(2025年)电机及控制技术考试题及答案

(2025年)电机及控制技术考试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.某三相异步电动机额定频率为50Hz，额定转速为970r/min，其极对数为（）A.1B.2C.3D.42.永磁同步电机（PMSM）与感应电机相比，主要优势是（）A.调速范围更窄B.功率因数更低C.效率更高D.结构更复杂3.直流电机电枢反应的主要影响是（）A.增强主磁场B.使气隙磁场畸变并去磁C.降低电枢电流D.提高换向性能4.矢量控制（FOC）的核心是（）A.将交流电机等效为直流电机控制B.直接控制电机转矩C.简化逆变器结构D.降低开关频率5.步进电机的步距角由（）决定A.电源频率B.电机相数与转子齿数C.驱动电压D.负载大小6.某他励直流电动机电枢电阻Ra=0.5Ω，额定电压Un=220V，额定电流In=20A，其额定运行时的反电动势为（）A.210VB.220VC.230VD.240V7.异步电机变频调速时，为保持磁通恒定，应采用（）控制方式A.U/f恒定B.恒功率C.恒电流D.恒转矩8.无刷直流电机（BLDC）与传统有刷直流电机的主要区别是（）A.无电枢绕组B.用电子换向代替机械换向C.无转子D.只能单向运行9.电机效率η的计算公式为（）A.η=输入功率/输出功率B.η=（输入功率-损耗）/输入功率C.η=输出功率/（输出功率+铁耗）D.η=（铜耗+铁耗）/输入功率10.下列不属于电机控制常用传感器的是（）A.旋转变压器B.光电编码器C.温度传感器D.压力传感器二、填空题（每空1分，共20分）1.电机按功能可分为发电机、电动机和__________三类。2.异步电机的转差率s=（n1-n）/n1，其中n1为__________，n为__________。3.直流电机的励磁方式包括他励、并励、串励和__________。4.永磁同步电机的转子结构主要有表面式和__________两种。5.矢量控制中，通常将定子电流分解为__________分量和__________分量，分别控制磁通和转矩。6.步进电机的控制方式包括单拍、双拍和__________。7.异步电机的启动方法有直接启动、__________启动和软启动。8.无刷直流电机的换相逻辑由__________信号决定，常用传感器为霍尔传感器。9.电机的损耗主要包括铜耗、铁耗、__________和附加损耗。10.变频调速系统中，逆变器的作用是将__________转换为__________。11.他励直流电动机的调速方法有电枢串电阻调速、__________调速和弱磁调速。12.感应电机的转子类型分为鼠笼式和__________两种。13.伺服电机的关键性能指标包括精度、__________和响应速度。14.电机控制中，PID控制器的三个参数是比例系数、积分时间和__________。三、简答题（每题6分，共30分）1.简述直流电机的工作原理，并说明电枢绕组和换向器的作用。2.比较异步电机和同步电机的主要区别（从转速、结构、励磁方式三方面）。3.说明矢量控制（FOC）与直接转矩控制（DTC）的核心差异及各自优缺点。4.步进电机的“失步”现象是如何产生的？可采取哪些措施避免？5.分析永磁同步电机在电动汽车驱动系统中应用的优势，并列举其面临的主要技术挑战。四、分析计算题（每题10分，共20分）1.一台三相四极异步电动机，额定功率PN=30kW，额定电压UN=380V（Y接法），额定频率fN=50Hz，额定效率ηN=90%，功率因数cosφN=0.85。求：（1）额定输入功率；（2）额定线电流；（3）同步转速n1和额定转差率sN（额定转速nN=1460r/min）。2.某他励直流电动机数据如下：UN=220V，IN=40A，Ra=0.5Ω，nN=1000r/min。