湘潭大学运动控制系统试题库

1、复习：宜流调速系统问题1-2:衡量调速系统的性能指标是哪些?调速氾围D_nmax/nmin=nnom/nmin静差率S=znnom/n0*100%对转差率要求高，同时要求调速范围大（D大S小）时，只能用闭环调速系统。和负载匹配情况：一般要求：包功率负载用恒功率调速，恒转矩负载用包转矩调速。问题1-3:请比较直流调速系统、交流调速系统的优缺点，并说明今后电力传动系统的发展的趋势.* 直流电机调速系统优点：调速范围广，易于实现平滑调速，起动、制动性能好，过载转矩大，可靠性高，动态性能良好。缺点：有机械整流器和电刷，噪声大，维护困难；换向产生火花，使用环境受限；结构复杂，容量、转速、电压受限。* 交

2、流电机调速系统（正好与直流电机调速系统相反）优点：异步电动机结构简单、坚固耐用、维护方便、造价低廉，使用环境广，运行可靠，便于制造大容量、高转速、高电压电机。大量被用来拖动转速基本不变的生产机械。缺点：调速性能比直流电机差。* 发展趋势：用直流调速方式控制交流调速系统，达到与直流调速系统相媲美的调速性能；或采用同步电机调速系统.问题1-4:直流电机有哪几种？直流电机调速方法有哪些？请从调速性能、应用场合和优缺点等方面进行比较.哪些是有级调速？哪些是无级调速？直流电动机中常见的是有换向器直流电动机，可分为申励、并励、复励、他励四种，无换向器直流电动机属于一种特殊的同步电动机。根据直流电机的转速n

3、=U丁公式，调速方法有变压调速、变电阻调速和变转差率调速。70nom,一般只能配合调压调速方案，在基频以上（即调压调速：调节电压供电电压进行调速，适应于：U&Unom,基频以下，在一定范围内无级平滑调速。弱磁调速：无级，适用于电动机额定转速以上）作小范围的升速。变电阻调速：有级调速。变转差率调速：无级调速。问题1-5:带有比例调节器的单闭环直流调速系统，如果转速的反馈值与给定值相等，则调节器的输出为（A）A、零；B、大于零的定值C、小于零的定值；D、保持原先的值不变问题1-6:什么是调速范围D?什么是静差率S,两者的关系如何？用什么方法可以使调速系统满足D大S小的控制要求？调速氾围Dn

4、max/nmin=nnom/nminD大S小）时，只能静差率Snnom/no*100%对转差率要求高，同时要求调速范围大（用闭环调速系统。G-M系统）、静止可控整流器（V-M问题1-7:直流调速系统用的可控直流电源有：旋转变流机组（系统）、直流斩波器和脉宽调制变换器（PWM）。一名词解释1-8:G-M系统V-M系统PWMPFMG-M系统：交流电动机拖动直流发电机G实现变流，由直流发电机给需要调速的直流电动机M供电，调节G的励磁电流及改变其输出电压，从而调节M的转速。优点：在允许转矩范围内四象限运行。缺点：设备多，体积大，费用高，效率低，有噪音，维护不方便。V-M系统：晶闸管，工作在相位控制状态

5、，由晶闸管可控整流器V给需要调速直流电动机M供电，调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流器V的输出电压，从而调节直流电动机M的转速。优点：经济性和可靠性提高，无需另加功率放大装置。快速性好，动态性能提高。缺点：只允许单向运行；元件对过电压、过电流、过高的du/dt和di/dt十分敏感；低速时易产生电力公害：系统功率因数低，谐波电流大。PWM:脉冲宽度调制（PWM）,晶闸管工作在开关状态，晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上；晶闸管关断时，直流电源与电动机断开；这样通过改变晶闸管的导通时间（即调占空比ton）就可以调节电机电压，从而进行调速。PWM调速系统优点：系统低速

6、运行平稳，调速范围较宽；电动机损耗和发热较小；系统快速响应性能好，动态抗扰能力强；器件工作早开关状态，主电路损耗小，装置效率较高。PWM调速系统应用：中、小功率系统PFM脉冲频率调制（PFM）,晶闸管工作在开关状态，晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上；晶闸管关断时，直流电源与电动机断开；晶闸管的导通时间不变，只改变开关频率f或开关周期T（即调节品闸管的关断时间toff）就可以调节电机电压，从而进行调速。问题1-9:哪些是控制系统的稳态性能指标、稳定性指标和动态性能指标？稳态性能指标是：调速范围Dnmax/nminnnom/nmin和静差率Snnom/n0*100%稳定性指标：柏德图（对数

7、幅频特性和对数幅频特性）典型I型系：对数幅频特性以20dB/dec的斜率穿越零分贝线，只有保证足够的中频带宽度，系统就一定是稳定的，且有足够的稳定裕量。丫900-tg-1cocT>45典型II型系统：对数幅频特性以20dB/dec的斜率穿越零分贝线。Y=180-180+tg-1ct-tg-1cT=tg-1ct-tg-1cT动态性能指标分跟随性能指标和抗扰性能指标：跟随性能指标上升时间：在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值所经过的时间（有些教材定义为10%-90%）超调量：在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量超出稳态值的最大偏移量与稳态值之比。【调节时间：又称过度过程时

