西安工业大学2013运动控制考试课后复习题及思考题答案

2.5 某龙门刨床工作台采用V-M调速系统。已知直流电动机

PN?60kW,UN?220V,IN?305A,nN?1000rmin，主电路总电阻R=0.18Ω,Ce=0.2V?min/r,求：

（1）当电流连续时，在额定负载下的转速降落?nN为多少？ （2）开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率SN多少？

（3）若要满足D=20,s≤5%的要求，额定负载下的转速降落?nN又为多少? 解：(1)?nN?IN?RCe?305?0.180.2?274.5r/min (2) SN??nNn0?274.5(1000?274.5)?21.5%

(3) ?n?nNS[D(1?s)]?1000?0.05[20?0.95]?2.63r/min

3.2 在转速、电流双闭环调速系统中，两个调节器ASR，ACR均采用PI调节器。已知参数：电动机：PN=3.7kW，UN =220V，IN =20A，nN =1000 r/min ,电枢回路总电阻

**?Uim?Ucm =8V，电枢回路最大电流Idm=40A,电力电子变换器的放大R=1.5Ω,设Unm系数Ks=40。试求：

（1）电流反馈系数?和转速反馈系数?。

（2）当电动机在最高转速发生堵转时的Ud0,Ui*,Ui,Uc值。

*Uim解:1）??Idm?8V40A??0.2V/A???*UnmnN?8V1000rpm?0.008V/rpm

2) Ud0?E?IdlR?CenN?IdlR?40A*1.5??60V 这时：

* Un?8V,Un?0，ASR处于饱和，输出最大电流给定值。 * Ui?8V,Ui?8V,

UC?Ud0KS?6040?1.5V

3.8在一个由三相零式晶闸管整流装置供电的转速、电流双闭环调速系统中，已知电动机的额定数据为：PN?60kW , UN?220V , IN?308A , nN?1000r/min , 电动势系数

Ce=0.196 V·min/r , 主回路总电阻R=0.18Ω,触发整流环节的放大倍数Ks=35。电磁

时间常数Tl=0.012s,机电时间常数Tm=0.12s,电流反馈滤波时间常数T0i=0.0025s,转速

反馈滤波时间常数T0n=0.015s。额定转速时的给定电压(Un*)N =10V,调节器ASR，ACR饱和输出电压Uim*=8V,Ucm =6.5V。

系统的静、动态指标为:稳态无静差,调速范围D=10,电流超调量?i≤5% ,空载起动到额定转速时的转速超调量?n≤10%。试求：

（1）确定电流反馈系数β(假设起动电流限制在1.1IN以内)和转速反馈系数α。 （2）试设计电流调节器ACR,计算其参数Ri, 、Ci 、COi。画出其电路图,调节器输入回路电阻R0=40k?。

（3）设计转速调节器ASR,计算其参数Rn 、Cn 、COn。(R0=40kΩ)

（4）计算电动机带40%额定负载起动到最低转速时的转速超调量σn。 （5）计算空载起动到额定转速的时间。

*/Idm?8V/(1.1*IN)?8V/339A?0.0236V/A 解：（1）??Uim ??10/1000?0.01Vmin/r

（2）电流调节器设计

确定时间常数：a)Ts?0.00333s

b)Toi?0.0025s

c)T?i?T0i?Ts?0.0025?0.00333?0.00583s

电流调节器结构确定：

因为?i?5%，可按典型I型系统设计，选用PI调节器，WACR(S)?Ki(?iS?1)?iS,

电流调节器参数确定: ?i?Tl?0.012s,选KIT?i?0.5,KI?0.5/T?i?85.76s?1，

Ki?KI?iRKs??85.76?0.012?0.1835?0.0173?0.224。

校验等效条件：?ci?KI?85.76s?1

11a)电力电子装置传递函数的近似条件：?1?101.01??ci3TS3?0.00333b)忽略反电势的影响的近似条件： 31TmTl?310.12?0.01210.00333?0.0025?79.06S?1??ci??115.52s?1??ci

111c)电流环小时间常数的近似条件：?3TsT0i3可见满足近似等效条件，电流调节器的实现：选R0?40K,则：

Ri?KiR0?0.224?40K?8.96K, 由此

取9K.

