(完整word版)控制电机(2版)思考题与习题参考答案

1、100100 控制电机（2 2 版）思考题与习题参考答案 （机械工业出版社，李光友等编着） 第 1 1 章直流伺服电动机 1.1. 一台直流电动机，其额定电压为 110V,110V,额定电枢电流为 0.4A0.4A，额 定转速为3600r/min3600r/min，电枢电阻为 5050Q，空载阻转矩T0=：O.O15N Nm m 试问电动机的额定负载转矩是多少？ . T _ T T 190 X 0.4 - 解： 门_=120120，寫I R I,心 TL = = 0.0955 0.0955 - - 0.015 0.015 = = O.OSOSN.mO.OSOSN.m 2.2. 一台型号为 55

2、SZ5455SZ54 的直流伺服电动机，其额定电压为 110V,110V,额 定电枢电流为0.46A0.46A，额定转矩为0.093 N mN m 额定转速为 3000r/min3000r/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Ea和电枢电阻Ra。 T T 严 EJEJ 血 H = =H = =100100K K U-E 110-63.5 小 一二 0-46 R0L1Q 3.3.伺服电动机型号为 70SZ5470SZ54, PN =55W,U Uf =110V,效率 引N =62.5%, nN =3000r/m i n,空载阻转矩T。=0.0714 N

3、N - m m 试求额定运 行时电动机的电枢电流laN ,电磁转矩Te ,反电动势EaN和电枢电阻Ra laN 解：u=u=* * + +自， E Ea a = = V V = = 090.46 K = = 63.51V63.51V? ? R Ra a = = 100100 0.8A,0.8A, 0.175N.m 0.175N.m , , 2iTn ToTo UHTN 110 x 0.625 T Te e = = TLN + TO = 0.175 0.175 + + 0.0715 = 0.2465N.m0.0715 = 0.2465N.m 4.4. 由两台完全相同的直流电机组成的电动机- -发

4、电机组。它们的励磁 电压均为110V,110V,电枢绕组电阻均为 7575Q。当发电机空载时，电动机 电枢加 110V110V 电压，电枢电流为 0.12A0.12A，机组的转速为 4500r/min4500r/min。试 求：（1 1）发电机空载时的输出电压为多少？ （ 2 2）电动机仍加 110V110V 电 压，发电机负载电阻为 1k 1k Q时，机组的转速为多少？ 解.（1 1） 1卜. K【，丨工 7丁八）.1-1MT （2 2） 由七 得，1 n, 1 =0.12A, n=4500r/min.=0.12A, n=4500r/min. 接负载时，u u 兵如I + 0RJI, CHr

5、ii = CHrii = IF次Rg Rg + Rp+ Rp = CgCPlljlFa + Q 口山询 IpIpa a 0+08780+0878A, IA, I）a a IpIpa a + Ip+ Ipa aQ Q 00878 + 0.12 00878 + 0.12 0.20.20 078A78A ”- u -RJDJ 110-75 x 0.2078 _ 11111 1 - - : : I I i i，; =4207r/min=4207r/min 5.5. 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

6、有哪些缺点？ 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 山 讥 _kT 时电动机转速随电磁转矩变化的关系，即“ .： = 11 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，山减小，k k 增大，机械特性变软。调节特性是指电磁0.2465 X UChi =9675V U-1 诲 110-96.8 “ 厂小 UN 转矩不变时，转速随控制信号变化的关系。由公式可知， n n 与川为非 线性关系，不利于精确调速。 6.6. 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 k 增大

7、，机械特性 变软，始动电压变大。 7.7. 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 机轴上的负载转矩减小，试问这时电机控制电流 lala、电磁转矩 TeTe 和转 速 n 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 1 1 不变。负载转矩减小时， 山-宀 由T- L L- -l|:ll|:l JJ1 1 1减小， 1尺，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。 8.8. 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

8、放 大器的内阻越大，机械特性就越软？ 也 T Te eR Ra a 答：直流伺服电动机的机械特性为11 - ：.当控制电压和 是线性关系，且随着电磁转矩丁的增加，转速下降，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来说，与电枢电阻是等 价的，电阻越大，直线斜率.：I I 就越大，机械特性就越软。 9.9. 直流伺服电动机在不带负载时，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？ 励磁电压均不变时, ，: | 丨 都是常数，转速和电磁转矩 1 -之间 答：有死区。！ ,.：.I:T ,死区电压与起始负载转矩，电枢电阻， 励磁电压，电机结构有关。 10.10. 当直流伺服电