8、间原则上是系统从给定量阶跃变化到输出量完全稳定下来的时间。一般在阶跃响应曲线的稳态值附近，r取±5%（或±2%）的范围作为允许误差。抗扰性能指标：动态降落：在系统稳定时，上加一个约定的标准的扰动量，在过度过程中引起的输出量最大降落值。恢复时间：从阶跃扰动作用开始，到输出量基本恢复稳态，距新稳态值之差进入某基准量的士5%（或±2%）范围之内所需的时间。问题1-10:转速、电流双闭环调速系统的起动过程特点是、和。饱和非线性控制ASR饱和，转速环开环，恒值电流调节的单闭环系统；ASR不饱和，转速环闭环，无静差调速系统.准时间最优控制：恒流升速可使起动过程尽可能最快.转速

9、超调：只有转速超调才能使ASR退饱和.问题1-11:转速、电流双闭环调速系统中，转速环按典型R型系统设计,抗扰能力强，稳态无静差。电流环按典型I型系统设计,抗扰能力稍差，超调小。问题1-12:无静差调速系统的PI调节器中P部份的作用是（D）A、消除稳态误差；B、不能消除稳态误差也不能加快动态响应C、既消除稳态误差又加快动态响应；D、加快动态响应问题1-15:位置随动系统解决的主要问题是什么？试比较位置随动系统与调速系统的异同。位置随动系统解决的主要问题是实现执行机构对位置指令（给定量）的准确跟踪。随动系统一般称伺服系统位置随动系统与调速系统的相同点：两者的控制原理相同，它们都是反馈控制系统，即

10、通过对系统的输出量与给定量进行比较，组成闭环控制。位置随动系统与调速系统的相异点：调速系统的给定量是恒值，不管外界扰动情况如何，希望输出能够稳定，因此系统的抗扰性能显得十分重要。位置随动系统中的位置指令是经常变化的，是一个随机变量，要求输出量准确跟踪给定量的变化，输出响应的快速性、灵活性、准确性成了位置随动系统的主要特征。位置随动系统在结构上往往比调速系统复杂一些。位置随动系统可以在调速系统的基础上增加一个位置环，位置环是位置随动系统的主要结构特征。问题1-16:什么是串联校正、并联校正和复合控制？试举例说明它们的使用场合。串联校正（调节器校正），采用PID校正的单位置环随动系统，可以得到较高

11、的截止频率和对给定信号的快速响应，结构简单。由于不使用测速机，从而排除了测速机带来的干扰，但反过来又使摩察、间隙等非线性因素不能很好地受到抑制。负载扰动也必须通过位置环进行调节，没有快速的电流环及时补偿而使动态误差增大。同时PID调节器是采用比例微分超前作用来对消调节对象中的大惯性，属于串联校正，常会因放大器的饱和而削弱微分信号的补偿强度，还会因控对象参数变化而丧失零极点对消的效果。因此单位置环的随动系统仅适用于负载较轻，扰动不大，非线性因素不太突出的场合。并联校正在调速系统中引入被调量的微分负反馈是一种很有效的并联校正，在随动系统中经常采用这种并联校正，有助于抑制振荡、减小超调，提高系统的快

12、速性。在位置随动系统中转速微分负反馈的并联校正比转速反馈的并联校正好，因为它不需增大K1就可以保证原有的稳态精度，而快速性同样可以得到一定程度的提高，只受到小时间常数及测速发电机信号中噪声干扰的限制。复合控制当随动系统输入信号的各阶导数可以测量或者可以实时计算时，利用输入信号的各阶导数进行前馈控制构成前馈控制（开环控制）和反馈控制（闭环控制）相结合的复合控制，也是一种提高系统稳态和动态品质指标的有效途径。二、回顾：交流调速系统问题2-5:常用的异步电动机调速有哪些？哪些属于转差功率消耗型？哪些属于转差功率不变型？哪些属于转差功率回馈型？异步电动机调速方法有：降电压调速、绕线式异步电机转子用电阻

13、调速、用级调速、变极调速、变频调速等。降电压调速、绕线式异步电机转子用电阻调速属于转差功率消耗型审级调速属于转差功率回馈型变极调速、变频调速属于转差功率不变型。问题2-6:变极调速方法对笼型与绕线式电动机是否都适用，为什么？变极调速只适合于本身具备改变极对数的笼型电动机（双速电动机、三速和四速电动机），它们可以通过改变极对数是用改变定子绕组的接线方式来完成调速，绕线式电动机一般采用转子传电阻或审级调速。问题2-8:请简述交流异步电动机变极调速的工作原理，并说明其特点和应用场合。变极调速是通过改变定子绕组的极对数来改变旋转磁场同步转速进行调速的，是无附加转差损耗的高效调速方式。改变极对数是用改变

14、定子绕组的接线方式来完成的（双速电动机、三速和四速电动机）这种改变极对数来调速的笼型电动机，通常称为多速感应电动机或变极感应电动机。缺点：有级调速，而且调速级差大，从而限制了它的使用范围。特点：具有较硬的机械特性，稳定性良好；无转差损耗，效率高；接线简单、控制方便、价格低；有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。变极调速适合于：按24档固定调速变化的场合，（不需要无级调速的生产机械），如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。问题2-9:晶闸管交流调压调速系统中，对触发脉冲有何要求，为什么？品闸管交流调压调速系统中，要求用

