特种电机练习题(老版).doc

第1章 无刷直流电动机及其控制系统一、填空题： 1. 无刷直流电动机是典型的机电一体化产品，它是由电动机本体、转子位置检测器、逆变器和控制器组成的自同步电动机系统或自控式变频同步电动机。2. 自同步永磁电动机分为无刷直流电动机和正弦波永磁同步电动机。3. 无刷直流电动机的反电势为梯形波、供电电流为方波。4. 三相无刷直流电动机绕组的联接方式有星形联接和角形联接，而逆变器又有桥式和半桥式两种。5. 无刷直流电动机的机械特性表达式为。6. 无刷直流电动机控制系统的控制结构，一般采用双闭环控制，外环为速度环，内环为电流环，不同的是所采用的控制器算法。7. 数字PID控制算法分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。8. 位置式PID控制算法的公式为(或 )。9. 增量式PID控制算法的公式为 。10. PWM调制方式可以分为on_pwm型、pwm_on型、H_pwm-L_on型、H_on-L_pwm型和H_pwm-L_pwm型 ，前四种称为半桥PWM调制方式，第五种称为全桥PWM调制方式。11. 无刷直流电机一般通过改变逆变器功率开关管的逻辑关系使电枢各相绕组的导通顺序发生变化来实现正反转。12. 两相导通星形三相六状态无刷直流电动机，定子绕组每经过 60 电角度进行一次换相，每个功率开关管导通 120 电角度。二、判断题：（请在括号内打或）1. 无刷直流电动机属于自控式变频同步电动机。（ ）2. 无刷直流电动机可以通过改变磁场的极性实现正反转。（）3. 对于单相导通星形三相三状态无刷直流电动机，每个开关管连续导通时间为120电角度。（）4. 无刷直流电动机的定子合成磁场及转子磁场均为连续旋转磁场。（）5. 三相无刷直流电动机在两两导通方式下，在导通阶段只有两相绕组通电。（）6. 三相无刷直流电动机在三三导通方式下，在导通阶段有三相绕组通电。（）7. 无刷直流电动机的电动机本体为永磁直流电动机。（）8. 无刷直流电动机反转时各开关管的控制逻辑与正转时的控制逻辑正好相反。（）三、简答题： 1. 永磁无刷直流电动机主要由哪几部分组成？它与普通的永磁直流电动机相比有何优点？答：永磁无刷直流电动机主要由电动机本体、位置检测器、逆变器和控制器组成。它采用位置检测器和功率电子开关来代替电刷和换向器，既保留了直流电动机良好的运行性能，又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点。2. 位置传感器在无刷直流电动机中起到什么作用？对于两相导通星形三相六状态无刷直流电动机，如果采用光电式位置传感器，当其转子上有p对磁极时，如何设计位置传感器结构？答：位置传感器在无刷直流电动机中的作用是检测转子磁极相对于定子绕组的位置信号，为逆变器提供正确的换相信息。对于两相导通三相六状态无刷直流电动机，当其转子是多极时，应采用三个位置传感器，且三个位置传感器在空间应彼此相隔120空间电角度，即120/p空间几何角度，同时还必须保证位置传感器与绕组的对应位置正确。3. 何谓两相导通星形三相六状态工作方式？简述两相导通星形三相六状态无刷直流电动机的工作原理。答：两相导通星形三相六状态无刷直流电动机，电机本体的电枢绕组为三相星形连接，位置传感器与电机本体同轴，控制电路对位置信号进行逻辑交换后产生驱动信号，驱动信号经驱动电路隔离放大后控制逆变器的功率开关管使电机的各相绕组按一定的顺序工作。转子在空间每转过60电角度(1/6周期)，转子位置传感器的输出信号就改变一次，经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，逆变器开关管就发生一次切换，切换开关管的导通逻辑为VT1、VT2gVT2、VT3gVT3、VT4g VT4、VT5gVT5、VT6 gVT6、VT1 。