《运动控制系统》吴贵文.docx

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1、运动控制系统吴贵文运动控制系统习题参考答案 1-1 简述运动控制系统的类型及其优缺点。 答：运动控制系统主要有三种类型：液压传动系统、气压传动系统和电气传动系统，它们各自优缺点如下： 液压传动具有如下优点：1）能方便地实现无级调速，调速范围大。2）运动传递平稳、均匀。3）易于获得很大的力和力矩。4）单位功率的体积小，重量轻，结构紧凑，反映灵敏。5）易于实现自动化。6）易于实现过载保护，工作可靠。7）自动润滑，元件寿命长。8）液压元件易于实现通用化、标准化、系列化、便于设计制造和推广使用。但也有一系列缺点：1）由于液压传动的工作介质是液压油，所以无法避免会有泄漏，效率降低，污染环境。2）温度对液

2、压系统的工作性能影响较大。3）传动效率低。4）空气的混入会引起工作不良。5）为了防止泄漏以及满足某些性能上的要求，液压元件的制造精度要求高，使成本增加。6）液压设备故障原因不易查找。 气压传动的优点是：1）气动装置结构简单、轻便，安装维护简单；压力等级低，故使用安全。2）工作介质是空气，取之不尽、用之不竭，又不花钱。排气处理简单，不污染环境，成本低。3）输出力及工作速度的调节非常容易，气缸工作速度快。4）可靠性高，使用寿命长。5）利用空气的可压缩性，可储存能量，实现集中供气；可短时间释放能量，以获得间歇运动中的高速响应；可实现缓冲，对冲击负载和过负载有较强的适应能力。在一定条件下，可使气动装置

3、有自保护能力。6）全气动控制具有防火、防爆、耐潮的能力。与液压方式比较，气动方式可在高温场合使用。7）由于空气流动压力损失小，压缩空气可集中供气，较远距离输送。气压传动的缺点是：1）由于空气具有压缩性，气缸的动作速度易受负载的变化影响。2）气缸在低速运动时，由于摩擦力占推力的比例比较大，气缸的低速稳定性不如液压缸。3）虽然在许多应用场合气缸的输出力能满足工作要求，但其输出力比液压缸小。 电气传动系统具有控制方便、体积紧凑、噪声小、节能、容易实现自动化、智能化、网络化等优点，不过其控制线路复杂，对软硬件要求较高，维修较困难。 1-2 常用的液压元件有哪些？ 答：液压元件主要有液压泵、液压马达、液

4、压缸、方向控制阀、压力控制阀、流量控制阀及油箱、滤油器、油管、密封装置等辅助元件。 1-3 常用的气动元件有哪些？ 答：气动元件主要有空气压缩机、冷却器、储气罐、压力阀、流量阀、方向阀、气缸、气马达、过滤器、干燥器、油雾器、消声器、分水滤油器以及各种管路附件等。 1-4 试写出旋转运动的动力学方程式。 解：旋转运动的动力学方程为 Te-TL=Jdwmdtdqwm=mdt或写成 GD2dnTe-TL=375dt2-1 简述直流调速方法。 答：直流电动机的调速方法有三种：改变电枢回路电阻调速-串电阻调速、调节电枢电压调速-降压调速以及改变励磁磁通调速-弱磁调速。 2-2 调速性能指标有哪些？ 答：

5、稳态性能指标包括调速范围和静差率，动态性能指标包括上升时间、超调量、峰值时间、调节时间、动态降落、恢复时间。 2-3 调速范围与额定速降和最小静差率有什么关系？为什么必须同时讨论才有意义？ 答：三者的关系式为 D=nNsDnN(1-s)对于同一个调速系统，DnN值一定，所以如果对静差率要求越严，即要求s值越小时，系统允许的调速范围也越小。如果要求调速范围大，s就会较大。所以讨论性能时这三个量要同时考虑。 2-4 为什么直流PWM变换器-电动机系统比晶闸管整流器-电动机系统能够获得更好的动态性能？ 答：PWM变换器开关频率高，时间常数小，系统响应快。另外一般的PWM变换器具有制动作用，组成的调速

6、系统可以在几个象限运行，在正反转、减速和停车时具有较好的动态性能。 2-5 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，电枢电流相应增大，在电枢回路电阻上的压降也增大，电枢两端电压就会降低，所以转速会下降，这也可以从机械特性上明显看出来。 2-6 在直流PWM变换器-电动机系统中，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？ 答：对于不可逆直流PWM变换器-电动机系统，电动机停止不动时，电枢两端电压为零，电流也为零。但对于双极性可逆直流PWM变换器-电动机系统，电动机停止不动时，电枢电压和电流都是正负对称的交变信号，其平均值为零。

