计算转子磁链的大小及其空间位置角&,故也叫做磁通检测型或磁通反馈 型矢量控制。直接定向矢量控制系统的转子磁链检测方法有多种，例如：可以根据定子电流 和转子转速的实测值，通过电流模型法获得。间接定向矢量控制系统中，8角以前馈的方式产生，即由给定值利用转差公式获得， 故也叫做前馈型或转差型矢量控制。转差型矢量控制中，根据转差公式為=丑，利用转子磁链给定值幺和定子电流转矩分量给定值vr*计算转差频率给定值砂卢，卢与实测转速如Z和即为M轴的旋转角速度切*,其积分即为M轴的空间位置角&23.在按转子磁场定向的MT坐标系中，为什么感应电动机定子电流有T轴分量（v#0） 而转子磁链却无T轴分量（艸=0） ?答：由MT坐标系中的T轴转子磁链方程幺t = Li丄t + J=t = 0可知，转子T轴电流 i,T = -皿，这意味着转子T轴电流产生的自感磁进3辽=-11壷T，即该磁链与定子电 流T轴分量灯在转子绕组产生的互感磁链大小相等、极性相反，因此在转子绕组产生的 互感磁链全部被转子T轴电流产生的自感磁链所抵消，故转子磁链并无T轴分量。第3章无刷永磁伺服电动机1.无刷永磁伺服电动机中，表面式转子结构和内置式转子结构各有何特点？答：表面式转子的永磁体通常呈瓦片形，通过坏氧树脂粘贴等方式直接固定在转子铁心 农面上，由于永磁体的磁导率与气隙相近，因此其交、直轴磁路磁阻基本相同，属于隐极式 同步电动机；内置式转子的永磁体位于转子铁芯内部，由于直轴磁通的磁路除了通过气隙和 铁心外尚需穿过两个永磁体，这相当于在直轴磁路上串联了两个长度等于永磁体厚度的气隙, 使直轴磁路磁阻大于交轴磁路，因此属于凸极同步电动机。2同步电动机变频调速中，何谓他控变频？何谓自控变频？永磁同步伺服电动机通常采用 何种变频方式？为什么？答：他控变频是抬用独立的变频装置给同步屯动机供电，通过直接改变变频装置的输 出频率调节电动机的转速，是一种频率开坏控制方式。自控变频方式中所用的变频装置足非独立的，其输出电流（电压）的频率和相位受反 映转子磁极空间位崑的转子位置信号控制，是一种定子绕组供电电源的频率和相位自动跟踪 转子磁极空间位置的闭坏控制方式。永磁同步伺服电动机通常采用自控变频方式。他控变频时，当频率给定值一定，变频器的输岀频率恒定，此时电机的运行情况与恒 频电源供电时无异，也会产生恒频电源供电时的振荡、失步等现象。而自控变频中由于电动 机输入电流的频率始终和转子的转速保持同步，不会出现振荡和失步，因此永磁同步伺服电 动机通常采用自控变频方式。3. 无刷永磁电动机伺服系统主要由哪几部分组成？试说明孑部分的作用及它们之间的相互 关系。答：无刷永磁电动机伺服系统主要由4个部分组成：永磁同步电动机SM、转子位置传 感器PS、逆变器和控制器。由转子位遏传感器产生转子磁极的空间位宣信号，并将其提供 给控制器；控制器根据来自外部的控制信号和来自位宜传感器的转子位宜信号，产生逆变器 中各功率开关器件的通断信号;最终由逆变器将输入直流电转换成具有相应频率和相位的交 流电流和电压，供给伺服电动机。4. 正弦波永磁同步电动机和无刷直流电动机的主要区别是什么？两种电机在结构上有何差 别？答：正弦波永磁同步电动机的感应电动势应为正弦波，为了产生恒定转矩，定子绕组应 通入止弦波电流；而无刷直流电动机的感应电动势应为梯形波，为了产生恒定转矩，定子绕 组电流应为方波。无刷直流电动机中，为了得到平顶部分具有足够宽度的梯形波感应电动势，转子常采用 农面式或嵌入式结构，转子磁钢呈弧形（瓦片形），并采用径向充磁方式，这样磁极下的气 隙均匀，永磁体产生的励磁磁场的空间分布接近于矩形波或梯形波，定子方面若采用整距集 中绕组，就可以得到近似为梯形波的感应电动势。由干内置式转子很难产生梯形波感应电动 势，无刷直流电动机一般不宜采用这种结构。正弦波永磁同步电动机的转子既可以采用表面式和嵌入式结构，也可以采用内置式结构。 为产生正弦波感应电动势，设计时应使气隙磁密尽可能呈正弦分布。