浙大自动控制元件作业

1、第一章直流伺服电动机1-1直流伺服电动机的电磁转矩和控制电流由什么决定？答：a：由Tem=CmIa 知电磁转矩由每极磁通量和绕组电流大小决定。b：由Tem =T0 +T2 =CmIa 控制电流由负载转矩(T2)和空载转矩(T0)大小决定。1-2当直流伺服电动机的负载转矩恒定不变时，控制电压升高将使稳态的电磁转矩、控制电流、转速发生怎样的变化？为什么？答：a：电磁转矩Tem =T0 +T2可见电磁转矩也不变。由Tem=CmIa知控制电流Ia 也不变b：知Tem 不变可见Ua 转速升高理想空载转速变大导致转速n升高。1-3已知一台直流电动机，其电枢额定电压Ua=110V，额定运行时电枢电流Ia=0

2、.4A，转速n=3600rpm，它的电枢电阻Ra=50欧姆，负载阻转矩To=15mN.m。试问该电动机额定负载转矩是多少？答：Ea= Ua- IaRa=110-0.4×50=90V Ea=Cen, Ce=0.105Cm Cm=Tem =T0 +T2=CmIaT2=CmIa-T0 =0.40.238=0.0952-15×10-31-6当直流伺服电动机电枢电压、励磁电压不变时，如将负载转矩减少，试问此时电动机的电枢电流、电磁转矩、转速将怎样变化？并说明由原来的状态到新的稳态的物理过程。答：磁转矩Tem =T0 +T2可见T2 电磁转矩也。由Tem=CmIa知控制电流Ia Ea=

3、 Ua- IaRa可见Ia 知Ea，由Ea=Cen 知Ea知n第二章 直流测速发电机2-4某直流测速发电机，其电枢电压U=50V，负载电阻RL=3000，电枢电阻Ra=180，转速n=3000rpm，求该转速下的空载输出电压Uo和输出电流Ia。Ea = Ua IaRa Ia=0.0167A Ea=50Ea =50+×180=53 空载Uo =Ea =53第三章 步进电动机3-8某五相反应式步进电动机转子有48个齿，试分析其有哪几种运行方式及对应的步距角，并画出它们的矩角特性曲线族。答: 5相单5拍ABCDEAb=1.5° TemA =-Tjmaxsin(e) TemB =-

4、Tjmaxsin(e-) TemC =-Tjmaxsin(e-) TemD =-Tjmaxsin(e-) TemE =-Tjmaxsin(e-) 5相双5拍ABBCCDDEEAABb=1.5°TemAB=-1.62Tjmaxsin(e-) TemBC=-1.62Tjmaxsin(e-) TemCD =-1.62Tjmaxsin(e-) TemDE=-1.62Tjmaxsin(e-)TemEA =-1.62Tjmaxsin(e-) 5相10拍 AABBBCCCDDDEEEAABb=0.75°3-103-10四相反应式步进电动机，转子有50个齿，试计算各种运行方式的步距角。并画

5、出其单、双拍制的矩角特性曲线族。若单相通电时的最大静态转矩为0.1N·m，试计算各种运行方式的起动转矩；并判断转子上负载为0.08N·m时哪种运行方式可使步进电动机正常运行。解a：四相单四拍步距角b=1.8°，be=,如下图四相单四拍相邻2相矩角特性曲线交点q1转矩Temq1=TTjmaxsin=0.1×0.707=0.0707N·m0.08N·m电机不能正常运行b:四相双四拍步距角b=1.8°,be= ，Temq1= 1.414Tjmaxsin=1.414×0.0707=0.1N·m0.08N·

6、;m ，电机能正常运行 四相八拍步距角b=0.9°,be= Temq1= 1.414Tjmaxsin=1.414×0.0707=0.1N·m0.08N·m ，电机能正常运行第四章 旋转变压器4-6用正余弦旋转变压器可以构成直角坐标系旋转角的变换，接线如图题图4-1，4-2所示（见书P119）。试分析其工作原理。解：Uxs= Ussin, Uys = Uscos, Uxc= Uccos, Uyc = Ucsin, Ux= Uxs- Uxc，Uy= Uys +Uyc ，Ux= Ussin-Uccos，Uy= Uscos+Ucsin，如p点与坐标系uov相当于