7、 2-7 步进电动机有哪些控制方式？ 答：步进电动机有单三拍控制、双三拍控制和六拍控制等3种控制方式。 2-8 步进电动机驱动器应满足哪些要求？ 答：步进电动机驱动器的各部分负责相应的任务，各自应满足以下要求。环形脉冲分配器要根据步进电动机的工作方式把脉冲送给各相绕组；细分电路的细分倍数可以选择以符合精确的步距角要求；功率放大驱动电路应提供与步进电动机类型规格及负载相匹配的定子电流，能输出足够的功率和转矩；具有限流、限压、过热等保护功能；足够高的脉冲响应频率；电动机运行平稳；具备脱机控制功能；较广的电源适应能力。 2-9 某调速系统，在额定负载下，最高转速为nmax=1500r/min，最低转

8、速为nmin=200r/min，带额定负载时的速度降落DnN=20r/min，且在不同转速下额定速降DnN不变，试问系统调速范围有多大？系统静差率是多少？ 解：调速范围为D=nmax1500=7.5 nmin200 静差率为s=DnN20=0.0909=9.09% nmin+DnN200+20 或s=DnNDDnND+nN=207.50.0909=9.09% 207.5+15002-10 某机床工作台采用晶闸管整流器-电动机调速系统。已知直流电动机额定参数PN=60kW、UN=220V、IN=300A、nN=1000r/min，电枢回路总电阻R=0.19，Ce=0.2Vmin/r，求： 当电流

9、连续时，在额定负载下的转速降落DnN为多少？ 开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率sN为多少？ 额定负载下的转速降落DnN为多少时，才能满足D=20、s5%的要求？ 解：DnN=INR3000.19=285r/min Ce0.2 sN=DnN285=0.2217=22.17% nN+DnN1000+285nNs10000.05r/min2.63r/min D(1-s)20(1-0.05) DnN=2-11 试分析有制动电流通路的不可逆PWM变换器-电动机系统进行制动时，两个VT是如何工作的？ 答：在图2-14a原理图中，当电动机在运行过程中需要减速或停车时，则应先减小控制电压，使ub1

10、的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使Ud0 降低。但由于惯性，电动机的转速和反电动势来不及立刻变化，使得Ud0 E。在tontT期间，由于ub2 为正，VT2 导通，电枢电流id 沿3号通路流通，电动机进入能耗制动状态。在0twci 3Ts30.0033满足晶闸管整流装置传递函数近似条件。 311=3s-158.4s-1wci 3TsToi30.00330.0025满足小时间常数近似条件。 计算电阻、电容数值： Ri=KiR0=0.29939kW11.66kW，可以用一个11kW和一个680W的金属膜电阻串联实现。 Ci=实现。 tiRi=0.012F1.03F，可以用一个1F和一个0.033F的

11、无极性电容并联11.66103Coi=4Toi40.0025=F0.256F，可以用一个0.22F和一个0.033F的无极性电容3R03910并联实现。 电流调节器电路图如下： 电流环等效时间常数：1=2Ti=20.0058s=0.0116s KI转速环小时间常数：按小时间常数近似处理，取 Tn=1+Ton=0.0116s+0.015s=0.0266s KI系统校正成典型II型系统，转速调节器也选用PI调节器。为兼顾跟随性能和抗扰性能，取h=5，则转速调节器积分时间常数为 tn=hTn=50.0266s=0.133s 转速环开环增益为 KN=h+15+1-2-2=s169.6s 22222hT

12、n250.0266则转速调节器的比例系数为 Kn=(h+1)bCeTm(5+1)0.01780.1960.22=9.618 2haRTn250.010.180.0266校验近似条件： wcn=KNtn=169.60.133s-122.56s-1 1KI186.2-1=s40.64s-1wcn 3Ti30.0058满足电流环传递函数简化条件。 1KI186.2-1=s25.27s-1wcn 3Ton30.015满足小时间常数近似条件。 计算电阻、电容数值： Rn=KnR0=9.61839kW375kW，可以用一个300kW和一个75kW的金属膜电阻串联实现。 Cn=联实现。 tnRn=0.133