以表面式结构为例，在 正弦波永磁同步电动机中，转子磁钢表面常呈抛物线形，并采用平行充磁方式；定子方面采 用短距分布绕组或正弦绕组，以最大限度地抑制谐波磁场对感应电动势波形的影响。5. 为什么说无刷直流电动机既可以看作足直流电动机，又可以看作是一种自控变频同步电 动机系统？答：无刷直流电动机是由直流电动机发展而來的，其出发点是用由转子位置传感器和逆 变器构成的电子换向器取代有刷直流电动机的机械换向器，把输入直流电流转换成交变的方 波电流输入多相电枢绕组，其转矩产生方式、控制方法和运行性能都与直流电动机十分相似， 由于省去了机械换向器和电刷，故得名为无刷直流电动机。但是从另一方面看，就电动机本 体而言，无刷直流电动机与正弦波永磁同步电动机差别不大；从控制系统的角度看，无刷直 流电动机也是由逆变器供电的，并且工作在自控变频方式或自同步方式下，因此它又是一种 自控变频同步电动机系统。6. 简述工作于二相导通三相六状态的三相无刷直流电动机的工作原理.答：无刷直流电动机运行时，由控制器根据转子磁极的空间位置，改变逆变器g功率开 关的通断状态，以控制电枢绕组的导通情况及绕组电流的方向，即实现绕组电流的换相，在 直流电流一定的情况下，使永磁磁极所覆盖线圈边中的电流方向及大小均保持不变，导体所 受电磁力在转子上产生的反作用转矩的大小和方向也保持不变，从而推动转子不断旋转。对 于工作在二相导通三相六状态的三相无刷直流电动机，转子每转过60电角度，就进行一 次换相，使绕组导通情况改变一次，转子转过一对磁极，对应于360电角度，需进行6次 换榊，相应地定子绕组有六种导通状态，而在每个60。区间只有两相绕组同时导通，另外 一相绕组电流为零。7. 为什么说在无刷直流电动机中转子位置传感器和逆变器起到了 “电子换向器”的作用？答：根据直流电动机的工作原理，为了能产生大小、方向均保持不变的电磁转矩，毎一 主磁极下电枢绕组元件边中的电流方向应相同并保持不变，但因每一元件边均随转子的旋转 而轮流经过N、S极，故各元件边中的电流方向必须用应交替变化，即必须为交变电流。在 有刷直流电动机中，把外部输入直流电变换成电枢绕组中的交变电流是由电刷和机械式换向 器完成的，每当一个元件边经过几何中性线由N极转到S极下或由S极转到N极下时，通 过电刷和机械换向器使绕组电流改变方向。而在无刷直流电动机中将直流电动机反装，即将永磁体磁极放在转子上，而电枢绕组成 为静止的定子绕组，为了使定子绕组中的电流方向能随其线圈边所在处的磁场极性交替变化, 将定子绕组与逆变器连接，并安装转子位置传感器，以检测转子磁极的空间位置，由转子磁 极的空间位置，确定电枢绕组g线圈边所在处磁场的极性，据此控制逆变器中功率开关器件 的通断，从而控制电枢绕组的导通情况及绕组电流的方向，显然在这里转子位置传感器和逆 变器起到了 “电子换向器”的作用。8. 无刷直流电动机的电枢磁动势有何特点？答：无刷直流电动机的电枢磁动势不是匀速旋转的圆形旋转磁动势，而是跳跃式前进的 步进磁动势，对于工作在二相导通三相六状态方式的三相无刷直流电动机，转子每转过60 电角度，电枢磁动势跳跃前进60 ,电枢磁动势领先转子磁动势的电角度始终保持在60 -120之间。9. 试画出理想情况下三相无刷直流电动机的感应电动势和绕组电流波形，并据此说明英转 矩无脉动条件。答：感应电动势和绕组电流波形图略。三相无刷直流电动机的瞬时转矩为考虑到任意时刻三相绕组中只有两相导通，设上桥臂导通相的感应电动势、电流分别为 en 11.下桥臂导通相的感应电动势和电流为匕、12,考虑到n=-i2=Id,则有勺斤+勺4 _ （勺一勺）可见，在一定转速下要实现转矩无脉动的话，绕组电流Id和导通两相的线电动势（ei-e2） 均应保持恒定，为此，绕组电流应为120。的矩形波，且导通两相均应始终处于电动势波形 的平顶部分，即梯形波电动势的平顶宽度应大于120电角度，同时换相时刻必须准确。