Ci??i/Ri?0.012/(9?103)?1.33?FC0i?4T0i/R0?4?0.0025/40?10?0.25?F3（3）速度调节器设计 确定时间常数：

a) 电流环等效时间常数1/KI:因为KIT?i?0.5

则 1/KI?2T?i?2?0.00583?0.01166s b) Ton?0.015s

c) T?n?1/KI?Ton?0.01166?0.015?0.02666s

速度调节器结构确定：

按照无静差的要求，应选用PI调节器，

WASR(s)?Kn(?ns?1)?ns, 速度调节器参数确定：

?n?hT?n,取h?5,?n?hT?n?0.1333s

KN?Kn?h?12hT22?n?62?5?0.02666?22?168.82s?2(h?1)?CeTm2h?RT?n6?0.0236?0.196?0.122?5?0.01?0.18?0.02666校验等效条件：

?6.94?cn?KN/?1?KN?n?168.82?0.1333?22.5s?1

1KI1a)电流环近似条件：?3T?i385.760.00583?40.43s?1??cn

1KI185.76b)转速环小时间常数近似：??25.2s?1??cn3T0n30.015可见满足近似等效条件。

转速超调量的校验 (空载Z=0）

?n%?2*(?CmaxCb)(??z)?nNT?nn*Tm?2?81.2%?1.1?308?0.180.196?1000?0.026660.12

?11.23%?10%转速超调量的校验结果表明，上述设计不符合要求。因此需重新设计。 查表，应取小一些的h，选h=3进行设计。

按h=3，速度调节器参数确定如下：?n?hT?n?0.07998s

KN?(h?1)/2h2T?2n?4/(2?9?0.026662)?312.656s?2Kn?(h?1)?CeTm/2h?RT?n?4?0.0236?0.196?0.12/(2?3?0.01?0.18?0.02666)?7.6校验等效条件：?cn?KN/?1?KN?n?312.656?0.07998?25s?1

a)1/3(KI/T?i)1/2?1/3(85.76/0.00583)1/2?40.43s?1??cnb)1/3(KI/Ton)1/2?1/3(85.76/0.015)1/2?25.2s?1??cn

可见满足近似等效条件。 转速超调量的校验：

?n?2?72.2%?1.1?(308?0.18/0.196?1000)?(0.02666/0.12)?9.97%?10%

转速超调量的校验结果表明，上述设计符合要求。

速度调节器的实现：选R0?40K,则Rn?Kn?R0?7.6?40?304K,取310K。

Cn??n/Rn?0.07998/310?103?0.258?FCon?4Ton/R0?4?0.015/40?10?1.5?F4) 40%额定负载起动到最低转速时:

3

?n%?2?72.2%?(1.1?0.4)?(308?0.18/0.196?100)?(0.02666/0.12)?63.5%

5) 空载起动到额定转速的时间是：(书上无此公式）

仅考虑起动过程的第二阶段。

GD2dn根据电机运动方程：?Te?TL,375dtdndt?Cm(Idm?IdL)R(Idm?IdL)R??(I?I)dmdLGD2GD2RCeTmCe375375CmCe所以：

t?CeTmn*(Idm?IdL)R?0.196*0.12*1000(1.1*308?0)*0.18?0.385s

复习题

2-1 直流电动机有哪几种调速方法？各有哪些特点？

答：调压调速，弱磁调速，转子回路串电阻调速，变频调速。特点略。 2-8 泵升电压是怎样产生的？对系统有何影响？如何抑制？

答：泵升电压是当电动机工作于回馈制动状态时，由于二极管整流器的单向导电性，使得电 动机由动能转变为的电能不能通过整流装置反馈回交流电网，而只能向滤波电容充电，造成电 容两端电压升高。 泵升电压过大将导致电力电子开关器件被击穿。应合理选择滤波电容的容量，或采用泵升电 压限制电路。

2-9 在晶闸管整流器-电动机开环调速系统中，为什么转速随负载增加而降低？ 答：负载增加意味着负载转矩变大，电机减速，并且在减速过程中，反电动势减小，于是电 枢电流增大，从而使电磁转矩增加，达到与负载转矩平衡，电机不再减速，保持稳定。故负载 增加，稳态时，电机转速会较增加之前降低。

2-11 调速范围与静态速降和最小静差率之间有何关系？为什么必须同时提才有意义？ 答：D=（nN/△n） （s/（1-s）。因为若只考虑减小最小静差率，则在一定静态速降下，允许 ） 的调速范围就小得不能满足要求；而若只考虑增大调速范围，则在一定静态速降下，允许的最 小转差率又大得不能满足要求。因此必须同时提才有意义。 2-13 为什么用积分控制的调速系统是无静差的？在转速单闭环调速系统中，当积分调节器的输 入偏差电压△U=0 时，调节器的输出电压是多少？它决定于哪些因素？ 答：因为积分调节器能在电压偏差为零时仍有稳定的控制电压输出，从而克服了比例调节器 必须要存在电压偏差才有控制电压输出这一比例控制的调速系统存在静差的根本原因。 当积分调节器的输入偏差电压为零时，调节器输出电压应为一个恒定的积分终值。它取决于 输入偏差量在积分时间内的积累，以及积分调节器的限幅值。