15、宽脉冲、双窄脉冲或脉冲列触发，以保证可靠换流，防止直通。晶闸管是半控器件，只需要用脉冲触发其导通，不需要控制其关断。问题2-10:请简述交流异步电动机定子调压调速的工作原理，并对三种常用的调压方法进行说明。当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源。目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及品闸管调压等几种。品闸管调压方式为最佳。调压调速的特点：调压调速线路简单，易实现自动控制。调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。通过改变自耦变压器变比，来改变电

16、机电压，从而进行调速。通过改变直流励磁电流来控制铁心的饱和程度，改变交流电抗值，改变电机电压，实现降压调速。饱和，交流电抗小，电机定子电压高。通过控制品闸管的导通角，来调节电动机的端电压，从而进行调速。问题2-15:请简述品闸管调压调速的工作原理，并说明其优缺点。画出几种晶闸管主电路的连接方法，指出他们各自的特点。在交流异步电动机变压调速系统中，由于电动机的转矩与电压平方成正比，通过控制品闸管的导通角，来调节电动机的端电压，从而进行调速。优点：维护方便，噪声小，可以四象限运行。缺点：电网输入电压为正弦波，但输出电压不为正弦波，谐波大，功率因素低，机械特性软。解决办法：采用闭环系统。三相分支双向

17、控制绕组Y连接：特点：用双脉冲或者宽60。脉冲触发晶闸管SCR,输出含有奇次谐波，绕组Y连接。如电机绕组带中线，可消取三次谐波电流，但仍然存在其他次谐波，产生脉动转矩和附加损耗。与其它接法相比，此接法谐波分量最小。三相分支双向控制绕组连接：特点：用双脉冲或者宽60°脉冲触发SCR,输出含有奇次谐波，绕组连接。有其它的高次谐波，产生脉动转矩和附加损耗。三相分支单向控制绕组Y连接：特点：每一相制用一个用品闸管和一个二极管反并联,可以降低成本，但各相波形不对称，输出含有偶次谐波，降低了运行性能，所以只用于小容量装置。三相形双向控制绕组连接特点：品闸管用接在相绕组回路中，在同等容量下，品闸管

18、承受的电压高而电流小,适合于电机绕组连接的情况。三相零点连接，单向控制特点：电路简单，品闸管放在负载后面，可以减小电网浪涌电压对它的冲击，但因为是单向控制奇次、偶次谐波都存在，运行效率稍低。只适合于小容量电机。问题2-17:请简述绕线式异步电动机转子用电阻调速的工作原理，并说明其优缺点。绕线式异步电动机转子用入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行，申入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。三、交流异步电动机变频调速的理论基础问题3-3:交流异步电动机变频调速系统在基速以上和基速以下分别采用什么控

19、制方法，磁通、转矩、功率呈现怎样的变化规率？并请用图形表示恒磁通调速（基频以下）U”f仔常数，并补偿定子电阻损耗包功率调速（基频以上）升高电源电压时不允许的，在频率上调时，只能保持电压不变。频率越大，磁通就越小，类似于直流电动机的弱磁增速。问题3-5:交流异步电动机变频调速系统的控制方式有恒磁通控制、恒功率控制和恒电流控制三种、具中恒磁通控制又称恒转矩控制问题3-6:如果在交流异步电动机变频调速系统采用恒转矩控制时，出现励磁电流急剧增加的现象（实际上时由于电压补偿过多），导致系统不能正常工作，应采取的解决办法有：适当增加帘子电压U1和在开环系统上加电流负反馈，以便限制帘子励磁电流，（实际上，变

20、为恒转矩负载加恒电流控制）。问题3-11:什么是变转差率调速？在转差率s很小的范围内，只要能够维持气隙磁通4m不变异步电机的转矩就近似与转差角频率s成正比，即在异步电机中，控制转差率就代表了控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念。问题3-19:交流异步电动机变频调速控制策略的研究（电气传动自动化）2003,25（5）P2225常规控制策略：包压频比控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制现有控制策略：转子参数推算法、自适应控制、鲁棒控制非线性控制（非线性反馈控制、逆控制）智能控制（神经网络于内模复合控制、模糊于模型参考自适应复合控制、模糊于变结构复合控制、滑模/模糊/神经网络的复合控制）热门

21、课题及关键技术非线性自适应控制智能控制器算法的实用化、双优控制、在线诊断和容错控制）四、交流异步电动机矢量变换控制问题4-1:在实际系统中，怎样保证E2/fi=K?E2转子磁链在每相定子中的感应电动势，（忽略转子电阻损耗）转子磁链包值，机械特性线性，稳态性能和动态性能好，最难实现。是矢量控制追求的目标.问题4-2:什么是矢量控制系统VCS或TCS矢量变换控制系统？请画出矢量控制系统的构思框图，并简述其工作原理。将异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，那么，模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过坐标反变换，就能够控制异步电动机。由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢

22、量，所以这样通过坐标变换的控制系统就叫做矢量控制系统VCS（VectorControlSystem）矢量变换控制系统TCS（Trans-vectorControlSystem）*:-*jA_Uc-1ml*控制器+Vr-1uw反馈信号问题4-3:三相异步电动机的数学模型包括：电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程c问题4-4:将三相交流电机变换成两极直流电机的物理模型要经过的坐标变换有哪些？先将静止的三相坐标A-B-C转换成静止的两相坐标a-B,再将静止的两相坐标a-B换成旋转的两相坐标d-q或极坐标（M-T）o问题4-5:三相异步电动机动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统、问题4