10. 试比较无刷直流电动机和有刷直流电动机的转矩公式、转速公式和机械特性。答：有刷直流电动机和无刷直流电动机的感应电动势、转矩公式、转速公式和机械特性 方程如表所示.有刷直流电动机无刷直流电动机感应电动势E. = C.D1Ep = K.n转矩公式Z = c帆Z = KtId转速公式eg egUd R T n= I,2瓦Ke机械待性方程n=U. - K A eg c.cpUdR Fn - d 一t2K KeKt考虑到氐与永磁体在定子绕组产生的永磁磁链成正比，而Kt = Ke,可见无刷直流 H电动机和有刷直流电动机的相应公式在形式上相同。11. 工作在二相导通三相六状态方式的三相无刷直流电动机，对转子位置信号有何要求？如 何根据转子位置信号得到逆变器各功率开关的控制信号？答：工作在二相导通三相六状态方式的三相无刷直流电动机，其转子位罢信号应为三路 高低电平各为180、相位依次差120。（或者60 ）电角度的方波信号，而且三路方波信 号的跳变时刻应该与换相时刻对应，即应滞后各相感应电动势过零点30电角度。若无刷直流电动机采用微处理器控制，可以将三路位置信号作为3位二进制数由I/O 端口输入，由于转子处于不同的60。区间，其所形成的3位二进制数代码不同，微处理器可 根据这3位二进制代码，判断转子所在60。区间，并据此产生逆变器功率开关的通断信号. 各功率开关的控制信号也可以由硬件译码电路产生，由三路位置信号通过逻辑运算就可 以得到六个功率开关的导通信号，这种译码电路常称为换相逻辑电路。不同运行状态下各功 率开关的驱动信号与位置信号的逻辑关系见教材表3-1.12. 无刷直流电动机如何调速？当采用PWM控制时，何谓反馈斩波方式？何谓续流斩波方 式？何谓PWM电压控制？何谓PWM电流控制？答：无刷直流电动机既可以通过改变直流电压Ud调速，也可以在直流电源电压5定 的情况下，通过对逆变器的功率开关进行PWM控制，连续地调节施加到电动机绕组的平均 电压和电流，从而实现转速调节。反馈斩波：对上、卜桥臂两只功率开关同时进行PWM控制。续流斩波：只对上、下桥臂中的一只功率开关施加PWM信号，另一只功率开关保持导 通状态，即另一只开关仅受换相逻辑控制，而不受PWM信号影响.PWM电压控制：直接通过改变占空比调节施加到定子绕组的电压平均值。PWM电流控制：根据电流实测值与给定值的偏差产生PWM控制信号，对电流瞬时值 进行控制，以使电流实际值跟踪其给定值的PWM方式。13. 无刷直流电动机如何实现再生制动运行？如何实现反转？答：由无刷直流电动机的工作原理可知，当转子磁极处于某一空间位置时，只要改变N、S极下导通绕组中电流的方向，就可以改变所产生电磁转矩的方向，因此只要使各相绕组电 流波形与正向电动状态时反相，就可以使无刷直流电动机由正向电动运行转入正向制动运行 状态。即正向制动状态下，在各柑电动势波形正半波平顶部分应使绕组流过反向电流，在各 相感应电动势负半波平顶部分，应使绕组流过正向电流。这可以通过改变各功率开关驱动信 号与位置信号的关系实现，对应于正向电动状态的上桥臂导通信号，在正向制动状态下应作 为该相下桥臂导通信号，反之亦然。与此类似，通过改变各功率开关驱动信号与位置信号的关系，就可以使电机反向旋转, 在反向运转时同样有反向电动和反向制动两种运行状态。14. 在无刷直流电动机中，导致转矩脉动的主要因素有哪些？答：理想情况下，三相无刷直流电动机相绕组感应电动势为平顶宽度大于120。的梯形 波，绕组电流为正、负半波各120。电角度的方波，瓦方波电流与梯形波电动势相位一致， 则无刷直流电动机的电磁转矩无脉动，但对于实际电动机上述理想条件很难满足。首先，就感应电动势波形而言，既与永磁励磁磁场的空间分布有关，又与定子绕组结构 及是否采用斜槽等有关，平顶宽度可能小于匕0。电角度。其次，就绕组电流波形而言，由于电枢绕组电感的存在，绕组电流不能突变，一相绕 组关断、另一相绕组导通的换相不可能瞬间完成，需要一个过程，称为换相过程。