在此期间,转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用沿顺时针方向连续旋转。可见，电机有六种磁状态，每一状态有两相导通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120电角度。无刷直流电动机的这种工作方式称为两相导通星形三相六状态。4. 分析无刷直流电动机利用原位置传感器进行反转控制的原理。答：无刷直流电动机利用原位置传感器进行反转控制是通过改变逆变器功率开关的导通逻辑，使电枢各相绕组的导通顺序发生变化进而从而改变一相导通时的电流方向来改变电机转向的。无刷直流电动机正转和反转时的控制逻辑正好相反。5. 数字PID算法分为哪两种？写出它们的表达式。答：数字PID控制算法分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。位置式PID控制算法的表达式为或 式中，k采样序号，k=0，1，2；KI 积分系数， ；KD微分系数，。增量式PID控制算法的表达式为式中，6. 简述无刷直流电动机的机械特性。机械特性曲线 答：无刷直流电动机的机械特性为。无刷直流电动机的机械特性表达式与一般直流电动机相同，机械特性较硬。在不同的供电电压下，其机械特性曲线如右图所示。由该图可知，无刷直流电动机的机械特性曲线存在弯曲现象，这是由于当转矩较大，转速较低时流过开关管和电枢绕组的电流很大，这时开关管管压降UT随着电流增大而增加较快，加在电枢绕组上的电压有所减小，使得特性曲线偏离直线而向下弯曲。四、分析题：1根据无刷直流电动机控制系统的原理图说明无刷直流电动机控制系统的基本工作原理。答：无刷直流电动机控制系统工作时，转子位置检测器产生的转子位置信号送至逻辑控制单元，逻辑控制单元在控制指令的干预下，根据现行运行状态和对正转、反转等要求形成正确的换相信号，去触发导通相应功率开关元件，使之按一定顺序接通或关断绕组，确保电枢产生的步进磁场和转子永磁磁场保持平均的垂直关系。而导通相并不是持续导通的，它还要受PWM输出信号的限制，逻辑“与”单元的任务就是把换相信号和PWM信号结合起来，送到逆变器的驱动电路。 无刷直流电动机控制系统工作时，速度给定信号与速度反馈信号比较后，送入速度调节器；速度调节器的输出作为电流给定信号，与电流反馈信号比较后，送入电流调节器，输出PWM调制信号。根据换相逻辑信号，顺序控制功率开关器件的导通，由此可以控制逆变器输出的电压，相应的就可以控制定子绕组的相电流，从而控制无刷直流电动机的电磁转矩，确保电动机的实际转速跟随给定转速变化。 第2章 开关磁阻电机及其驱动控制系统一、填空题：1. 开关磁阻电动机传动系统主要由四部分组成：开关磁阻电动机、功率变换器、控制器和检测器。2. 开关磁阻电动机采用双凸极结构，转子既无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组串联或并联在一起，构成一个两极磁极，称为“一相”，绕组为单方向通电。3. 开关磁阻电动机的运行遵循磁阻最小原理，通电后，磁路有向磁阻最小路径变化的趋势。4. 设每相绕组开关频率为fj，转子齿极数为Nr，则SR电机的转速为。5. 开关磁阻电动机的转向与通电相的电流方向无关，仅取决于定子绕组通电的顺序。改变定子绕组的导通顺序就可改变电机的转向。6. SRD的基本控制策略是：低速时采用电流PWM控制(CCC控制)；高速时采用单脉冲控制(APC控制)。SRD的基本控制策略是：基速以下，采用电流斩波控制(CCC)；基速以上，采用角度位置控制(APC)。7. SR电动机通过改变相绕组的 通电位置（或励磁位置）和 触发顺序 即可改变电磁转矩的大小和方向，实现四象限运行。SR电动机通过改变定子相绕组的通电顺序即可改变电磁转矩的方向，通过改变定子相绕组的励磁位置可改变电磁转矩的大小。