23、-7:坐标变换有哪些？坐标变换原则有哪两种？它们各用于什么场合？坐标变换有：静止的三相坐标（A-B-C）一旋转的两相坐标（d-q-0）,P246cos入sin入C3S/2R=cos（入-120C）sin（入-120C）Cos（入+120C）sin（入+120C）21212旋转的两相坐标（d-q）一静止的三相坐标（A-B-C）,C2R/3S=C3S/2R1静止的三相坐标（A-B-C）一静止的两相坐标（a-B-0）,零轴电流1-1122C3S/2s=J3J3"2-TKK静止的两相坐标（a-B-0）一静止的三相坐标（A-B-C）,C2s/3S=C3S/2s-1静止的两相坐标（a-B）一旋转

24、的两相坐标（d-q）,C2s/2R=cos入sin入fL-sinCcos入旋转的两相坐标（d-q）一静止的两相坐标（a-B）C2s/2R=C2R/2s-1直角坐标与极坐标7Me=art喈或I=Ne=artg（j）因为8在090c变化时，tg8的变化范围是0区,这个变化范围太大，常改用下式求8值:0=2artg(iT坐标变换原则有功率不变原则和空间矢量不变原则两种。功率不变原则是保持坐标变换前后的电动机功率不变，在电力拖动系统中应用较多。空间矢量不变原则是保持坐标变换前后的电流、电压、电动势等空间矢量的相位、幅值不变。问题4-8:磁链直接检测的方法有哪些？各有何缺点？磁链直接检测的方法有检测线圈

25、法和磁通传感器法 检测线圈法是在定子中安放宽度等于全极距的检测线圈，可产生正比于磁通变化的信号，通过积分求得主磁通的测量值。这种方法由于积分有漂移，硬件上不易实现，故应用不多。 磁通传感器法是异步电动机的气隙中设置两个磁链传感器，它们分别装在与a相绕组磁轴重合和垂直的位置，用来分别检测气隙磁链在静止坐标系中的两个分量小,m和小Bm。由于这种检测方法必须在电机内置检测器，使用不方便，且检测的气隙磁链含有大量谐波，容易造成系统不稳定。问题4-9:请写出在二相静止坐标系上的转子磁链观测模型。在二相静止坐标系上的转子磁链观测模型有电流模型观测器和电压模型观测器：电流模型观测器：当电机转速小于额定转速的

26、10%,定子绕组压降不可忽略，异步电动机在静止坐标系（aP）中的电压方程为：ua(Rs+Lsp0Lmp0iauB=0Rs+Lsp0LmP里0LmP®LmRr+LrP«Lriaq0-OLmLmp-OLrRr+Lrp)J0可得：00=p(Lm&Lria)+O(Lmi母Lig)+Rri口-0=p(Lmi苜+Lrip)CO(Lmi(g+LriCT)+RriR转子磁链可表示为：=Lmd+Lria净=Lmi届+Lrip1 .1由上述3式解出小年并化简得：5a=（Lmios-8TNR），昨=（Lm隔+8丁川仪）1T2P-1T2P式中：Tr一转子绕组的电磁时间常数，U"一

27、定子。绕阻电压，u国一定子口绕阻电压，i一定子口绕阻电流，叫一定子酷阻电流，中a与转子a绕阻匝链的磁链，中日一与转子P绕阻匝链的磁链。电压模型观测器：当电机转速在额定转速的10%以上，忽略定子绕组压降，定子回路的电压平衡方程式为：us=p'-s=Lspis+Lmpir转子磁链可以用电感和电流表示，'-r=Lmis+Lrir其中：p微分算子Us一定子电压，is一定子电流，中s一定子磁链，叫一转子磁链，Rs一定子绕阻电阻，Rr一转子绕阻电阻，Ls一定子绕阻全电感，Lr一转子绕阻全电感，Lm定、转子绕阻之间的互感。2 2从上述两式中消去i.，得：*=LrfUs-'Lr一dt,

28、令：Ks=Lr,K产LsLr-LmLmLrdtLmL叫在静止坐标系中的分量为：中值=Ksfu4-Kr%dt,中的KsfuB-Kr叫上dt。dtdt问题4-12:磁链定向方法有哪些？采用M-T坐标系是按什么磁链定向？磁链定向方法有三种： 按转子磁链（K（小2）定向：控制性能最好，但转子磁链不易测量和控制； 按气隙磁链4m定向：气隙磁链较易测量和控制，但控制性能不好；按定子磁链Is（小1）定向：定子磁链最容易测量和控制，但控制性能不好；五、交流异步电动机直接转矩控制名词解释：DTCDSCSPWM原型电动机DTC（DirectTorqueControl）或DSC（DirectSelfControl）

29、：直接转矩控制，通过改变电机磁场对转子的瞬时转差速率，以直接控制异步机的转矩和转矩增加率，获得电机的快速响应。SPWM:正弦波脉宽调制，将正弦半波N等分，把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来替代。三角波载波信号Ut与一组三相对称的正弦参考电压信号UraUrb、Urc比较后，产生的SPWM脉冲序列波Uda、Udb、Udc作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。逆变器输出电压的基波正是调制时所要求的正弦波，调节正弦波参考信号的幅值和频率就可以调节SPWM逆变器输出电压的幅值和频率。原型电动机：（两相电动机），它具有两个集中绕组，即d轴绕组（直轴绕组）和q轴绕组（交