9、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？它们的能量流向有什 么特点？ 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。 1111试述机电时间常数的物理意义。 答：电动机在空载状态下，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%63.2%所需的时间。 12.12. 直流伺服电动机当转速很低时会出现转速不稳定

10、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： 电枢齿槽的影响， 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。 13.13. 一台直流伺服电动机带动恒转矩负载（即负载转矩保持不变） ， 测得始动电压Ua。=4V，当电枢电压为 50V50V 时，其转速为 1500r/min 1500r/min , 若要求转速达到3000r/min3000r/min，试问要加多大的电枢电压？ 丄口乂亠 1500-0 n 1500TT , 1 代入数据得 U=96VU=96V 14.14. 一台直流伺服电动机，其额定电枢电压和励磁电压都为 110V,110V, 额定电枢

11、电流为 0.46A0.46A，额定转速为 3000r/min3000r/min，额定转矩为0.09 N mN m 忽略空载阻转矩To。要求： （1 1）绘出电枢电压为 110V110V 和 80V80V 时的机 械特性曲线；（2 2）当负载转矩为0.08 N N - m m 电枢电压为 80 V80 V 时电机的 转速；（3 3）对应于该负载和电压下的堵转转矩 TK和始动电压Ua0。 TT 1T ce ce = = = JQX 0 0.196 .196 = = 0.02050.0205 二箱 x 0.196 x 0.196 X 3000 = X 3000 = 61.57V61.57V _ 山

12、_ 110 _ r/minr/min _ 匕 _ 80 _ . HiHi . . :, :, I I - -I I l,l,- - r/minr/min R Ra a 幻=幻二匸帆妙0.0205 x 0.1960.0205 x 0.196 曲线略。 (2)(2) n nI I .I I . z z 0.08=1806 r/min0.08=1806 r/min T Cgu 0.196 x 80 八心 T (3)(3) 15.15. 已知一台直流伺服电动机的 电枢电压 5 10V ,空载电流 Ia0 =0.055A，空载转速 n0 =4600r/min，电枢电阻 Ra =80Q,试求：（1 1）

13、解：（1 1 ）由儿 1得， 009009 = = 0.1960.196 71 E Ea a 二 C Ce e4n 4n = = CCe en n = = RH =匸 105.28105.28 = = 2620226202 UsO R Ra a 105.28105.28 当电枢电压Ua =67.5V时的理想空载转速n和堵转转矩TK ； （2 2）该电 机若用放大器控制，放大器的内阻 R=80Q,开路电压5 =67.5V，求 这时的理想空载转速no和堵转转矩TK。 U U = = E Ea a + + I Ia aR Ra a, E, Ea a = = U U- - I.R. I.R. = 11

14、0= 110- - 80 x 0.055 = 105.6V80 x 0.055 = 105.6V 3030 3030 - -C Ce e0 0 = = T TXO.O2XO.O23 3 = = O.O.2 21919 U 67.5 (2(2)山 丨 r/minr/min C CL LOUj 0.219 x 67.5OUj 0.219 x 67.5 = = 0.092N0.092N.m.m 第二章 交流感应伺服电动机 1 1 .空心杯形转子两相感应伺服电动机与笼型转子感应伺服电动机相 比，在结构与原理上有何异同？ 答：笼型转子感应伺服电动机的结构与普通笼型感应电动机相似， 只是定子为两相绕组，并

15、且为了减少转子的转动惯量，需做得细而长。 空心杯型感应伺服电动机的定子分成外定子和内定子两部分。 外定子 部分与笼型转子感应伺服电动机相同，在铁心槽中嵌有空间相距 90 90 电角度的两相交流绕组，而内定子铁心中一般不放绕组，仅作为磁路 的一部分，以减少主磁通磁路的磁阻。内、外定子之间有细长的空心 转子装在转轴上，空心转子做成杯子形状，所以称为空心杯型转子。 空心杯型和笼型感应伺服电机在原理上是相同的， 杯型转子可以看做 是导条数目非常多、条与条之间紧靠在一起、而两端自行短路的笼型 转子 2 2两相感应伺服电动机的转子电阻为什么必须足够大 ? ?转子电阻是不 是越大越好？为什么 ? ? E E

