2025年(自动化)运动控制系统技术试题及答案

2025年(自动化)运动控制系统技术试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分。每题只有一个正确答案，请将正确选项字母填入括号内）1.在永磁同步电机矢量控制系统中，id=0控制策略的主要目的是（）。A.提高弱磁扩速能力B.减小铜耗并最大化转矩电流比C.提高功率因数D.降低开关频率答案：B2.下列关于PI调节器抗饱和（Antiwindup）方法的描述，正确的是（）。A.积分分离法在误差大时完全切除积分，但会引入稳态误差B.反计算法通过将饱和差值反馈至积分器输入，可彻底消除超调C.钳位法仅适用于电流环，不适用于速度环D.抗饱和措施会降低系统型别，导致斜坡响应稳态误差增大答案：A3.在伺服驱动器调试现场，若示波器测得编码器A、B两相正交脉冲相位差为45°，则表明（）。A.编码器安装偏心B.电缆屏蔽层双端接地不良C.编码器线数设置错误D.计数方向与电机转向相反答案：A4.对于采用SVPWM的两电平逆变器，若直流母线电压为400V，则输出线电压基波幅值理论最大值为（）。A.400VB.346VC.283VD.230V答案：B5.在电流环离散化设计中，采用零阶保持器法将连续域PI调节器转为数字域，若采样频率为10kHz，积分时间常数Ti=0.5ms，则离散域积分系数Ki最接近（）。A.0.02B.0.05C.0.1D.0.2答案：C6.关于永磁同步电机弱磁控制，下列说法错误的是（）。A.负向id电流可削弱永磁磁链B.弱磁区功率极限由电压椭圆与电流圆共同决定C.弱磁越深，功率因数必然单调下降D.弱磁运行时需满足ud²+uq²≤Umax²答案：C7.在基于模型预测转矩控制（MPTC）中，代价函数若仅含转矩误差与磁链误差两项，权重系数λ越大则（）。A.转矩脉动减小，磁链脉动增大B.转矩脉动增大，磁链脉动减小C.两者脉动均减小D.两者脉动均增大答案：A8.伺服系统机械谐振频率为850Hz，若采用双惯量模型，为抑制谐振，速度环采样频率应至少高于（）。A.850HzB.1.7kHzC.3.4kHzD.8.5kHz答案：C9.在EtherCAT分布式时钟（DC）机制中，主站通过寄存器0x0920写入的值是（）。A.从站本地时钟偏移B.主站发送帧的CRC校验C.期望从站锁存时间D.从站ESC运行状态字答案：C10.若采用滑模观测器（SMO）估算PMSM转子位置，下列措施对抑制抖振最有效的是（）。A.提高直流母线电压B.采用饱和函数替代符号函数C.减小定子电阻D.提高载波比答案：B二、多项选择题（每题3分，共15分。每题有两个或两个以上正确答案，多选、少选、错选均不得分）11.下列关于磁场定向控制（FOC）与直接转矩控制（DTC）的比较，正确的有（）。A.FOC需坐标变换，DTC无需坐标变换B.DTC转矩响应速度通常快于FOCC.FOC开关频率固定，DTC开关频率可变D.DTC低速区转矩脉动小于FOCE.FOC对参数鲁棒性优于DTC答案：A、B、C12.造成伺服电机运行中电流零漂（ZeroDrift）的主要原因包括（）。A.电流传感器温漂B.逆变器死区时间不对称C.编码器零位偏移D.ADC参考电压抖动E.母线电压二次纹波答案：A、B、D13.下列措施可提高永磁同步电机高速区功率输出能力的有（）。A.提前角弱磁B.增加直流母线电压C.采用分段永磁体降低涡流D.提高极对数E.采用最大转矩电压比（MTPV）轨迹答案：A、B、E14.关于编码器协议，下列属于绝对值串行协议的有（）。A.BiSSCB.SSIC.EnDat2.2D.TTL差分A/B/ZE.HIPERFACEDSL答案：A、B、C、E15.在伺服驱动器安全功能中，符合IEC6180052定义的有（）。A.STOB.SS1C.SLSD.SOSE.SBC答案：A、B、C、D、E三、填空题（每空2分，共20分）16.永磁同步电机在dq轴下的电磁转矩方程为Te=________×(ψd·iq−ψq·id)，其中ψd=________+Ld·id。答案：3/2p；ψf17.当采用前馈补偿消除伺服系统跟踪误差时，若速度前馈系数Kv=________，加速度前馈系数Ka=________，则对二阶系统可实现零稳态跟踪。答案：1；J/Kt18.在SVPWM算法中，判断参考电压矢量所在扇区的常用方法为N=________，其中Uα、Uβ为两相静止坐标系分量。答案：4·sign(Uβ)+2·sign(√3Uα−Uβ)+sign(−√3Uα−Uβ)19.伺服驱动器制动电阻的功率额定值应大于制动能量平均功率的________倍，并校核________工况下峰值功率不超限。答案：1.5；减速20.采用双线性变换（Tustin）将连续域传递函数Gc(s)=Kp+Ki/s离散化，若采样周期Ts=100μs，则离散域脉冲传递函数Gc(z)=________+________/(z−1)。答案：Kp；Ki·Ts/221.在EtherCAT帧中，命令字为APRD时，其值为________（十六进制）。答案：0x0122.若电机额定电流6A，驱动器设置电流环限幅为120%，则正向限幅值为________A，反向限幅值为________A。答案：7.2；−7.223.