13、F0.355F，可以用一个0.33F和一个0.022F的无极性电容并375103Con=4Ton40.015=F=1.538F，可以用一个1.5F和一个0.033F的无极性电容3R03910并联实现。 空载起动到额定转速时的转速超调量为 sn%=2(DCmaxDnT)(l-z)NnCbn*Tm3000.180.0266=281.2%1.50.1968.1% 10000.22满足要求。 40%负载起动到最低转速100r/min的超调量为 sn%=2(DCmaxDnT)(l-z)NnCbn*Tm3000.180.0266=281.2%(1.5-0.4)0.19659.5%1000.22空载起动到额

14、定转速的时间t2基本上就是恒流升速阶段所需的时间，根据公式且Id=1.5IN，IdL=0，E=Cen，则有 1.5IN=TmdECeTmnN， RdtRt2t2=CeTmnN0.1960.221000=s0.53s R1.5IN0.181.53003-12 试分析直流脉宽调速系统的不可逆和可逆电路的区别。 答：直流脉宽调速系统的主电路有不可逆和可逆电路两类。它们的区别在于 不可逆电路电动机最多只能运行在一、二两个象限，而可逆电路电动机可以运行在四个象限。 可逆电路能消除静摩擦死区。 可逆电路调速范围大，低速平稳性好。 可逆电路比不可逆电路功率管多，损耗较大。 3-13 晶闸管可逆系统中环流产生

15、的原因是什么？有哪些抑制方法？ 答：环流是由于两组反并联整流装置同时工作时瞬时电压不同产生的。抑制环流的办法主要有两种：采用配合控制并在环流回路中串入环流电抗器限制环流，采用逻辑控制保证任何时候只有一组工作就不会产生环流。 3-14 无环流逻辑控制器中为什么必须设置封锁延时和开放延时？延时过大或过小对系统有何影响？ 答：因为正、反组切换必须等到电枢电流降到零后才能进行，逻辑切换指令发出后不能马上执行，必须设置封锁延时和开放延时。延时过小可能使得切换不可靠，一组尚未完全关断另一组就开通了。延时过大则正反转过渡过程太慢，影响系统快速性。 3-15 请从系统组成、功用、工作原理、特性等方面比较PWM

16、可逆直流调速系统与晶闸管可逆直流调速系统的异同点。 答：两者系统组成原理框图相似，但主电路及功率元件不同，PWM可逆直流调速系统主电路一般采用H桥电路，功率元件采用MOSFET或IGBT等全控型器件；而晶闸管可逆直流系统主电路是反并联晶闸管整流电路。两者都能实现直流电动机可逆运行，但两者工作原理和特性有所不同。PWM可逆系统通过高频脉宽变化改变速度和方向，系统响应快、调速范围大、电流总是连续的、能消除静摩擦死区，而且可以直接使用直流电源；V-M可逆系统通过改变移相触发角调节速度，通过切换正反组改变方向，系统响应较慢，电流有可能断续，可能出现环流，而且必须采用交流电源，存在电力污染，但功率容量大

17、。 3-16 弱磁与变压协调控制系统空载起动到额定转速以上，主电路电流和励磁电流的变化规律是什么？ 答：该系统在空载起动到额定转速过程中，励磁电流保持不变以使得磁通恒定，而主电路电流在转速、电流双闭环系统控制下保持在允许的最大值。超过额定转速后，励磁电流逐步减小，而主电路电流保持在与负载对应的较小值。 4-1 异步电动机的变压调速需要何种交流电源？有哪些交流调压方法？ 答：既然是变压调速就需要一种电压可以调整的单相或三相交流电源，过去采用自耦变压器或带直流励磁绕组的饱和电抗器，现在采用晶闸管交流调压器及全控型开关斩波调压器。 4-2 异步电动机变压调速开环控制系统存在什么缺点？而闭环控制系统是

18、如何改进性能的？ 答：普通异步电动机采用变压调速时，调速范围很窄，采用力矩电动机可以增大调速范围但负载变化时静差率很大，开环控制很难解决这个矛盾。力矩电动机采用闭环控制，由于系统放大倍数很大，闭环稳态特性可以很硬，如果采用PI调节器则可以做到无静差。改变给定信号可以实现较大范围的调速。 4-3 什么是SPWM控制技术？什么是SVPWM控制技术？ 答：SPWM控制技术即正弦波脉宽调制技术，对于电压正弦PWM技术，就是将电压正弦波正半周分为N等份，然后把每一份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等份的中点重合。这样，由N个等幅而不等宽的矩