16、a a 105.6105.6 = =0.023, C0.023, Ct t4 4 = = s s Cetp Cetp = = T T = = 46004600 8080 Tk Tk = = R Ra a+ Ri + Ri 二 80 + 8080 + 80 答：为了得到尽可能接近线性的机械特性，并实现无“自转”现 象，两相感应伺服电机必须具有足够大的转子电阻。 转子电阻并非越大越好。 如果转子电阻过大， 会导致转子中的电 阻损耗增加，电机的转矩减小，效率降低。 3 3什么是“自转”现象 ? ?对两相感应伺服电动机，应该采取哪些措施 来克服“自转”现象 ? ?为了实现无“自转”现象，单相供电时应具

17、有 怎样的机械特性 ? ? 答：两相感应伺服电机正常励磁， 在控制电压作用下以一定转速 运行，当无控制信号时，电机应该立即停转，若电机仍能以某一转速 继续旋转，则会造成失控，称为“自转”现象。 为了克服“自转”现象，首先在设计上转子电阻必须足够大，以 使正向旋转磁场产生最大转矩对应的转差率 Sm+11；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、四象限。 4 4两

18、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 5.5. 幅值控制的两相感应伺服电动机，若有效信号系数：e由 0 0 变化到 1 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 ：e为 0 0,在满足无“自转”现象的条件下，电机转速为 0 0,

19、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：e为 1 1, 则合成磁动势为圆形旋转磁动势，即只有正序磁动势，负序磁动势幅 值为零；若有效信号系数00：e1,635.1 有效信号系数应为 亠= 47空二1.732 Rck 275 相应地，控制绕组电压应为 U： eU ： eU1 =1.732 110 =190.5 V V kcf 1 电容电压为 根据电压相量图，考虑到此时u：应领先u：90o90o 电角度，故励磁绕 组电压为 Ufuf -U； =12202 -1102 -190.5 V V 可见，励磁电压与控制电压大小相等，相位差 90o90o 电角度 16.16. 三

20、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Xca 2752 476.32 476.3 =635.1 Q Xck 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， 通常希望电机的磁通近 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 电流励磁分量的急剧增加，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

21、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 Eg=4.44=4.44fNkNim,考虑到定子漏阻抗压降相 对较小，若忽略其影响，则有定子电压 U Eg=4.44=4.44fNkNim,这意味着若要使磁通 m近 似不变，电压应随频率成比例变化，即应采用恒压频比控制。当计及 定子电阻压降的影响，采用恒压频比控制时的转矩最大值会随着频率 的降低而下降，低频时由于定子电阻压降的相对值较大， 最大转矩下 降较多，会影响电动机的带载能力。对于恒转矩负载，往往要求在整 个调速范围内过载能力不变，因此希望变频运行

22、时不同频率下的最大 转矩保持恒定，为此通常需在低频时进行电压补偿，即在 US/ /fi= =常数 的基础上，适当提高低频时的电压，以补偿定子电阻压降的影响。 当频率达到额定频率时，电机端电压已达到额定值，因此在基频 以上运行时，若要保持磁通恒定，所要求电压将大于额定电压，考虑 到逆变器输出电压及电动机额定电压的限制， 基频以上通常采用恒压 变频，即使U=USN，此时电机的磁通将随着频率增加而减小。 17.17. 试说明三相感应电动机矢量控制的基本思想。 答：三相感应电动机矢量控制的基本思想是：借助于坐标变换， 把实际的三相感应电动机等效成两相旋转坐标系中的直流电动机。 在 一个适当选择的两相旋

23、转坐标系中，三相感应电动机具有与直流电动 机相似的转矩公式，且定子电流中的转矩分量与励磁分量可以实现解 耦，分别相当于直流电动机中的电枢电流和励磁电流， 这样在该坐标 系中三相感应电动机就可以像直流电动机一样进行控制， 从而使得三 相感应电动机具有与直流伺服电动机相似的动态性能。 1818何谓坐标变换？交流电机分析与控制中坐标变换的物理意义是 什么？ 答：从数学的角度看，所谓坐标变换就是将方程中原来的变量用 一组新的变量代替，或者说用新的坐标系去替换原来的坐标系。 从物 理意义上看，电机分析与控制中的坐标变换可以看作是电机绕组的等 效变换。 19.19.设有一台三相感应电动机，定子绕组通入角频