30、轴绕组），两个绕组互相垂直，可以对转矩和磁通进行独立控制其转子结构与直流电动机一样，有枢和换向器等。问题5-1:简述直接转矩控制的工作原理，并比较它与矢量控制的异同点。直接转矩控制技术利用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标下计算和控制交流电动机的转矩，它采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节（Band-Band控制）产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它省掉了复杂的矢量变换与电动机的数学模型的简化处理，没有通常的PWM信号发生器，它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理结构明确。该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内。且无超调，是

31、一种具有高性能的交流调速方法。+接转矩控制与矢量控制的相同点是：两者都要对转矩和磁链进行控制。 直接转矩控制与矢量控制的相同异点如下：直接转矩控制只利用定子侧参数，而矢量变换控制是利用转子侧参数，这些参数容易受转子转速变化的影响；直接转矩控制在静止的坐标系中进行，控制运算比矢量变换控制简单；直接转矩控制对转矩进行闭环控制，准确性高，动态性好，而矢量控制则过分要求圆磁磁链和正弦波电流；直接转矩控制和直接磁链控制采用滞环，参数选择适当可弥补由直接转矩控制引起的速度下降。直接转矩控制利用相电压矢量的概念，对逆变器的功率开关进行综合控制，开关次数少，开关损耗少问题5-2:请画出异步电动机的空间矢量等效

32、电路图，并推出稳态转矩的计算公式。在正交定子坐标系（a-B坐标系）上描述异步电机的等效电路图,us定子电压空间矢量,ir转子电流空间矢量,巾s定子磁链空间矢量,is定子电流空间矢量电角速度（机械角速度对极对数的积）巾r转子磁链空间矢量异步电动机在定子坐标系下的电压方程:us=Rsis+s0=Rrir-Ur+j小r定子磁链巾s=Liu,转子磁链巾r=s-L°iu定子旋转磁场提供的功率3P=WsTd=-(saisa+spisB)图5-1异步电动机的空间矢量等效电路图其中：CDs定子频率(定子旋转磁场频率)3sQt=-s巾sBsp=3s巾sa行转矩Td=(IpsaisB-巾sBisa)由i

33、s=iu+ir可得转矩Td=一(巾sB巾ra巾sawrB)=-I巾sII巾rIsin0L2L2<JCT转矩为定子磁链与转子磁链的交叉乘积，9磁通角(定子磁链与转子磁链之间夹角)在实际运行中，保持定子磁链的幅值为额定值，以便充分利用电动机；而转子磁链幅值由负载决定。通过改变磁通角8可实现异步电动机转矩的改变，通过改变转子电流可改变转子磁链，定子磁链可以以定子电压的积分来改变。8个电压状态形成的电压空间矢量图，并说明定子磁链的运动轨迹。问题5-3:请画出电压型逆变器电压型逆变器，为三组六个开关同一桥臂的两个开关互为反向：一个接通“1”，另一个断开逆变器8个电压状态：Vi(100),V2(11

34、0),V3(010),V4(011),V5(001),V6(101)构成正六边形的顶点，V7(111),V0(000)位于正六边形的中心。由相电压波形图可直接得到逆变器的各开关状态，1一状态6),两者的开关状态顺序一致6个状态一个周期(状态相电压波形幅值两个：±2Ud/3和±4Ud/3忽略定子电阻和漏感的影响，定子回路的电压平衡方程式为：uS=eS=dips/dt少s=us*t+4s0,4s0定子磁链的初始值。从电压型逆变器8个电压状态形成的电压空间矢量图可见：定子磁链矢量4s的增长方向，即4s矢头的运动方向决定于电压矢量us的方向；定子磁链空间矢量顶点的运动方向和轨迹对应

35、于相应的电压空间矢量的作用方向。图5-2电压型逆变器图5-38个电压状态的空间矢量图只要定子电阻压降比起定子电压足够小，这种平衡就能得到很好地近似)，在适当地时候依次给出定子电压空间矢量，则得到的定子磁链的运动轨迹依次按V1-V6运动，形成正六边形磁链。正六边形的六条边代表磁链空间矢量一个周期的运动轨迹，称区段(扇区)Si区段(扇区)S6少s矢头的运动速率与us的幅值Us成正比；若us=0,则少s停止运动(V0、V7)；若有效电压矢量依照矢量图Vi一V2一V3V4V5一V6的次序交替作用，且作用时间相等，则少s矢头的运动轨迹为一正六边形。问题5-4:交流异步电动机采用直接转矩控制，在正六边形的

36、定子磁链图中怎样实现恒转矩控制和恒功率控制。逆变器8个电压状态：Vi,V2,V3,V4,V5,V6构成正六边形的顶点，V7,V0位于正六边形的中心。若改变有效电压矢量的交替作用时间，即改变4s的旋转速度，由于有效电压矢量的幅值不变，所以它们的作用时间改变后，正六边形的面积将发生变化。作用时间变短，正六边形的面积变小，面积=Viti,磁链幅值少s也将变小。因此可以用这种方法控制异步电动机的弱磁调速。若在有效电压矢量的作用期间以一定规律插入零矢量（V7,V0）,少s以最大旋转速度旋转，零矢量作用时4s停止运动。由于零矢量的插入，4s走走停停，所以旋转速度变慢了。显然，零矢量的作用时间越长，4s的旋