滑模观测器估算反电动势时，低通滤波器截止频率通常取电机额定频率的________倍，以兼顾________与噪声抑制。答案：5~10；相位滞后四、简答题（共25分）24.（封闭型，6分）说明伺服系统“增益调度”控制的基本思想，并给出一种实现方案。答案：增益调度根据实时运行点（如速度、负载）在线调整控制器参数，使系统在全工作域保持期望性能。实现方案：建立速度负载二维查表，离线整定多组PI参数，运行时检测速度与负载电流，二维插值得到当前Kp、Ki，写入速度环与电流环。25.（开放型，7分）某直线电机平台采用光栅尺全闭环，调试时发现高速往返定位终点有±5μm周期性误差，分析可能原因并提出三种解决措施。答案：可能原因：1.光栅尺安装直线度误差导致阿贝误差；2.电缆拖链高速弯折引入机械谐振；3.逆变器死区不对称造成电流零漂，产生推力波动。措施：1.重新校准光栅尺直线度，采用光学平尺补偿；2.降低加速度或优化运动曲线避开机械谐振区；3.在线测量相电流零漂并实时补偿，或采用更高开关频率降低死区影响。26.（封闭型，6分）写出PMSM弱磁控制中电压极限椭圆方程，并解释为何高速区需沿MTPV轨迹运行。答案：电压极限椭圆：(Ld·id+ψf)²+(Lq·iq)²≤(Umax/ωe)²。高速区反电动势增大，电流圆与电压椭圆交点左移，MTPV轨迹使单位电流产生最大转矩，同时满足电压极限，故需沿MTPV运行。27.（开放型，6分）对比模型预测电流控制（MPCC）与经典PI+SVPWM在运算量、动态响应、参数鲁棒性三方面的差异。答案：运算量：MPCC需在线滚动优化，每周期评估7个电压矢量，运算量约为PI的5~8倍；动态响应：MPCC无线性调节器延迟，电流阶跃响应<200μs，优于PI的500~800μs；参数鲁棒性：MPCC依赖模型，电感误差20%时电流THD增加6%，PI对电感误差敏感度低，但需单独抗饱和设计。五、计算题（共40分）28.（电流环设计，10分）已知表贴式PMSM参数：Rs=0.3Ω，Ld=Lq=1.2mH，极对数p=4，额定电流10A，直流母线电压Udc=48V。采用PI调节器，开关频率20kHz，采样频率20kHz。按“典型I型”系统设计，要求电流环带宽fc=1kHz。(1)求连续域PI参数Kp、Ki；(2)用零阶保持器法离散化，写出离散域PI表达式；(3)计算调节器输出限幅值（考虑SVPWM最大电压利用率）。答案：(1)电机电气时间常数τe=L/R=1.2mH/0.3Ω=4ms；带宽fc=1kHz→ωc=2π·1000=6283rad/s；按典型I型：Kp=ωc·L=6283·1.2e3=7.54；Ki=ωc·R=6283·0.3=1885s⁻¹。(2)离散化：Ts=50μs；Kp不变；Ki_d=Ki·Ts=1885·50e6=0.094；离散域：u(k)=u(k1)+Kp·[e(k)−e(k−1)]+Ki_d·e(k)。(3)SVPWM最大相电压幅值Umax=Udc/√3=48/1.732=27.7V；考虑120%过载，电流限幅12A，电机电阻压降12·0.3=3.6V；限幅值：27.7+3.6≈31.3V，取±32V。29.（速度环与负载惯量辨识，15分）某伺服系统空载运行时，速度环给定阶跃从0→1000r/min，实测速度响应曲线为临界阻尼二阶系统，上升时间tr=28ms。电机侧惯量Jm=0.8×10⁻⁴kg·m²，额定转矩Tn=2N·m。(1)求速度环等效闭环带宽；(2)若加载未知惯量Jl后，同样阶跃上升时间变为40ms，求Jl；(3)设计一种在线惯量辨识算法，写出递推公式。答案：(1)临界阻尼二阶：tr≈3.36/ωn→ωn=3.36/0.028=120rad/s；带宽fb=ωn/(2π)=19.1Hz。(2)上升时间与√(Jm+Jl)成正比：tr2/tr1=√(1+Jl/Jm)=40/28=1.428→Jl/Jm=1.04→Jl=0.83×10⁻⁴kg·m²。(3)在线惯量辨识：采用转矩加速度法，递推最小二乘：θ(k)=[Jest(k)]；y(k)=Δt·ΣT(k−i)；φ(k)=Δω(k)；Jest(k)=Jest(k−1)+L(k)·[y(k)−φ(k)·Jest(k−1)]；增益L(k)=P(k−1)·φ(k)/[λ+P(k−1)·φ²(k)]；遗忘因子λ=0.98。30.（综合设计，15分）一台电梯曳引机采用永磁同步无齿轮直驱，参数：额定功率25kW，额定速度1.75m/s，额定转矩1600N·m，极对数p=20，编码器为2048cpr增量式+绝对值多圈，减速比1:1，曳引轮半径0.2m，轿厢质量1200kg，对重1500kg，系统总惯量折算到电机轴为J=2.5kg·m²。要求：(1)计算电机额定转速（r/min）；(2)设计一次理想S曲线加减速，加速度amax=0.8m/s²，加加速度Jerk=0.4m/s³，求电机轴最大角加速度；(3)若采用弱磁控制，最高线速度2.2m/s时对应电机频率为多少？是否需弱磁？（母线电压Udc=600V，Ld=0.35mH，ψf=0.12Wb，允许最大相电压幅值Umax=Udc/√3）。答案：(1)线速度v=ω·r→ω=v/r=1.75/0.2=8.75rad/s；n=ω·60/(2πp)=8.75·60/(2π·20)=4.18r/s=251r/min。(2)最大角加速度αmax=amax/r=0.8/0.