24、率为的三相对称 正弦电流 试求： (1)通过三相- -两相变换变换到二坐标系中的两相电流i :、i ; （2 2）在以旋转的同步 dqdq 坐标系中的两相电流i d、i q （设t=0=0 时 d d 轴 与 A A轴重合）。 解：（1 1）:坐标系中的两相电流i :、i为 （2 2）设某时刻 d d 轴领先 A A 轴的电角度为：，则 dqdq 坐标系中的两 相电流为 若dqdq 坐标系的转速为：i i,且t=0=0 时 d d 轴与 A A 轴重合，则有 代入上式，得 可见，dqdq 坐标系中的电流为直流。 20 20 .何谓“伪静止”绕组？在两相静止的 二坐标系和同步旋转的 dq dq

25、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。 在二坐标系中，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 dqdq 坐标系中，三相感应电动机的定、转子绕 组均为伪静止绕组（转速等于同步速时除外）。 21.21. 何谓按转子磁场定向的 MTMT 坐标系？试写出在按转子磁场定向的 MTMT

26、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 dqdq 坐标系的 d d 轴始终与转子 磁链矢量：r的方向一致，为了与未定向的 dqdq 坐标系加以区别，常将 定向后的 d d 轴改称(Magnetization Magnetization )轴，相应地 q q 轴改称 T(TorqueT(Torque) 轴，定向后的坐标系称为按转子磁场定向的 MTMT 坐标系。 在按转子磁场定向的 MTMT 坐标系中，定子电压方程和定子磁链方 程分别为 转子电压方程和转子磁链方程为 转矩公式为 由转子磁链方程，将转子电流用转子磁链和

27、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： isM =TL或上 isM，Te 二 PnHrisT，匕l 二亘：sT L12 P 1 L22 T/ r 由矢量控制方程可见，转子磁链：r仅由定子电流的 M M 轴分量isM 产生，与 T T 轴分量i ST无关，而电磁转矩由转子磁链：r和i sT共同决定， 在:r 一定的情况下，电 磁转矩与i ST成正比。 因此在按转子磁场定向 的 MTMT 坐标系中，isM是产生有效磁场(转子磁链：r)的励磁分量，相 当于直流伺服电动机中的励磁电流if，称为定子电流的励磁分量，通 过控制isM可以控制：r的大小；而定子电流的 T T

28、 轴分量isT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i a,称为定子电 流的转矩分量。由于i sT不影响转子磁链：r，所以定子电流的转矩分量 和励磁分量是解耦的，它们分别对转矩产生影响，因此在按转子磁场 定向的 MTMT 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 磁电流一样，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。 22.22. 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 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 MTMT 坐标 系 M M 轴空间位置角：

29、的确定方法不同，分为直接定向和间接定向两大 类。 在直接定向矢量控制系统中，：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，：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、二站，利用转子磁链给 I r r 定值: :r*r*和定子电流转矩分量给定值i ST* *计算转差频率给定值 3 sl*

30、 * , 3 sl* *与实测转速3 r之和即为 M M 轴的旋转角速度3 1* *，其积分即为 M M 轴的空间位置角：。 23.23. 在按转子磁场定向的 MTMT 坐标系中，为什么感应电动机定子电流 有 T T 轴分量（isT工 0 0）而转子磁链却无 T T 轴分量（：rT=0=0）? 答:由 MTMT 坐标系中的 T T 轴转子磁链方程-咕二Li2isT L22irT =0可知， 转子 T T 轴电流irT = ，这意味着转子 T T 轴电流产生的自感磁链 L22 L22irT二-Li2isT，即该磁链与定子电流 T T 轴分量i sT在转子绕组产生的互 感磁链大小相等、极性相反，因

31、此 isT在转子绕组产生的互感磁链全 部被转子 T T 轴电流产生的自感磁链所抵消，故转子磁链并无 T T 轴分量。 第 3 3 章 无刷永磁伺服电动机 1 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， 通过环氧树脂粘贴等方 式直接固定在转子铁心表面上， 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

32、此属于凸 极同步电动机。 2 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：他控变频是指用独立的变频装置给同步电动机供电，通过 直接改变变频装置的输出频率调节电动机的转速， 是一种频率开环控 制方式。 自控变频方式中所用的变频装置是非独立的，其输出电流（电 压）的频率和相位受反映转子磁极空间位置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 闭环控制方式。 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，变频器的输出频率恒定，此 时电机的运行情况与恒频电源供电时无异，