当逆变器 采用PWM控制时，还会使绕组电流产生纹波。因此实际电流波形并不是120。的方波。感应电动势波形和绕组电流波形与理想波形的偏差均会导致电磁转矩脉动。其中由绕组 电流换相引起的换相转矩脉动影响最大，换相期间可能产生很大的转矩尖邮。此外，由于定子齿槽存在所产生的齿槽转矩，也是导致转矩脉动的一个因素。如果因 换相时刻不准确导致绕组电流相位与感应电动势相位不一致，也会使转矩脉动增大。15. 在正弦波永磁同步电动机中，何种转子结构会产生磁阻转矩？为什么？为使磁阻转矩与 永磁转矩方向相同，对定子电流有何要求？答：当正弦波永磁同步电动机的转子采用恨入式或内置式结构时，会产生磁阻转矩。转 子为嵌入式或内置式的永磁同步电动机,直轴磁路上由于永磁体的存在使磁阻增大，故31勺， 由转矩公式1 =卩坏口 +山-2）臥可知，当小h均不为零时，就会产生磁阻转矩。 考虑到（Ld-Lj 0,为使磁阻转矩与永磁转矩方向相同，应使电动机定子电流的直轴分疑 id0#16. 正弦波永磁同步电动机控制中何inid=o控制？为什么表而式永磁同步电动机通常采用 id=o控制？试说明id =0控制的主要优缺点。答：所谓1尸0控制就是在控制过程中始终使定子电流的d轴分量id为零，而仅通过对定 子电流q轴分量h的控制，实现对电动机转矩的控制。id=0控制实现简单，转矩与定子电流幅值成正比，而且对于表面式正弦波永磁同步电 动机，由于J壬，不产生磁阻转矩，圮的大小与电磁转矩无关，通过使id=0可以使产生给 定转矩所需的定子电流最小，从而减少损耗、提高效率。因此表面式正弦波永磁同步电动机 通常采用id=0控制。id=o控制也存在一些不足。采用id=0控制时电流矢量&总是滞后电压矢量心一个卩角， 这意味着电动机运行时的功率因数总是滞后的，而耳在一定转速下随着负载转矩的增加，电 流对增大，电压矢量与电流矢量的夹角0增大，电机的功率因数降低。另外随负我增加，所 需的定子电压矢疑幅值也相应增大，因此对变频器的容疑要求较高.不过对于表面式电机， 由于等效气隙大，电感Ld主的值很小，因此P角始终较小，上述问题并不严重。对于内罢式正弦波永磁同步电动机，由于q轴电感J较大，随着负载;增加会导致卩角 显著增大，功率因数明显降低，而且同样情况下所需的定子电压也较大，考虑逆变器输出电 压限制时的恒转矩调速范围减少，可见内置式永磁同步电动机采用14=0控制时性能不如表 面式。17. 正弦波永磁同步电动机伺服驱动系统中如何实现弱磁控制？为什么要进行弱磁控制？答：正弦波永磁同步电动机的弱磁控制是通过增加定子直轴去磁电流分量來实现的，即 利用负的定子直轴电流id产生去磁的直轴电枢反应磁链，部分地抵消永磁励磁磁链的作用， 从而使直轴磁链鸭及由此产生的速度电动势血鸭减少，以降低高速运行时所需的外加电压， 提高逆变器极限电压下电动机的转速。采用弱磁控制可以扩大正弦波永磁同步电动机的调速范围。18. 试比较无刷直流电动机和止弦波永磁同步电动机伺服驰动糸统的主要优缺点。答：理想情况下，无刷直流电动机的感应电动势为平顶宽度大于120。的梯形波，电流 波形为120。的方波，而且电流波形与电动势波形同相位，可以实现转矩无脉动。实际匕由 于感应电动势波形不理想及电流换相不能瞬间完成造成电流波形不理想会产生较兴的转矩 脉动，影响了其在高性能领域的应用，这是其最主要的缺点。此外，由于受感应电动势和绕 组电流波形的限制，无刷直流电动机的转速范围要比正弦波永磁同步电动机小。无刷直流电 动机的主要优点是:控制实现简单，并且功率密度和转矩/电流优于正弦波永磁同步电动机。正弦波永磁同步电动机感应电动势和绕组电流波形均应为正弦波，理想情况下转矩无脉 动，可以实现高性能，在高性能伺服系统中得到了广泛应用。与无刷直流电机相比，其主要 缺点是成本较高，特别是为了实现正弦电流控制需要使用高分辨率的转子位證传感器，而无 刷貞流电动机的绕组电流每隔60。