从而可以实现 正转电动、正转制动、反转电动、反转制动 四种运行方式，即可以实现四象限运行。8. 根据对SR电动机电磁转矩的分析，让SR电动机在 电感上升 区段通电则产生正转矩，在 电感下降 区段通电则产生负转矩。因此，如果qon、qoff为正转控制角，只要将控制导通区推迟 半个 周期即可产生负转矩。9. 要让SR电动机实现制动，只要通过控制开通角qon和关断角qoff，使相电流主要出现在L/q0区段即可。10. SRD系统的反馈信号一般有 位置 、 速度 、 电流 三种。11. SRD系统位置检测的目的是 确定SRM定、转子的相对位置 ，以控制 对应相绕组的通断 。12. 数字测速法有三种：（1）在规定时间内测量所产生的脉冲个数来获得被测速度，称为 M法 测速，适用于 高速 场合。（2）测量相邻两个脉冲的时间来测量速度，称为 T法 测速，适用于 低速 场合。（3）同时测量检测时间和在此时间内脉冲发生器发出的脉冲个数来测量速度，称为 M/T法 测速，该方法在很宽的转速范围内均具有较高的测速精度。13. SRD系统中常用的电流检测方法有 电阻采样 和 霍尔电流传感器采样 两种方法。14. SR电动机常见的功率变换器主电路有双开关型、双绕组型、电容分压型、H桥型和公共开关型。其中，双开关型、双绕组型、公共开关型适用于任意相数的SR电动机。15. 四相SR电动机广泛采用的功率变换器主电路形式为H桥型，其斩波模式有四相斩波模式和两相斩波模式。二、判断题：（请在括号内打或）1. 开关磁阻电动机的定转子齿极数可以为奇数，也可以为偶数。（）2. 开关磁阻电动机的转动方向与定子绕组的励磁方向相同。（）3. 基于理想线性模型的开关磁阻电动机，在电感曲线的上升阶段，绕组电流产生电动转矩。（）4. 开关磁阻电动机电磁转矩的方向取决于相绕组中电流的方向。（）5. 当外施电压一定、开通角qon和关断角qoff固定时，SR电动机的机械特性类似于串励直流电动机。（ ）6. SR电动机采用APC控制时，一般采用固定开通角qon、改变关断角qoff的控制模式。（ ）7. 实际的SR电动机，相绕组的电感不仅与转子位置有关，还与相绕组电流有关。（ ）三、简答题：1. 什么是M法测速、T法测速、M/T法测速？各适用于什么场合？答：在规定时间内测量所产生的脉冲个数来获得被测速度，称为M法测速（测频法）。M法适合于高速运行时测速，低速时测速精度较低。T法测速是通过测量相邻两个转子位置脉冲之间的间隔时间来计算转速的一种测速方法。T法适合于低速场合测速。同时测量检测时间和在此时间内脉冲发生器发出的脉冲个数来测量速度，称为M/T法测速。MT法综合了M法和T法两种测速方法的特点，既可在低速段可靠地测速(如T法)，在高速段又如M法具备较高的分辨能力，因此MT法在较宽的转速范围内均有很好的检测精度。2. 如何改变开关磁阻电动机的转矩方向？改变电动机绕组电流的极性能够改变转矩方向吗？为什么？答：通过改变相绕组的触发顺序可以改变开关磁阻电动机的转矩方向。改变电动机绕组电流的极性不能改变转矩方向。因为开关磁阻电动机的运行遵循“磁阻最小原理”，即磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因磁场扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩。开关磁阻电动机的电磁转矩是由于转子转动时气隙磁导（电感）变化产生的，电磁转矩的方向与电流的方向无关，仅取决于电感随位置角的变化情况。3. 为什么SR电动机具有良好的起动性能？答：SR电动机可以通过对相开通角qon、关断角qoff和相电流幅值、相绕组电压的控制，得到满足不同负载要求的机械特性，实现系统的软起动。所以SR电动机具有良好的起动性能。4. 为什么开关磁阻电动机的转矩方向与产生转矩的电流方向无关？如何获得负转矩？