33、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 3无刷永磁电动机伺服系统主要由哪几部分组成？试说明各部分的 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 4 个部分组成： 永磁同步电 动机 SMSM 转子位置传感器 PSPS 逆变器和控制器。由转子位置传感器 产生转子磁极的空间位置信号， 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置传感器的转子位置信号， 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

34、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 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， 定子绕组应通入正弦波电流； 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，转子常采用表面式或嵌入式结构，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

35、得到近似为梯形波的感应电动势。 由于内置式转子很 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 5为什么说无刷直流电动机既可以看作是直流电动机，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来的， 其出发点

36、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 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

37、极的空间位置， 改变逆变器各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 6060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 360360电角度，需进行 6 6 次换 相，相应地定子绕组有六种导通状态，而在每个 6060区间只有两相 绕组同时导通，另外一相绕 组电流为零。 7 7为什么说在

38、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， 每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 N、S S 极， 故各元件边中的电流方向必须相应交替变化， 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 N 极转到 S S 极下或由 S S 极转到 N 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

39、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， 确定电枢绕组各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 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

40、方式的三相无刷直流电动机，转子每转过 6060电角度， 电枢磁动势 跳跃前进 6060，电枢磁动势领先转子磁动势的电角度始终保持在 6060 120120之间。 9 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，并据此说明其转矩无脉动条件。 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 e1、i 1，下桥臂导通相的感应电动势和电流为 e2、i 2,考虑到 i i= =- -i 2= =I d,则有 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

41、势（ei- -e2）均应保持恒定，为此，绕组电流应为 120120 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 120120电角度,同时换相时刻必须准确。 1010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 转矩公式 转速公式 机械特性 方程 考虑到Ke与永磁体在定子绕组产生的永磁磁链成正比，而 K60Ke，可见无刷直流电动机和有刷直流电动机的相应公式在形式 n 上相同。 11.1

42、1. 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 转子位置信号应为三路高低电平各为 180180、相位依次差 120120（或 者 60 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 3030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 3 位二进制数由 I/OI/O 端口输入，由于转子处于不同的 6060区间， 其所形成的 3 3 位二进制数代码不同，微处理器

43、可根据这 3 3 位二进制代 码，判断转子所在 6060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 3- -1 1 。 12.12. 无刷直流电动机如何调速？当采用 PWMPWM 控制时，何谓反馈斩波方 式？何谓续流斩波方式？何谓 PWPW 电压控制？何谓 PWMPWM 电流控制？ 答：无刷直流电动机既可以通过改变直流电压 U调速，也可以在 直流电源电压 Ud 一定的情况下，通

44、过对逆变器的功率开关进行 PWM 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、下桥臂两只功率开关同时进行 PWMPWM 控制。 续流斩波：只对上、下桥臂中的一只功率开关施加 PWMPWM 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 PWMPWM 信号影响。 PWMPWM 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。 PWMPWMfe流控制：根据电流实测值与给定值的偏差产生 PWMPWM 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 PWMPWM 方 式。 13.13.

45、 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 N、S 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， 在各相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

46、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。 1414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 120120的梯形波，绕组电流为正、负半波各 120120电角度 的方波， 且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 120120电角度

47、。 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 PWMPWM 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 120120。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峰。 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。 15.15. 在正弦波永磁

48、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嵌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Ld Lq ,由转矩公式 Te二Pnfiq (Ld -Lq)idiq可知，当id、i q均不为零时，就会产生磁阻转 矩。考虑到(Ld- -Lq) 00,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量id00。 16.16. 正弦波永磁同步电动机控制中何谓id =0=0 控制？为什么表面式永 磁同步电动机通常采用id

49、=0=0 控制？试说明id=0=0 控制的主要优缺点。 答：所谓i d=0=0 控制就是在控制过程中始终使定子电流的 d d 轴分量 id为零，而仅通过对定子电流 q q 轴分量iq的控制，实现对电动机转矩 的控制。 id=0=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Ld= =Lq，不产生磁阻转矩，id的大小 与电磁转矩无关，通过使i d=0=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=o=o 控制。 i d=0=0 控制也存在一些不足。米用i d=0=0 控制时电流矢量i s总