7、正余弦旋转变压器转子，当其顺时针旋转，坐标系顺uov时针旋转就会输出新的坐标（Ux 、Uy ）4-8有一只旋变发送机XF和一只旋变变压器XB定子绕组对应联接作控制式运行，如题图4-3所示（见书P119），已知：图中的1=15°°，2=10°°，试求：（1） 旋变变压器转子的输出绕组的协调位置XT；解:协调位置XT在转子逆时针旋转95°（2） 失调角r。r=-1- (90-2)=-95°负号表示逆时针第五章 自整角机5-4三台自整角机如题图5-1所示（见书P147）接线。中间一台为力矩式差动接收机，左右两台为力矩式发送机，试问：当左右边

8、两台发送机分别转过2、1角度时，中间的接收机将转过的角度与2和1之间是什么关系？解：r=21,21>0则顺时针转动21=0则不动21<0则逆时针转动5-6某力矩式自整角机接线如题图5-3所示（见书P148）（1） 画出接收机转子所受的转矩方向：解：收机转子所受的转矩方向是逆时针方向（2） 画出接收机的协调位置；解：接收机转子逆时针旋转转角度：(15-35= -20°)（3） 求失调角。解：r=12=15°-35°=-20°5-7对于题图5-4所示（见书P148）自整角测量线路，CX为自整角发送机，CT为自整角变压器，它们的转子的转角分别为1和

9、2。画出三相绕组合成磁场轴线的位置，并写出输出电势的有效值Eo和转角1、2的关系式。（1） 合成磁场轴线的位置：为激磁电源交变频率；为自整角变压器输出绕组有效匝数；为自整角变压器的主磁通6-8 交流伺服电动机的控制方法有几种？幅值控制转速变化的物理过程如何？答: 控制方法：幅值控制、相位控制、幅相控制幅值控制就是将励磁绕组加上恒定的额定励磁电压Ujc，并保持励磁电压和控制电压的相位差90°不变，改变控制电压的大小，以实现对伺服电动机转速的控制。负载不变时，改变控制电压Uk ，如Uka 椭圆磁场越园，其转速n，反之相反6-13什么是自转现象？为了消除自转现象，交流伺服电动机在单相供电时

10、应具有怎样的机械特性？ 答：控制信号消失后，电动机仍以某个转速稳定运行的现象，就是自转现象。消除自转将转子电阻足够大，使单相供电时机械特性曲线位于二、四象限。一、 多项选择：以下各题有一个或多个正确答案，请选择正确答案标号填于题后答案中。（20分）1.电机和变压器中铁芯采用硅钢片迭压而成是为了（ ） B.增加导磁率2.通常直流电机定子包括 A.电刷 D.激磁绕组3.直流电机和感应式异步电机的转子铁芯采用（ ） D.软磁材料4.一磁阻式步进电机正常运行时每步步距误差可达0.2度，若该电机正常运转100步，总的转角误差是（选出最明确的答案）D.小于等于0.2度5.直流电机换向火花随以下情况增大 A

11、.电枢电流增大 B.电机转速增大 C.电机负载转矩增大 D.电枢电压提高 E. 换向器表面变粗糙6.一电源变压器原边空载电流随以下情况增大 B.变压器铁芯磁阻增加 D.变压器铁芯气隙增大7.两相交流伺服电机转予绕组回路电阻选的较大是为了C.使电机机械特性具有良好的线性度 D.消除单相自转8.直流电动机有以下工作状态A.电动机状态 C.发电机状态 D.反接制动状态E.能耗制动状态 9.选出正确项A. 自整角机是测量角位移的元件B. 感应同步器是测量电流的元件C. 异步电机的换向器和电刷机构较直流电机简单D. 力矩电机电枢（转子）长度与直径之比较小E. 通常三相异步电动机堵转转矩小于最大转矩F.