答：SR电动机的运行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因磁场扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩。SR电动机的电磁转矩是由于转子转动时气隙磁导(电感)变化产生的，电磁转矩的大小与电流的平方成正比，电磁转矩的方向与电流的方向无关，仅取决于电感随位置角的变化情况，所以开关磁阻电动机的转矩方向与产生转矩的电流方向无关。或：基于理想线性模型的SR电动机电磁转矩，由此可知SR电动机的电磁转矩是由于转子转动时气隙磁导(电感)变化产生的，电磁转矩的方向仅取决于电感随位置角的变化情况，与产生转矩的电流方向无关。将相绕组主开关器件的导通区设在相绕组电感的下降端即可产生负转矩。或：在电感曲线的下降阶段给绕组通电，将产生负转矩。5. 开关磁阻电动机在低速时为什么采用斩波控制？在高速时为什么采用角度控制？答：SR电动机在起动、低速和中速运行时，电压不变，旋转电动势引起的压降小，电感上升期的时间长，而的值相当大，为避免电流峰值超过功率开关器件和电机的允许值而损坏功率开关元件和电动机，在低速时采取电流斩波控制方式来限制电流。在电动机高速运行时，为了使转矩不随转速的平方下降，在外施电压一定的情况下，只有改变开通角qon和关断角qoff的值来获得所需的较大电流，即采用角度位置控制。6. 为什么H桥型主电路不能用于三相SR电动机？答：H桥型主电路在换相相的磁能以电能形式一部分回馈电源，另一部分注入导通相绕组，引起中点电位的较大浮动。它要求每一瞬间必须上、下各有一相导通。所以不能用于三相SR电动机。7. 试分析开关磁阻电动机与步进电动机的区别？答： (1)步进电动机一般用作定位，它将数字脉冲输入转换成模拟运动输出，对步进电动机系统而言，轴的运动服从电源的换相，转子在定子磁极轴线间步进旋转；而SR电动机则用于调速传动场合，始终运行在自同步状态，电源的换相取决于转轴的位置。这就与通常的位置开环步进电动机系统不同，SR电动机均有检测转子位置的环节以实现位置闭环的控制，控制器根据转子位置向功率变换器提供对应的励磁触发信号，保证电动机连续运转，从而可避免步进电动机可能出现的失步现象。(2) SR电动机可控因素较多，既可调节每相主开关器件的开通角qon、关断角qoff，也可采用调压或限流斩波控制，调速方法灵活，易于构成性能优良的调速系统，并可运行在发电状态；而步进电动机只作电动状态运行，一般只是通过调节电源步进脉冲的频率来调节转速。五、说明SRD系统其工作原理答：SRD系统采用转速外环、电流内环的双闭环控制结构。转速反馈信号取自位置传感器输出的转子位置脉冲信号，转速调节器ASR根据给定转速W*和实际转速W的偏差，给出转矩的参考值T*。控制模式选择框体现了SRD系统的控制策略，它根据实时转速信号确定控制模式。（1）在低速运行时，固定开通角qon和关断角qoff，采用CCC控制。在CCC方式下，实际电流的控制是通过PWM斩波实现的。这时T*可以直接作为电流参考值i*，它与实际相电流i比较形成电流偏差，电流调节器ACR根据电流偏差来调节PWM信号的占空比，PWM信号与换相逻辑信号相“与”并经过放大后控制功率变换器中的功率开关器件开通或关断，从而改变相绕组上的平均电压，实现恒转矩无级调速。（2）在高速运行时，采用APC控制，将电流参考值i*取得较高，使电流斩波不再出现，仅由转矩指令T*的增减来决定开通角qon和关断角qoff的大小。六、一台四相8/6极SR电动机，额定功率为4.7kW，转速范围为2001500r/min，在2001000r/min为恒转矩特性，10001500r/min为恒功率特性，定子极弧宽20，转子极弧宽24，Lmin7.24mH，Lmax43.44mH。试画出理想线性模型下的电感变化曲线，推导电磁转矩表达式。解：转子槽宽为理想线性模型下绕组电感的分段线性解析式为： 电磁转矩的分段线性解析式为： 第3章 步进电动机及其控制一、填空题：1. 