现采用电枢串电阻调速，要求转速降至800r/min（负载转矩不变），求需串联的电阻值Rc（假设励磁电流不变，不计电枢反应）。五、综合应用题（20分）设计一个基于STM32单片机的永磁同步电机（PMSM）矢量控制系统，要求：（1）画出系统硬件架构图（标注主要模块）；（2）简述控制软件的主流程；（3）说明转速环和电流环的作用及设计要点。答案一、单项选择题1.C2.C3.B4.A5.B6.A7.A8.B9.B10.D二、填空题1.特种电机（或控制电机）2.同步转速；转子转速3.复励4.内置式5.励磁（d轴）；转矩（q轴）6.单双拍混合7.星三角（或自耦变压器）8.转子位置9.机械损耗10.直流；可变频率交流11.调压12.绕线式13.转矩密度14.微分时间三、简答题1.直流电机工作原理：通电电枢绕组在主磁场中受电磁力作用产生转矩，驱动转子旋转；换向器与电刷配合，使电枢绕组中电流方向随转子位置变化，保证转矩方向恒定。电枢绕组作用：产生感应电动势和电磁转矩；换向器作用：将交流电转换为直流电（发电机）或直流电转换为交流电（电动机）。2.区别：（1）转速：异步电机转速略低于同步转速（n<n1），同步电机转速严格等于同步转速（n=n1）；（2）结构：异步电机转子无独立励磁（鼠笼或绕线），同步电机转子需直流励磁（电励磁或永磁）；（3）励磁方式：异步电机励磁由定子侧提供（从电网吸收无功），同步电机励磁由转子侧提供（可调节功率因数）。3.核心差异：FOC通过坐标变换将交流电机等效为直流电机，分别控制d轴和q轴电流（磁通和转矩）；DTC直接控制转矩和磁链，通过空间电压矢量选择实现快速动态响应。优缺点：FOC动态响应稍慢但控制精度高，适用于高精度场合；DTC动态响应快但转矩脉动较大，对参数敏感性低。4.失步原因：步进电机的输入脉冲频率过高（超过启动频率）或负载转矩过大（超过牵入转矩），导致转子无法及时跟踪脉冲指令。措施：降低启动频率（软启动）、增加阻尼（如机械阻尼器）、采用细分驱动（减小步距角）、优化加减速曲线。5.优势：高功率密度（体积小、重量轻）、高效率（降低能耗）、宽调速范围（适应汽车工况）、功率因数高（减少逆变器容量）。挑战：永磁体高温退磁风险、高速运行时的铁耗和机械强度问题、精确转子位置检测（无传感器控制难度大）、成本（稀土永磁材料价格波动）。四、分析计算题1.（1）额定输入功率P1=PN/ηN=30/0.9≈33.33kW；（2）额定线电流IL=P1/(√3UNcosφN)=33330/(1.732×380×0.85)≈59.3A；（3）同步转速n1=60f/p=60×50/2=1500r/min；额定转差率sN=(n1-nN)/n1=(1500-1460)/1500≈0.0267（或2.67%）。2.额定运行时反电动势EaN=UN-INRa=220-40×0.5=200V；转速降至800r/min时，转速比n/nN=800/1000=0.8，因负载转矩不变（T=CTΦIa），励磁不变则Φ不变，故电枢电流Ia=IN=40A；此时反电动势Ea=EaN×(n/nN)=200×0.8=160V；电枢总电阻Ra+Rc=(UN-Ea)/Ia=(220-160)/40=1.5Ω；需串联电阻Rc=1.5-Ra=1.5-0.5=1Ω。五、综合应用题（1）硬件架构图主要模块：STM32主控芯片、PMSM电机、三相逆变器（IGBT/MOSFET）、电流传感器（检测三相电流）、位置传感器（旋变/编码器）、直流电源（如电池）、驱动隔离电路（光耦/磁耦）、保护电路（过流/过压/过热）。（2）软件主流程：初始化（GPIO、ADC、PWM、传感器接口）→读取位置/速度信号→Clarke变换（三相电流→两相静止αβ）→Park变换（αβ→dq同步旋转）→转速环（给定转速与实际转速比较，PID输出q轴电流给定）→电流环（d轴电流给定通常为0，q轴电流给定与实际比较，PID输出dq轴电压）→逆Park变换（dq→αβ）→SVPWM调制→提供六路PWM驱动逆变器→