37、转速度越慢。如果在插入零矢量后还保持每个有效电压矢量的作用总时间不变，不难想象，正六边形的面积将不变，即磁链矢量的幅值将不变。用这种方法可以控制异步电动机的恒磁通调速，即恒转矩调速。问题5-6:请画出异步电动机直接转矩控制调速系统的组成框图，并说明各模块的功能和整个系统的工作原理。由图可见，直接转矩控制系统由转矩闭环和磁链闭环组成，既直接进行转矩控制又直接进行磁链控制，只需用电流互感器和电压互感器检测定子电流和电子电压，然后对转矩和磁链进行观测，公式如下：WaS=/（UaS-Rlias）dt少BS=/（UbS-Riips）dtTe二女丁少aSiBs-小BSias|转矩调节器ATR和磁链调节器都

38、使用滞环两位调节，可以保持转矩在给定误差允许范围内波动，达到较好的转矩控制性能。磁链自控制DMC的最简单方案：由检测出的定子磁链，经坐标变换单元UCT（2S/3s坐标转换）得到磁链的B分量巾Ba、巾Bb、巾BC,通过三个施密特触发器分别把三个磁链分量与磁链给定值巾ug相比较，得到三个磁链开关信号Sa、S巾b、Sc,三相磁链开关信号通过开关S换相，得到三相电压开关信号：SUa=S*、SUb=Sc、SUb=Sc,经反相后变成正确的电压状态信号SUa、SUb、SUc,直接去控制逆变器UI,输出相应的电压空间矢量，去控制产生期望的六边形磁链转矩的大小通过改变定子磁链运动轨迹的平均速度来控制（引入零矢量

39、），采用两点式调节：当实际转矩值和转矩给定值的差值小于Ym,转矩调节器ATR的输出信号“TQ”变“1”，工作电压空间矢量加到电机上，使定子磁链旋转，磁通角加大，转矩加大。当实际转矩值和转矩给定值的差值大于+Em,ATR的输出信号“TQ”变“0"，零电压加到电机上，定子磁链停止不动，磁通角减小，转矩减小。通过转矩直接自调节作用，使工作电压空间矢量的工作状态和零电压工作状态交替接通，控制定子磁链少s走走停停，从而使转矩动态平衡保持在给定值的士Em（容差）的范围内,既控制了转矩，又形成了PWM的调制过程。问题5-7:在异步电动机直接转矩控制调速系统中有磁链调节器和转矩调节器，磁链调节器通常

40、采用怎样的控制方式？转矩调节器通常采用怎样的控制方式？转矩调节器和磁链调节器都使用滞环两位调节，可以保持转矩在给定误差允许范围内波动，达到较好的转矩控制性能。完整的转矩调节器是由转矩两点式调节器和P/N调节器组成，在转矩给定值变化较大时，P/N调节器参与调节，加快调节过程。问题5-10:根据工作特点的不同，可根据转速分为：低速范围、高速范围和弱磁范围。问题5-12:在弱磁范围怎样实现异步电动机直接转矩控制？弱磁范围内进行的是恒功率调节，基速以上，全电压工作，没有零状态电压工作的时间，工作电压在整个区段中作用，具特点是：转速的提高，定子磁链空间矢量旋转的加快，靠的是磁链给定值的减小，即稳态弱磁；

41、转矩的调节是靠六边形磁链给定值的动态变化调节的方法。转矩的脉动频率就是六边形磁链轨迹形成的六倍定子频率。其解决方案如下：用电动机模型检测、计算电动机的磁链和转矩；用磁链自控制环节来确定区段；六边形磁链轨迹；用功率调节器实现恒功率调节；通过改变磁链给定值实现平均转矩的动态调节；每个区段用一个工作电压状态。改变有效电压矢量的交替作用时间，即改变Ws的旋转速度，由于有效电压矢量的幅值不变，所以它们的作用时间改变后，正六边形的面积将发生变化。作用时间变短，正六边形的面积变小，面积=Viti,磁链幅值少s也将变小。因此可以用这种方法控制异步电动机的弱磁调速。六、PWM和SPWM问题6-1:通过调节SPW

42、M逆变器控制电路中晶闸管的触发脉冲频率和相位，就可以调节SPWM逆变器输出交流电压的幅值和频率。问题6-2:什么是SPWM,它有何特点？请简述其工作原理。将正弦半波N等分，把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来替代。这样，有N个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦的半周等效。正弦的负半周也可用同样方法来等效。一组三相对称的正弦参考电压信号Urc、Urb、Ura,其频率决定逆变器输出的基波频率。三角波载波信号Ut与每相的参考电压比较后，给出“正”或“零”的饱和输出。产生的SPWM脉冲序列波Uda、Udb、Udc作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。逆变器输出

43、电压的基波正是调制时所要求的正弦波，这种SPWM逆变器能有效地抑制2N-1次以下的低次谐波，但存在高次谐波电压。调节正弦波参考信号的幅值和频率就可以调节SPWM逆变器输出电压的幅值和频率。问题6-3:什么是SPWM的同步调制和异步调制？各有何特点？ 同步调制：N二常数，正弦波频率与三角波频率同步变化，逆变器输出电压，半波内得矩形脉冲数固定不变。如果N=3K,则可保证逆变器输出波形的正、负半波对称，三相输出具有120。对称关系。但低频工作时，相邻脉冲间距增大，使电机产生较大的转矩脉动和较强的噪声。 异步调制：Nw常数逆变器的整个变频范围内，载波比Nw常数，提高低频时的载波比。在改变参考信号频率时