3-1 在恒流起动过程中，电枢电流能否达到最大值 Idm？为什么？

答：不能。因为恒流升速过程中，电流闭环调节的扰动是电动机的反电动势，是一个线性

渐 增的斜坡扰动量，而电流闭环采用的 PI 调节器对斜坡扰动无法消除静差，故 Id 略低于 Idm。

3-4 双闭环直流调速系统调试时，遇到下列情况会出现什么现象？（未通过验证，求姐） （1）

电流反馈极性接反。 （2）转速极性接反。

答： （1）由于电流环的正反馈作用，电枢电流将持续上升，转速上升飞快，电动机飞车。

（2）由于转速环的正反馈作用，ACR 无法退饱和，电动机转速持续恒流上升。 3=6 在转速、电流双闭环直流调速系统中，若要改变电动机的转速，应调节什么参数？改变转速 调节器的放大倍数 Kn 行不行？（= =|||）改变电力电子变换器的放大倍数 Ks 行不

行？改变转 速反馈系数 α 行不行？若要改变电动机的堵转电流，应调节系统中的什么参数？

答：通常可以调节给定电压。改变 Kn 和 Ks 都不行，因为转速电流双闭环直流调速系统对前 向通道内的阶跃扰动均有能力克服。也可以改变 α，但目的通常是为了获得更理想的机械特性。 若要改变堵转电流，应调节电流反馈系数 β。

3-9 从下述五个方面来比较转速电流双闭环直流调速系统和带电流截止负反馈环节的转速

单闭 环直流调速系统： （1）调速系统的静态特性。 （2）动态限流性能。 （3）起动的快速性。 （4）抗负载扰动的性能。 （5）抗电源电压波动的性能。 答： 3-10 根据 ASR 和 ACR 的作用，回答（均为 PIR）（已验证） ： （1）双闭环系统在稳定运行中，如果电流反馈信号线断开，系统仍能正常工作吗？ （2）双闭环系统在额定负载下稳定运行时，若电动机突然失磁，最终电动机会飞车吗？ 答： （1）稳态时转速不变，电流减小。 （2）不会飞车，而是停转。

5=2 异步电动机变频调速时，为何要电压协调控制？在整个调速范围内，保持电压恒定是否可 行？为何在基频以下时，采用恒压频比控制，而在基频以上保持电压恒定？ 答：因为定子电压频率变化时，将导致气隙磁通变化，影响电动机工作。 在整

个调速范围内，若保持电压恒定，则在基频以上时，气隙磁通将减少，电动机将出力不 足；而在基频以下时，气隙磁通将增加，由于磁路饱和，励磁电流将过大，电动机将遭到破坏。 因此保持电压恒定不可行。 在基频以下时，若保持电压不变，则气隙磁通增加，由于磁路饱和，将使励磁电流过大，破 坏电动机，故应保持气隙磁通不变，即保持压频比不变，即采用恒压频比控制；而在基频以上 时，受绕组绝缘耐压和磁路饱和的限制，电压不能随之升高，故保持电压恒定。

5-3 异步电动机变频调速时，基频以下和基频以上分别属于恒功率还是恒转矩调速方式？为什 么？所谓恒功率或恒转矩调速方式，是否指输出功率或转矩恒定？若不是，那么恒功率和恒转 矩调速究竟是指什么？ 答：在基频以下调速，采用恒压频比控制，则磁通保持恒定，又额定电流不变，故允许输出 转矩恒定，因此属于恒转矩调速方式。 在基频以下调速，采用恒电压控制，则在基频以上随转速的升高，磁通将减少，又额定电流 不变，故允许输出转矩减小，因此允许输出功率基本保持不变，属于恒功率调速方式。 恒功率或恒转矩调速方式并不是指输出功率或输出转矩恒定， 而是额定电流下允许输出的功 率或允许输出的转矩恒定。

5=4 基频以下调速可以是恒压频比控制，恒定子磁通 φms、恒气隙磁通 φm 和恒转子磁通 φmr 的 控制方式，从机械特性和系统实现两个方面分析与比较四种控制方法的优缺点。 答：恒压频比控制最容易实现，其机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能满足一般调 速要求，低速时需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。 恒定子磁通 φms、恒气隙磁通 φm 和恒转子磁通 φmr 的控制方式均需要定子电压补偿，控制 要复杂一些。恒定子磁通 φms 和恒气隙磁通 φm 的控制方式虽然改善了低速性能，但机械特性还 是非线性的，仍受到临界转矩的限制。 恒转子磁通 φmr 控制方式可以获得和直流他励电动机一样的线性机械特性，性能最佳。

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