12、异步电动机输出最大功率出现在转子转速为同步转速时G. 光电编码器（光栅）是一种位移测量元件H. 直流电动机转子依靠定子旋转磁场旋转I. 将输入三相电机的三相交流电源中任意两相对掉就可以改变该电机的转向一、1（B） 2（A,D ） 3(D) 4(D) 5(A,B,C,D,E) 6(B,D) 7(C,D) 8(A,C,D,E) 9(B,E,F,H,J)二、 简答题（30分）1） 推导直流电机机械特性，并根据该特性分析有几种调速方案？它们是什么？（10分）2） 一电源变压器原边为220V，50Hz交流，有三个副边绕组，其额定值分别为：副边一为8V，15A；副边二为12V，5A；副边三为24V，10A

13、。求该变压器原边的额定电流Ie=？ （5分）3）画出直流电机的动态方框图？ （5分）4）画出一个温度闭环自动控制系统原理方框图 （10分）三、 计算分析题（25分） 1）一交流异步电机已知额定转速ne=1200(rpm),电源频率为f=50Hz，问这是几极电机？额定转差率Se=？ （5分）2）一直流电机，额定电压Ua=220V,额定电流Ia=0.8A,额定转速n=3600（rpm）,电枢电阻Ra=50，空载阻转矩T0=0.02N·M，求该电动机的额定负载转矩Te和理想空载转速n0？在上述情况下，输出转矩为1 N·m时转速n1=？(10分)3）一四相磁阻式步进电机，转子齿数为

14、Zr=50（齿），请计算出单拍制和双拍制的步距角b1=？和b2=？，并分别列出单相（或双）单拍制时，正、反向旋转要求的通电顺序和一个双拍制时的通电顺序。（10分）四、 论述（25分）1） 论述三相异步电动机的调速方法（从方法、特点及控制性能等方面）（12分）2） 综述驱动直流电机的功率放大器（从类型、特点及选用等方面）（13分）参考答案二、1.，调电压。磁通，电阻。2. 3.框图为4. 三、1. ，p=2，4极电机，2.,。3. 四、1.（1）改变极对数p 。（2）改变转差率。在恒转矩（及恒功率）时改变转差率又有下列几种方法：l ）改变定子绕组的端电压，主要用于风机类负载。2 ）在定子回路中串

15、入外加电阻或电抗，以改变或，用于线绕式。3）在转子回路串入外加电阻、电感或电容，以改变或，用于线绕式。4）在转子回路中引入外加电动势也可改变。（3）改变电源频率，变频调速。有较高的效率，宽的调速范围和平滑的调速特性，机械特性见图。调速性能可与直流电动机相媲美，是目前应用最广的交流调速方式。变频调速需要具有调频兼调压功能的变频装置。目前市场上已出现了各种性能良好、工作可靠的变频装置，并已应用于工业各领域。（4）矢量控制，性能好，装置复杂。2. 常用的直流功率放大器有三种：线性（比例式）功率放大器、开关式功率放大器和晶闸管功率放大器。一般功率为100W以下时可以选用线性功率放大器，255000W时

16、可选用开关式功率放大器，500W以上时选用晶闸管功率放大器。线性功率放大器，线性度好，失真小，电磁干扰和噪音小，本身功耗大，输出电流和功率小，用于小功率系统。PWM开关功率放大器的优点是效率高，晶体管损耗小，输出功率大。缺点是由于开关动作而产生噪音和电磁干扰。常用于中小功率系统。晶闸管功率放大器功率大，用于中、大功率装置。一（20分） 1. 1台永磁直流力矩电机，反电势系数摩擦转矩，转动惯量kgm，电感H。连续堵转时电流，电压。（1）求机电时间常数，电磁时间常数，连续堵转的电磁转矩。（2）电枢电压=25V，求起动时的输出转矩和此电压对应的空载转速。（3）电机转速，电磁转矩时，求电枢电压和输出转

17、矩。（4）写出该电机的传递函数。2输入信号是电枢电压，输出信号是电机转角。绘出直流电动机动态框图，标出，及扰动力矩。3 绘出直流电动机电枢控制的调节特性和机械特性曲线，标出始动电压、理想空载转速和堵转转矩，标出电动机、发电机和反接制动状态。4 直流电动机的主要优点和缺点是什么？5 电机铁心多用硅钢片叠压而成。采用片状材料的目的是什么？6. 性能优良的永磁直流力矩电动机现在一般采用什么永磁材料？7. 7.与直流伺服电动机相比，直流力矩电动机的、有什么特点？电枢的几何形状有什么特点？二（20分）1.异步电动机等效电路图中上的热损耗表示什么？2.简述两相对称绕组产生椭圆形旋转磁场的条件。3画出两相电