44、保持三角波频率不变，逆变器输出电压半波内得矩形脉冲数可随输出频率降低而增加，相应的减少负载电机的转矩脉动和噪声，改善低频工作的特性。但很难保证三相输出的对称关系，引起电动机工作不平稳。 分段同步调制：综合利用两者的特长，在一定频率范围内，采用同步调制，保持三相输出的对称；低频时，使载波比分段有级的增加。问题6-4:SPWM波形有那几种常用的方法？试对其中一种进行具体说明。SPWM波形的常用方法有：自然采样法、规则采样法、指定谐波消去法自然采样法：按照正弦波与三角波的交点进行脉冲宽度与间隙时间的采样，从而生成SPWM波。自然采样法虽然能真实反映脉冲产生与结束时刻，却难以用于实时控制中。一般可以将

45、事先计算出自然采样法的数据放入计算机内存中，控制时利用查表法进行查询。当调速系统频率变化范围较大、频率段数很多时，将占用大量内存空间。自然采样法用于有限调速范围的场合。规则采样法：设法使SPWM波形的每一个脉冲都与三角载波的中心线相对，从而简化计算。查表法：(开环系统)一般可以事先离线在通用计算机上算出规则采样法相应的脉宽后写入EPROM,然后由调速系统的微型机通过查表和加减运算求出各相脉冲的时间和间隙时间。实时计算法：(闭环系统)在内存中存贮正弦函数和Tc/2值，控制时先取出正弦值与调速系统所需的调制度M作乘法运算，再根据给定的载波频率取出对应的TC/2值，与Msinwite作乘法运算，然后

46、运用加、减、移位即可求出脉宽时间t2和间隙时间t1、t3。指定谐波消去法：从消除某些指定次数的谐波出发，通过计算来确定各个脉冲的开关时刻，从而生成SPWM波。一般用离线迭代计算事先求出不同输出频率下各开关角的数值解，放入微机内存，以备控制时取用。具体工作过程说明见陈伯时主编.电力拖动自动控制系统。问题6-5:SPWM的三种调制方式为：同步调制、异步调制和分段同步调制。问题6-6:SPWM逆变器是利用正弦波信号与三角波信号相比较后，而获得一系列(A)的脉冲波形。A、等幅不等宽；B、等宽不等幅；C、等幅等宽；D、不等宽不等幅；在一般的交一直一交变频器供电的变压变频调速系统中，为了获得变频调速所要求

47、的电压频率协调控制，整流器必须是可控的，调速时须同时控制整流器UR和逆变器UI,这样就带来了一系列的问题。主要是：(1)、主电路有两个可控的功率环节，相对来说比较复杂；(2)、由于中间直流环节有滤波电容或电抗器等大惯性元件存在，使系统的动态响应缓慢；(3)、由于整流器是可控的，使供电电源的功率因数岁变频装置输出频率的降低而变差，并产生高次谐波电流；(4)、逆变器输出为六拍阶梯波交变电压(电流)，在拖动电动机中形成较多的各次谐波，从而产生较大的脉动转矩，影响电机的稳定工作，低速时尤为严重。因此，由第一代电力电子器件所组成的变频装置已不能令人满意地适应近代交流调速系统对变频电源的需要。随着第二代电

48、力电子器件的出现以及微电子技术的发展，出现了解决这个问题的良好条件。1964年，彳惠国的A.Schonung等率先提出了脉宽调制变频的思想，他们把通讯系统中的调制技术推广引用于交流变频。用这种技术构成的PWM变频器基本上解决了常规六拍阶梯波变频器中存在的问题，为近代交流调速系统开辟了新的发展领域。下图表示了SPWM变频器的原理图。图6-1SPWM-一直一交变压变频器的原理框图图6-2SPWM变压变频器主电路的原理图上图是SPWM-一直一交变压变频器的原理框图，它仍是一个交一直一交变压变频装置，但它的整流器UR是不可控的，它的输出电压经电容滤波(可附加小电感限流)后形成恒定幅值的直流电压，加在逆

49、变器UI上，逆变器的功率开关器件采用全控式器件)，按一定规律控制器导通或断开，使输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲电压波形。在这里，通过改变脉冲的不同宽度可以控制逆变器输出交流基波电压的幅值，通过改变调制周期可以控制器输出频率，从而同时实现变压和变频。SPWM变压变频器的主要特点如下：(1)主电路只有一组可控的功率环节，简化了结构。(2)采用了不可控整流器，使电网功率因数接近于1,且与输出电压大小无关。(3)逆变器同时实现调频与调压，系统的动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响。(4)可获得比常规六拍阶梯波更接近正弦波的输出电压波形，因而转矩脉动小，大大扩展了传动系统的调速范围，提高了系统的

50、性能。问题6-8:怎样产生SPWM波？脉宽调制变压变频器的控制方法原始的SPWM是由模拟控制来实现的。图6-4是SPWM变压变频器的模拟控制电路原理框图。三相对称的参考电压调制信号Ura、urb、Urc由参考信号发生器提供，器频率和幅值都是可调的。三角载波信号Ut由三角波发生器提供，各相共用。它分别是每相调制信号在比较器上进行比较，给出“正”或“零”的饱和输出，产生SPWM脉冲序列波Uda、Udb、Udc,作为变压变频器功率开关器件的驱动信号。图6-3SPWM变压变频器的模拟控制电路图二日甘曳主导图6-4SPWM变压变频器的SimUlink模块图图6-5双极式SPWM波形虽然此模拟控制电路很少