19、形脉冲所组成的脉冲序列就与正弦波的正半周等效。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。 SVPWM控制技术即电压空间矢量PWM技术，是从电机的角度出发，目的在于使交流电动机产生圆形磁场。它是以三相对称正弦波电源供电时交流电动机产生的理想磁链圆为基准，通过选择逆变器功率开关器件的不同开关模式，使电动机的实际磁链尽可能逼近理想磁链圆。 4-4 矢量控制系统的基本思想是什么？为何采用矢量控制可以使交流调速系统达到与直流调速系统相当的性能？ 答：异步电动机矢量控制的目的是仿照直流电动机的控制方式，利用坐标变换的手段，把交流电动机的定子电流分解为磁场分量电流(相当于励磁电流)和转矩电流分量分别加以控

20、制，以获得类似于直流调速系统的动态性能。因为用来进行坐标变换的物理量是空间矢量，所以将这种控制系统称为矢量变换控制系统。 4-5 直接转矩控制系统的基本思想是什么？试分析比较矢量控制系统与直接转矩控制系统各有何特点。 答：直接转矩控制系统采用双位式控制，根据定子磁链幅值偏差、电磁转矩偏差的符号以及期望电磁转矩的极性，再依据当前定子磁链矢量所在的位置，直接产生PWM驱动信号，避开了旋转坐标变换，省掉复杂计算，简化了控制结构。 矢量控制系统与直接转矩控制系统的性能特点比较如下： 性能与特点 磁链控制 转矩控制 电流控制 坐标变换 磁链定向 调速范围 转矩动态响应 直接转矩控制系统 定子磁链闭环控制

21、 双位式控制，有转矩脉动 无闭环控制 静止坐标变换，较简单 需知道定子磁链矢量的位置， 但无需精确定向 不够宽 较快 矢量控制系统 转子磁链可以闭环控制， 也可以开环控制 连续控制，比较平滑 闭环控制 旋转坐标变换，较复杂 按转子磁链定向 比较宽 不够快 4-6 一台三相笼型异步电动机的铭牌数据为：额定电压UN=380V，额定转速nN=960r/min，额定频率fN=50Hz，定子绕组为Y形联结。定子电阻Rs=0.34，定子漏感Lls=0.006H，定子绕组产生气隙主磁通的等效电感Lm=0.25H，折算到定子侧的转子电阻Rr=0.49，转子漏感Llr=0.007H，忽略铁心损耗。 画出异步电动

22、机T形等效电路和简化等效电路； 求额定运行时的转差率sN、定子额定电流I1N和额定电磁转矩TeN； 求定子电压和频率均为额定值时，理想空载时的励磁电流I0； 求定子电压和频率均为额定值时，临界转差率sm和临界转矩Tm，画出异步电动机的机械特性。 解： T形等效电路 简化等效电路 显然，np=3，n1=1000r/min。 sN=n1-nN1000-960=0.04 n11000根据简化等效电路，有 I1N(Rs+UsNRrsN)+w221N(Lls=+Llr)2(0.34+3800.492)+3142(0.006+0.007)20.04A28.7A 由于sN很小，近似有 TeN23npUsNs

23、Nw1NRr3338020.04=Nm337.87Nm 3140.49理想空载相当于转子回路开路，则 I0=UsNRs2+w21N(Lls+Lm)2=3800.34+314(0.006+0.25)222A4.73A sm=RrRs2+w21N(Lls+Llr)2=0.490.34+314(0.006+0.007)=2220.12 Tem=23npUsN33380223140.34+0.34+314(0.006+0.007)2222w1NRs+466.49NmRs2+w21N(Lls+Llr)2Nm 该异步电动机的机械特性如下： 4-7 异步电动机参数同题4-6，画出变压调速时的机械特性，计算临

24、界转差率sm和临界转矩Tm，分析气隙磁通的变化和在额定电流下的电磁转矩，分析在恒转矩负载和风机类负载两种情况下变压调速的稳定运行范围。 答：变压调速时的机械特性如下图所示。sm与题4-6相同，而临界转矩Tm与定子电压的二次方成正比，故0.7UsN时的临界转矩为229.3Nm，0.5UsN时的临界转矩为117Nm。 电压降低时，气隙磁通也随之减小，额定电流下的电磁转矩也会减小。在恒转矩负载下，普通笼型异步电动机变电压时的稳定工作点如上图中A、B、C点，转差率s的变化范围为0 sm，调速范围有限，不能实现低速运行。因为s sm时，不但电动机不能稳定运行，随着转子电流增大还可能造成过热而损坏电动机。