18、机幅相控制时的电路图。3 磁场 表示什么磁场？为什么？ 4.绘出圆形旋转磁场时异步电动机的两条典型机械特性曲线（转子电阻大和小）。5 推导两相伺服电动机传递函数,并说明其中的参数与静态特性曲线的关系。6 绘出三相异步电动机从基频向下变频调速时的机械特性。7. 异步电动机从基频向下变频调速时，若电压保持不变将产生什么现象？用公式说明。 8. 一台三相异步电动机空载转速是1450 r/min，电源频率50 Hz。这是几极电机？为什么？ 三、（7分）1.简述永磁同步电机同步运行时的工作原理，画出必要的图形，写出电磁转矩公式。2.写出磁阻同步电动机电磁转矩表达式并说明参数的含义。 3.哪种同步电动机不

19、加鼠笼绕组就能自行起动并具有较大的起动转矩？（ ）绘出它的机械特性曲线。四、（11 分）1. 步进电动机转角的大小取决于控制脉冲的（ ），转速大小取决于控制脉冲的（ ）。 控制脉冲频率增高，步进电机的负载能力下降，主要原因是：2.磁阻式步进电动机有A、B、C、D四相。绘出A和B极下，当A通电，B通电，和AB通电时，定子、转子齿的相对位置。3.磁阻式步进电动机小失调角时的传递函数（输出是转角）是：4.两相混合式步进电动机，产品说明书给出步距角为1.8°，若采用8细分驱动电路，步距角是（ ）。5.从用户使用角度看，在位置伺服系统中，全数字交流伺服系统与直流伺服电动机有什么不同之处？6.目

20、前批量生产的无刷直流电动机(交流伺服电动机)常用的位置传感器有哪两类？五、（20分）1.画图解释传感器的重复性误差。2.旋转变压器如右图。完成原边补偿和副边补偿的连线。电压有效值 感应同步器鉴相型信号处理方式中，输出电压。3.画出直流测速发电机理想输出电压与实际输出电压曲线，并在图中说明误差产生的原因。4.光电增量码盘每转产生1000个脉冲，分辩率为。增量码盘为什么用两个光电转换器而不是一个？增量码盘为什么要寻零？怎样寻零？5.画出采用电位器测量正、负位移的线路图。6.螺杆型差动变压器用来。 输出电压表达式是。7.热敏电阻传感器是根据 （材料）电阻与温度之间的关系制成的。它的主要优点是什么？六

21、、（9分）1.PWM 功放电路和双极性输出时的输入电压如图。设电流连续。1） 绘出输出电压 波形。2分别绘出电动机状态、发电机状态和轻载时电流波形。3），电动机状态，指出一周期内电流流经的路线。2.PWM功率放大器包括和两部分。3.PWM电路中，提高频率将使晶体管功耗。（1）减小 （2）不变 （3）增加。4. 异步电动机变频器输出的电压是波形。5.用数据说明线性功放的主要缺点。 七、（13分）1 写出阀控液压马达的传递函数，说明输入量和输出量的含义并说明传递函数参数的特点。2 与电动机相比，液压动力机构的主要优、缺点是什么？3标示出图示液压马达的旋转方向。这是向式液压马达。4.航天器中陀螺传感

22、器有哪两项作用？ 5图示为电容式微加速度传感器结构示意图。简述工作原理。若采用静电力平衡式的工作方式，解释“静电力平衡式的工作方式”，并说明它的优点。八、附加题1.求图示功率放大器的稳态放大系数2.两相绕组匝数都是，电流分别为。证明合成磁场是圆形旋转磁场。（提示 ）参考答案 一、1.（1） （2） （3） （4）2.框图如下。 3.特性曲线如下。 4.优点：力矩大，控制容易。缺点：有机械换向器，有火花，摩擦大，维护较复杂，价高，结构复杂。5.减小涡流损耗。6.钕铁硼。7.大，电枢扁平状。二、1.电机一相绕组产生的机械功率。 2.两相电流相位差： 两相电压相位差90º，幅值不等。 3.4.