電機(jī)控制原理期末試卷及解析前言本試卷旨在全面考察學(xué)生對電機(jī)控制原理課程核心知識的掌握程度，包括基本概念、常用控制方法、典型電路分析及實(shí)際應(yīng)用能力。試卷內(nèi)容覆蓋直流電機(jī)、交流電機(jī)控制的主要方面，題型多樣，難度適中，希望能為同學(xué)們鞏固所學(xué)知識、檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果提供有益參考。---電機(jī)控制原理期末試卷考試時間：120分鐘滿分：100分一、選擇題(每題3分，共15分)1.直流電動機(jī)電樞回路串入電阻調(diào)速，其機(jī)械特性將（）A.變硬B.變軟C.不變D.不確定2.三相異步電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速大小取決于（）A.電源頻率和磁極對數(shù)B.電源電壓和磁極對數(shù)C.電源頻率和轉(zhuǎn)差率D.電源電壓和轉(zhuǎn)差率3.在變頻調(diào)速時，為保持電動機(jī)磁通基本恒定，應(yīng)采用的控制方式是（）A.恒壓頻比控制B.恒功率控制C.恒電流控制D.恒轉(zhuǎn)速控制4.下列哪種控制策略不屬于異步電動機(jī)的現(xiàn)代控制方法（）A.矢量控制B.直接轉(zhuǎn)矩控制C.變壓變頻控制D.滑模變結(jié)構(gòu)控制5.PWM整流器相比傳統(tǒng)二極管或晶閘管整流器，最顯著的優(yōu)點(diǎn)是（）A.結(jié)構(gòu)簡單B.成本低廉C.輸入電流正弦化且功率因數(shù)可控D.開關(guān)頻率低二、填空題(每空2分，共20分)1.直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，常用的三種基本調(diào)速方法是：改變電樞電壓、改變電樞回路電阻和改變___________。2.閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜差率與開環(huán)放大倍數(shù)成___________關(guān)系（填“正比”或“反比”）。3.異步電動機(jī)降壓起動的目的是___________。4.無刷直流電動機(jī)通過___________檢測轉(zhuǎn)子位置，從而實(shí)現(xiàn)電子換向。5.在SPWM控制中，通常采用___________波與___________波相交產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。6.伺服系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)包括動態(tài)響應(yīng)速度、___________和___________。7.電流環(huán)的主要作用是快速跟蹤電流指令、限制最大電流和___________。8.感應(yīng)電動機(jī)進(jìn)行坐標(biāo)變換的目的是___________。三、簡答題(每題8分，共32分)1.簡述直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的基本工作原理，并說明其相比傳統(tǒng)晶閘管調(diào)速系統(tǒng)有哪些優(yōu)勢。2.什么是異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率？在電動運(yùn)行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)差率的范圍是多少？請分析轉(zhuǎn)差率對異步電動機(jī)運(yùn)行性能的影響。3.請解釋矢量控制的基本思想，為什么說矢量控制能使異步電動機(jī)獲得與直流電動機(jī)相似的動態(tài)性能？4.簡述PID控制器中比例、積分、微分環(huán)節(jié)的主要作用，并說明在電機(jī)速度閉環(huán)控制中，如果系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)如何調(diào)整PID參數(shù)？四、分析計(jì)算題(共33分)1.(15分)一臺他勵直流電動機(jī)，額定數(shù)據(jù)如下：額定功率PN=10kW，額定電壓UN=220V，額定電流IN=52A，額定轉(zhuǎn)速nN=1500r/min，電樞回路總電阻Ra=0.2Ω。忽略電樞反應(yīng)及空載轉(zhuǎn)矩。（1）若采用電樞回路串電阻調(diào)速，將轉(zhuǎn)速降至n=1200r/min，求所需串聯(lián)的電阻值及此時電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。（2）若采用降低電樞電壓調(diào)速，保持電流為額定值，將轉(zhuǎn)速降至n=1200r/min，求此時的電樞電壓及電動機(jī)的輸出功率。2.