51、应用，但因为用MATLAB很容易仿真，且可以对输出的SPWM波形的频率和幅值都是可调的。所以才采用Simulink中的模块做SPWM变压变频发生器和示波器。图6-4中，将三相正弦波作为基准的调制波(ModulationWave),而三角波发生器产生的三角波信号作为载波(CarrierWave)。当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻。具体的做法是，当A相的调制波电压Ura高出载波电压Ut时，使相应的开关器件VT1导通，输出正的脉冲电压；当Ura的负半周中，可用类似的方法控制下桥臂的VT4,输出负的脉冲电压序列，改变调制波的频率时，输出电压基波的频率也随之改变；降低调制波

52、的幅值时，如URA,各段脉冲的宽度都将变窄，从而使输出电压基波的幅值也相应减小。上述的单极式SPWM波形在半周内的脉冲电压只在“正”(或“负”)和“零”之间变化，主电路每项只有一个开关器件反复通断。如果让同一桥臂上、下两个开关器件交替地导通与关断，则输出脉冲在“正”和“负”之间变化，就得到双极式的SPWM波形。问题6-9:什么是SPWM的数学控制方法?数学控制是SPWM目前常用的控制方法。可以采用微机存储预先计算好的SPWM数据表格,控制是根据指令调出；或者通过软件实时生成SPWM波形。而“面积等效算法”则是其中最简单的一种方法。它的基本原理是按面积相等的原则构成与正弦波等效的一系列等幅不等宽

53、的矩形脉冲波形。如图3-7绘出了单极式的SPWM波形，它是由逆变器上桥臂中一个功率开关器件反复导通和关断形成的。具等效正弦波为Umsinco1t,而SPWM脉冲序列波的幅值为Us/2,各脉冲不等宽，但中心间距相同，都等于Ji/n,n为正弦波半个周期内的脉冲数。令第i个矩形脉冲的宽度为6i,其中心点相位角为sin-1td(t)=2Umsinsin2nUS、,二Um2n(6-1)2.麻2Um.、isin/nUs这就是说，第i个脉冲的宽度与该处正弦波值近似成正比.因此，与半个周期正弦波等效的SPWM波是两侧窄、中间宽、脉宽按正弦规律逐渐变化的序列脉冲波形。根据上述原理，SPWM脉冲波形的宽度可以严格

54、地用计算方法求得，采用数字控制时，这是很容易实现的。我刚开始做这个脉冲发生器时用的就是计算方法，但是在MATLAB中运用这种方法虽然方便简单，但是脉冲发生器产生的SPWM波形的频率就不能改变了，所以我选择了第一种方法。七、双馈调速和内反馈问题7-1:什么是双馈调速？它与审级调速由什么不同？双馈调速是将定、转子三相绕组分别接入两个相对独立的三相对称电源：电子绕组接入工频电源，转子绕组接入频率、幅值、相位都可以按要求进行调节的交流电源，即采用交-交变频器和交-直-交变频器给转子绕组供电。其中必须保证在任何情况下，转子外加电压的频率都要与转子感应电动势的频率保持一致。当改变转子外加电压的幅值和相位时

55、就可以调节异步电动机的转速，也可以调节定子侧的功率因数。这种双馈调速的异步电机不但可以在此同步转速区运行，而且可以在超同步转速区运转，因此，双馈调速也叫超同步调速。审级调速是对转子绕组中的电流进行整流，并以直流形式在转子绕组中串入外加电动势，也叫低同步审级调速系统，这是由于转差功率只能单方向由整流器送出的缘故。用级调速是双馈调速的一种特殊情况。设转子外加电压E2与转子感应电动势SE2同相位一''一''转子电流I2=sE2U=sE2ej2_U2ej（A2）r2jsx2z2sE2电磁转矩T=cmGmsE2cos%(1±Ur)=TD+/-TDz2sE2Uc理

56、想仝载转速n=m(1-s)=m(1r)sE2问题7-2:请说明双馈调速的五种情况的功率流动情况（胡宗岳，近代交流调速技术：21-24,机械工业出版社，P312） 转子运行于次同步电动状态（1S0）电磁功率0,从电源流向负载；机械功率0,从电机输给机械负载；转差功率0,回馈给转子外接电源，属于电动运行状态，电磁转矩为拖动性转矩。 转子运行于次同步速的定子回馈制动状态（1S0）电磁功率0,从电机回馈给定子电源；机械功率0,从原动机输给电机；转差功率0,转子外接电源输给电机，属于电动运行状态，电磁转矩为制动性转矩。 转子运行于超同步电动状态（S、0电磁功率0,从定子电源输向电机；机械功率0,从电机输给机械负载；转差功率0,转子外接电源输给电机，属于电动运行状态，电磁转矩为制动性转矩。 转子运行于超同步速的定子回馈制动状态（S0电磁功率0,从电机回馈给定子电源；机械功率0,从原动机输给电机；转差功率0,回馈给转子外接电源，属于电动运行状态，电磁转矩为制动性转矩。 转子运行于倒拉反转的电动状态（S、1）电磁功率0,从定子电源输给电机；机械功率<0,从原动机输给电机；转差功率<0,由电动机回馈给转子外接电源，属于电动运行状态，电磁转矩为拖动性转矩。问题7-