25、如果带风机、泵类负载运行，则工作点为D、E、F，采用变压调速可得到较大的调速范围。 4-8 按基波以下和基波以上分析电压频率协调的控制方式，画出： 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性； 基频以下电压频率协调控制时异步电动机的机械特性； 基频以上恒压变频控制时异步电动机的机械特性； 电压频率特性曲线U = f。 答：如下图中固有特性 如下图中基频以下部分 如下图中基频以上部分 a为无补偿时特性曲线，b为有补偿时特性曲线。 4-9 异步电动机参数同题4-6，输出频率时f=fN，输出电压U=UN。考虑低频补偿，若频率f=0，输出电压U=10%UN。 求出基频以下电压频率特性曲线U = f的表达

26、式，并画出特性曲线； 当f = 5Hz和f = 2Hz时，比较补偿和不补偿的机械特性曲线，以及两种情况下的临界转矩Tem。 解：Us=0.9UNf+0.1UN=3.96f+22 fN特性曲线如下： Us/V 220 22 50 0 f /Hz 当f = 5Hz和f = 2Hz时，如果不补偿临界转矩较小，补偿后临界转矩增大，机械特性曲线向右扩展。 f = 5Hz时，补偿前Us = 22V， Tem=3npUs22w1Rs+R+w(Lls+L)2s21lr2=33222231.40.34+0.34+31.4(0.006+0.007)222Nm79.6Nm f = 5Hz时，补偿后Us = 41.8

27、V，则 Tem=3npUs22w1Rs+R+w(Lls+L)2s21lr2=3341.82231.40.34+0.34+31.4(0.006+0.007)222Nm287.4Nm f = 2Hz时，补偿前Us = 8.8V， Tem=3npUs22w1Rs+R+w(Lls+L)2s212lr=338.82212.560.34+0.34+12.56(0.006+0.007)222Nm38.68Nmf = 2Hz时，补偿后Us = 29.92V，则 Tem=3npUs22w1Rs+R+w(Lls+L)2s212lr=3329.922212.560.34+0.34+12.56(0.006+0.007

28、)222Nm447.37Nm4-10 若三相电压分别为uAO、uBO、uCO，如何定义三相定子电压空间矢量uAO、uBO、uCO和合成矢量us？写出它们的表达式。 答：电压空间矢量下图所示。A、B、C分别表示在空间静止的电动机定子三相绕组的轴线，它们在空间互差2，三相定子电压uAO、uBO、uCO分别加在三相绕组上。可以定义3三个定子电压空间矢量uAO、uBO、uCO。当uAO 0时，uAO与A轴同向，当uAO 0时，uAO与A轴反向，B、C两相也一样。则电压矢量可表示为 uAO=kuAO uBO=kuBOej j2 uCO=kuCOe 其中=2，k为待定系数。 3三相合成矢量为 us=uAO

29、+uBO+uCO =kuAO+kuBOej+kuCOej2 4-11 试论述转速闭环转差频率控制系统的控制规律、实现方法及系统的优缺点。 答：在s值很小的稳态运行范围内，如果能够保持气隙磁通不变，异步电动机的转矩就近似与转差角频率成正比。这就是说，在异步电动机中控制s，就和直流电动机中控制电枢电流一样，能够达到间接控制转矩的目的。 按恒Eg/1控制时可保持Fm恒定，要实现恒Eg/w1控制，必须采用定子电压补偿控制，以抵消定子电阻和漏抗的压降。实现上述转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统原理图如下图所示。转速调节器的输出信号是转差频率给定s*，*和电流反馈s*与实测转速信号w相加，即得定子频率

30、给定信号w1，即1=s+。由w1*信号Is从微机存储的Us用Us*和w1控=f(1,Is)函数表格中查得定子电压给定信号Us*，制PWM逆变器，即可实现对异步电动机转差频率控制的变频调速。 转差频率控制系统具有突出优点：转差角频率s*与实测转速w相加后得到定子角频率*，在调速过程中，定子角频率w1随着实际转速w同步地上升或下降，因此加、减速平滑w1而且稳定。同时，由于在动态过程中ASR饱和，系统以对应于smax的最大转矩Temax起、制动，并限制了最大电流Ismax，保证了在允许条件下的快速性。 转差频率控制是一个较好的控制策略，其调速系统的稳、动态性能接近转速、电流双闭环直流调速系统。不过，它的性能还不能完全达到双闭环直流调速系统，其原因如下： 转差频率控制系统是基于异步电动机的稳态数学模型的，所谓的“保持磁通Fm恒定”只有在稳态情况下才能做到。在动态过程中难以保持磁通Fm恒定，这将影响到系统的动态性能。 电压频率特性只控制定子电流的幅值，没有考虑到电流的相位，而在动态中相位也是影响转矩变化的因素。 如果转速检