步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将 电脉冲 信号转换成相应的 角位移 或 线位移 的控制电机。步进电动机输出的角位移或线位移量与 脉冲数 成正比。2. 步进电动机按励磁方式的不同可分为反应式、永磁式和混合式。3. 反应式步进电动机的转向取决于控制绕组的通电顺序，转速取决于控制绕组通电的频率。4. 三相步进电动机采用三相单双六拍通电方式：“三相”是指步进电机的相数；“单”是指每次只给一相绕组通电；“双”则是每次同时给两相绕组通电；“六拍”是指控制绕组的通电状态经过六次切换为一个循环。5. 反应式步进电机三相六拍运行方式下的通电顺序为：AgABgBgBCgCgCAgA（或AgCA gC gBCgB gABgA）。6. 步进电动机的矩角特性是指步进电动机的静转矩与转子失调角之间的关系。 7. 步进电动机的矩频特性是指步进电动机的动态转矩与电源脉冲频率之间的关系。8. 步进电动机空载时的静态稳定区为-pqep，动态稳定区为（-p+qbe） qe （p +qbe）。9. 步进电动机相邻两矩角特性的交点所对应的转矩Tst称为步进电动机的极限起动转矩。10. 当步进电动机控制脉冲的频率等于自由振荡频率的1/k(k=1,2, 3)_时，转子会出现强烈振荡甚至失步。11. 在一定的负载转矩下，步进电动机不失步地正常起动所能加的最高控制脉冲的频率，称为起动频率。12. 步进电动机每相绕组中的通电是脉冲式的，每输入个控制脉冲信号，转子转过的角度称为步距角，其大小由转子齿数和运行拍数决定。13. 步进电动机的驱动控制器由脉冲发生器、脉冲分配器和功率放大器三部分组成。14. 按照电流流过绕组的方向是单向的还是双向的，步进电动机的功率驱动电路可分为单极性驱动电路和双极性驱动电路。15. 单极性驱动电路适用于反应式步进电动机；双极性驱动电路适用于永磁式和混合式步进电动机。16. 对一台结构已确定的步进电机，改变运行拍数可以改变其步距角。17. 某五相步进电机在脉冲电源频率为2400Hz时，转速为1200rpm，则可知此时步进电机的步距角为_3。18. 某步进电机转子有80个齿，采用三相六拍运行方式，此时步进电机的步距角为_0.75_。四、简答题： 1. 如何控制步进电动机输出的角位移或线位移、转速或线速度？答：步进电动机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的特殊电动机。步进电动机的角位移或线位移与脉冲数成正比，控制输入脉冲的数量即可控制步进电动机输出的角位移或线位移。步进电动机的转速或线速度与输入脉冲的频率成正比，控制输入脉冲的频率即可控制步进电动机的转速或线速度。2. 反应式步进电动机与永磁式及感应子式步进电动机在作用原理方面有什么共同点和差异？步进电机与同步电动机有什么共同点和差异？答：（1）反应式步进电动机结构简单、生产成本低，步距角可以做得相当小，但励磁电流大（最高20A），断电时没有定位转矩，电机内阻尼较小，单步运行振荡时间较长，动态性能相对较差。永磁步进电动机步距角较大，相数大多为二相或四相，起动频率较低，控制功率小，断电时具有一定的保持转矩。感应子式步进电动机不仅具有反应式式步进电动机步距小，运行频率高的特点，还具有永磁步进电动机控制功率小的优点，但其结构和工艺比较复杂。（2）步进电机与同步电动机的相同点是其转速都与定子绕组电流的频率成正比，转向由定子绕组的相序决定。差异在于步进电机是通过输入脉冲信号来进行控制的。3. 何为步进电动机的步距角？它与哪些因素有关？为什么步进电动机一般有两个步距角？答：步进电动机每输入个控制脉冲信号，转子转过的角度称为步距角，其大小由转子齿数和运行拍数决定。由于一台步进电动机既可采用单拍运行方式也可用单双拍运行方式，所以步进电动机一般有两个步距角。4. 