电角度才换相一次，作为速度伺服时可以使用成本低廉的 分辨率为60。的位置传感器。19. 正弦波永磁同步电动机矢量控制和三相感应电动机矢量控制通常各建立在何种坐标系上? 控制系统实现时其坐标系各如何确定？答：正弦波永磁同步电动机欠量控制通常建立在转子dq坐标系上，坐标系的d轴与转 子的磁极轴线重合;三相感应电动机的矢疑控制通常建立在按转子磁场定向的MT坐标系上, 其M轴始终与转子磁链矢量幺方向-致。控制系统实现时，正弦波永磁同步电动机的d轴空间位置角通常是由位于电动机非负載 端轴伸上的转子位置传感器宣接检测，而三相感应电动机的M轴空间位置角需通过各种计 算模型或观测器进行估算。第4章步进电动机1.简述反应式步进电动机的结构特点与基本工作原理。答：反应式步进电动机由定、转子组成。定、转子铁心为硅钢片叠压而成，在面向气隙 的定、转子铁心表而有齿形相同的小齿。定子为凸极结构，每极上套有一个集中绕组，相对 两极的绕组串联构成一相。转子上只有齿槽没有绕组，转子齿数与相数之间应满足 Zr =2ink2的关系。以四相八极反应式步进电动机为例来叙述其工作原理：定子铁心无 小齿，相对两极的绕组串联构成一相，转子只有六个齿，齿宽等于定子极靴的宽度。当只有 一相通电时，由于磁通具有力图疋磁阻最小路径的特点，会使得转子的齿轴线与该相的轴线 相对齐。此时切换到相邻的下一相通电，转子就会转动相应的角度，使得相邻的齿轴线与通 电相绕组轴线对齐，步进电动机疋过了一个步距角，定子绕组轮流导通一次，转子前进一个 齿距角。依此周而复始，转子就连续旋转。2何谓拍。单拍制和双拍制有何区别？答：电源的通电方式每变换一次，称为一拍。拍数等于相数时称为单拍分配方式，拍数 为相数的两倍时称为双拍分配方式。3何谓步距角？有几种表示法？相互关系如何？答：每输入一个电脉冲信号步进电机所转过的角度，称为步距角。步距角可以用机械角 度表示，也可以用电角度表示，在数值上两者的比值为1/Zr-4影响步距角大小的因素有哪些？步距角大小对电机性能又有哪些影响？答：由步距角的计算公式0,可知，步距角的大小与运行的拍数和转子的，N NZr齿数有关。步距角越小，步进电动机的控制精度就越高。5什么叫做矩角特性？什么叫做矩角特性曲线族？答：步进电动机的静态特性可以由矩角特性來描述。矩角特性是不改变控制绕组通电状 态，也就是保持一相或几相控制绕组通入直流电流时，电磁转矩与转子偏角的关系，即静态 转矩与失调角的关系t= f（q）。在同一坐标系中，依次画出各相绕组分别通电时的矩角特 性就是矩角特性曲线族。6何谓静稳定区、动稳定区和稳定裕度？它们与步距角有什么关系？答：静稳定区：在失调角q=o时，静态转矩t = o,该位置称为稳定平衡点。在 n0. n的区间内，T与Q的方向相反，也就是T总是阻止Q的变化，若由于外力矩 （负載）使转子偏离稳定平衡点，只要在上述范围内，一旦去掉外力，转子就能在静态转矩 的作用下返回到稳定平衡点上述区间称为静稳定区。动稳定区：在理想空载状态F,步进电动机从一种通电状态切换到相邻的另一相通电状 态，不至引起失步的区域，即（龙+色）（龙+乞）。稳定裕度:把矩角特性曲线n的稳定平衡点0离开曲线（n+1）的不稳定平衡点（才+ QJ的距离，称为“稳定裕度”。稳定裕度为：.=-=- = -（111-2）m m步距角越小，稳定与度越大。7何谓运行矩频特性和运行频率？何谓起动矩频特性、起动惯频特性和起动频率？答：运行矩频特性：当控制脉冲频率达到一定数值之后，再增加频率，由于电感的作用 使动态转矩减小，涡流作用使动态转矩又进一步减小。可见，动态转矩是电源脉冲频率的函 数，把这种函数关系称为步进电动机运行时的转矩一频率特性，简称为运行矩频特性。运行频率：当控制电源的脉冲频率连续提高时，庄一定性质和大小的负載下，步进电动 机能正常连续运行时所能加到的最高频率称为晨高连续运行频率或者最高跟踪频率。起动矩频特性：在给定驱动电源的条件下，负