50、是滞 后电压矢量Us 一个：角，这意味着电动机运行时的功率因数总是滞后 的，而且在一定转速下随着负载转矩的增加， 电流i q增大，电压矢量 与电流矢量的夹角增大，电机的功率因数降低。另外随负载增加， 所需的定子电压矢量幅值也相应增大，因此对变频器的容量要求较高。 不过对于表面式电机，由于等效气隙大，电感 Ld= =Lq的值很小，因此： 角始终较小，上述问题并不严重。 对于内置式正弦波永磁同步电动机，由于 q q 轴电感Lq较大，随 着负载增加会导致 角显着增大，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

51、i d=0=0 控制时性能不如表 面式。 17.17. 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 电流分量来实现的，即利用负的定子直轴电流i d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 ：d及由 此产生的速度电动势：r -d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 18 .试比较无刷直流电动机和正弦波永磁同步电动机伺服驱动系统的 主要优缺点。 答：理想情况下，无刷直流电动机的

52、感应电动势为平顶宽度大于 120 120 :的梯形波，电流波形为 120120：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。实际上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大的转矩脉动， 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

53、 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置传感器， 而 无刷直流电动机的绕组电流每隔 60 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 60 :的位置传感器。 1919.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矢量控制通常建立在转子 dqdq 坐标系 上，坐标系的 d d 轴与转子的磁极轴线重合；三相感应电动机的矢量控 制通常建立在按转子磁场定向的 MTMT 坐标系上，其 M M 轴始终与转子

54、磁 链矢量：r方向一致。 控制系统实现时，正弦波永磁同步电动机的 d d 轴空间位置角通常 是由位于电动机非负载端轴伸上的转子位置传感器直接检测， 而三相 感应电动机的 M 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 4 章 步进电动机 1.1. 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、转子铁心表面有齿形相同的小齿。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 乙=2mk-2的关系。以四相八极反应式步进电动

55、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 力图走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， 步进电动机走过了一个步距角， 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。 2.2. 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。 33何谓步距角？有几种表示法？

56、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。 4.4. 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 忑二工二空可知，步距角的大小与运 N NZr 行的拍数和转子的齿数有关。步距角越小，步进电动机的控制精度就 越高。 5.5. 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来描述。 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

57、调角的关系 T二f(e)。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。 6.6. 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：在失调角忑时，静态转矩T = 0，该位置称为 稳定平衡点。在-二e 的区间内，T 与二e的方向相反，也就是 T 总 是阻止入的变化，若由于外力矩(负载)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：在理想空载状态下，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 （-二抵）：耳:（二 se）

58、。 稳定裕度：把矩角特性曲线 n n 的稳定平衡点 0 0 离开曲线（n n+1+1） 的不稳定平衡点（工）的距离，称为“稳定裕度”。稳定裕度为： 小 2兀 兀 片-二-仏 （m 2） m m 步距角越小，稳定与度越大。 77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咼时， 在一定性质和大

59、 小的负载下， 步进电动机能正常连续运行时所能加到的最高频率称为 最咼连续运行频率或者最咼跟踪频率。 起动矩频特性：在给定驱动电源的条件下，负载转矩转动惯量一 定时，起动频率与负载转矩的关系，称作起动矩频特性。 起动惯频特性：在给定的驱动电源条件下，负载转矩不变时，起 动频率与负载转动惯量的关系，称为起动惯频特性。 起动频率：电动机正常起动时所能加的最高控制频率称为起动频 率或突跳频率。 8.8. 负载转矩和转动惯量对起动频率和运行频率有何影响？为什么连 续运行频率比起动频率咼？ 答：随着负载转矩和转动惯量的增加，起动频率和运行频率减小。 起动频率低于运行频率是因为电动机刚起动时转速等于零，在

60、起动过 程中，电磁转矩除了克服负载转矩外，还要克服转动部分的惯性转矩， 运行一步就需要更长的时间。 9.9. 静态转矩最大值与哪些因素有关？试求三相、四相和六相步进电 动机两相通电时和一相通电时最大静转矩的比值。 答：反应式步进电动机一相绕组通电时，静态转矩最大值 Tsm二F：ZsZrl i。由此可知，步进电动机的静态转矩最大值与每极控制 绕组的磁动势、转子齿数、定子每极下的小齿数、铁心长度、气隙比 磁导中基波幅值有关，在电机确定的情况下，静态转矩最大值正比于 气隙磁动势幅值的平方，如果磁路不饱和，静态转矩最大值就正比于 绕组电流有效值的平方。 由公式1=沁，/m）可知，三相、四相和六相步进电