步进电动机的连续运行频率和起动频率有何不同？为什么？答：步进电动机的连续运行频率比起动频率要高得多。这是因为步进电动机在起动时，转子要从静止状态开始加速，电机的电磁转矩除了克服负载转矩TL之外，还要克服轴上的惯性转矩JdW/dt。如果起动时脉冲频率过高，则转子的运动速度就跟不上定子磁场的变化，转子就要落后稳定平衡位置一个角度。当落后的角度使转子的位置在动稳定区之外时，步进电动机就要失步或振荡，电动机就不能起动。为此，对起动频率要有一定的限制。但电机一旦起动后，由于这时转子的角加速度dW/dt较小，惯性转矩不大，因此电机仍能升速。所以步进电动机的连续运行频率比起动频率要高得多。5. 步进电动机的连续运行频率和它的负载转矩之间有怎样的关系？为什么？答：步进电机的负载转矩随连续运行频率的升高而下降。这主要是因为控制脉冲的频率升高时，绕组中通电和断电的周期较短，由于定子绕组电感有延缓电流变化的作用，控制绕组的电流来不及上升到稳定值就开始下降，于是电流的平均值较小，电动机的转矩下降。另外，随着频率的提高，步进电动机铁芯中的涡流损耗也随之增大，使电机的输出转矩下降。6. 如果一台步进电机的负载转动惯量较大，试问它的起动频率有何变化? 答：在负载转矩一定时，转动惯量越大，转子速度的增加越慢，起动频率也就越低。第四章 直线电动机一、填空题：1. 直线电动机是由旋转电机演化而来的，旋转电机的定子和转子分别对应直线电机的 初级和 次级 。2. 按照初级和次级的相对位置，直线电动机可分为 单边 型和 双边 型。3. 按照运动部分分类，直线电动机可分为 动初级 和 动次级 两种。4. 直线电机的初级绕组通入电流，会产生一个磁通密度直线移动的气隙基波磁场，这个磁场称为行波磁场。5. 改变直线感应电动机的 极距 或 电源频率 可以改变电机的转速。6. 改变直线感应电动机 初级绕组的通电相序 可以改变电机的转向。7. 直线感应电动机最大的缺点是 气隙 大、 功率因数 和 效率 低。8. 直线直流电动机有 永磁 式和 电磁 式两种。三、简答题： 1. 直线感应电动机的工作原理是什么？如何改变直线感应电动机的运动速度和方向？答：在直线感应电动机初级的多相绕组中通入多相电流后，产生的气隙基波磁场是沿直线移动的，称为行波磁场。当绕组电流交变一次，气隙磁场在空间移过一对极。行波磁场切割次级导条，在导条中产生感应电动势和电流，导条电流和气隙磁场相互作用，产生切向电磁力，次级因此而沿行波磁场运动的方向移动。直线感应电动机的速度与电机极距及电源频率成正比，改变极距或电源频率即可改变直线感应电动机运动的速度。改变直线电机初级绕组的通电相序，即可改变次级的运动方向。2. 直线电动机有哪几种主要结构形式？答：直线电动机主要有扁平式、圆筒式、圆弧式、圆盘式四种结构形式。3. 直线感应电动机的最大缺点是什么？答：直线感应电动机的气隙相对于旋转电机的气隙大得多，因此与同容量旋转电机相比，直线感应电动机的效率和功率因数较低，这是它最大的缺点。4. 永磁式直线直流电动机按结构特征可分为哪几种?答：永磁式直线直流电动机按结构特征可分为动圈型和动铁型。动圈型当移动绕组通电时产生电磁力，使绕组作直线运动；动铁型是在电磁力的作用下，推动磁极作直线运动。5. 电磁式直线直流电动机适用于什么场合？答：电磁式直线直流电动机类型适用于驱动功率较大的机构。当功率较大时，上述直线电机中的永久磁钢所产生的磁通可改为由绕组通入直流电励磁所产生，这就成为电磁式直线直流电机。6. 动铁型直线直流电动机为了减小铜损耗，通常采用什么措施？答：动铁型直线直流电动机为了减小铜损耗，通常将线圈外表面进行加工使铜裸露出来，通过安装在磁极上的电刷把电流馈入线圈中。这样，当磁极移动时，电刷跟着滑动，可只让线圈的工作部分通电，其余不工作的部分没有电流流过。 商业计划书 商业计划书范文 可行性分析报告 市场调查 商业计划书 商业计划书范文 可行性分析报告 市场调查