(18分)某三相電壓型PWM逆變器，輸入直流電壓Ud=300V，采用正弦波調(diào)制的SPWM技術(shù)，調(diào)制波頻率為50Hz，載波頻率為5kHz。（1）簡述SPWM逆變器的基本工作原理。（2）若調(diào)制深度M=0.8，求逆變器輸出線電壓的基波有效值。（3）分析載波頻率對逆變器輸出性能的影響。若需減小輸出電流的諧波含量，應(yīng)如何調(diào)整載波頻率？這樣做會帶來什么問題？---電機(jī)控制原理期末試卷解析一、選擇題1.答案：B解析：直流電動機(jī)電樞回路串入電阻后，機(jī)械特性的斜率增大，特性曲線變得平緩，即機(jī)械特性變軟。負(fù)載變化時，轉(zhuǎn)速的波動會更大。2.答案：A解析：三相異步電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速（同步轉(zhuǎn)速）n?=60f?/p，其中f?為電源頻率，p為磁極對數(shù)。因此，其大小取決于電源頻率和磁極對數(shù)。3.答案：A解析：變頻調(diào)速時，為保持電動機(jī)磁通Φ基本恒定，需維持U?/f?=常數(shù)（忽略定子阻抗壓降），即恒壓頻比控制。這是異步電動機(jī)變頻調(diào)速的基本控制方式。4.答案：C解析：變壓變頻控制（VVVF）是異步電動機(jī)調(diào)速的一種基本方法，屬于較為經(jīng)典的控制策略。而矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制則屬于現(xiàn)代控制方法，它們能實(shí)現(xiàn)更高性能的動態(tài)控制。5.答案：C解析：PWM整流器通過對開關(guān)器件的適當(dāng)控制，可以使輸入電流正弦化且與電網(wǎng)電壓同相位，從而實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，甚至可以實(shí)現(xiàn)能量雙向流動。這是其相比傳統(tǒng)整流器最顯著的優(yōu)點(diǎn)。二、填空題1.答案：勵磁磁通解析：直流電動機(jī)的三種基本調(diào)速方法為：改變電樞電壓、改變電樞回路電阻和改變勵磁磁通（弱磁調(diào)速）。2.答案：反比解析：閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜差率s與開環(huán)放大倍數(shù)K近似成反比關(guān)系。K越大，靜差率s越小，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性越好。3.答案：減小起動電流解析：異步電動機(jī)直接起動時電流很大，通常為額定電流的4-7倍。降壓起動是為了降低起動時的定子電壓，從而減小起動電流，保護(hù)電機(jī)和電網(wǎng)。4.答案：位置傳感器（或霍爾傳感器、編碼器等）解析：無刷直流電動機(jī)用電子換向取代了有刷直流電機(jī)的機(jī)械換向，需要位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子磁極的位置，以控制相應(yīng)的功率開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷。5.答案：正弦調(diào)制波，三角載波解析：SPWM（正弦脈沖寬度調(diào)制）的基本原理是將期望輸出的正弦波作為調(diào)制波，與高頻三角波（載波）進(jìn)行比較，由交點(diǎn)確定功率器件的開關(guān)時刻，從而產(chǎn)生脈寬按正弦規(guī)律變化的脈沖序列。6.答案：定位精度，穩(wěn)態(tài)誤差（或抗干擾能力等，合理即可）解析：伺服系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)通常包括動態(tài)響應(yīng)速度（如上升時間、調(diào)整時間）、定位精度（或跟蹤精度）、穩(wěn)態(tài)誤差、抗干擾能力等。7.答案：抑制電網(wǎng)電壓波動和負(fù)載擾動對電流的影響（或快速響應(yīng)電流指令）解析：電流環(huán)是電機(jī)控制系統(tǒng)中的內(nèi)環(huán)，其主要作用是快速跟蹤電流指令，限制最大電流（起到過流保護(hù)作用），并能有效抑制電網(wǎng)電壓波動和負(fù)載擾動對電流的影響，為外環(huán)（速度環(huán)、位置環(huán)）提供一個近似線性的、快速響應(yīng)的電流源。8.答案：將交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型等效為直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型（或簡化電機(jī)模型，實(shí)現(xiàn)解耦控制）解析：感應(yīng)電動機(jī)是一個強(qiáng)耦合、非線性的多變量系統(tǒng)。坐標(biāo)變換的目的是通過線性變換，將其在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（如d-q坐標(biāo)系），從而將定子電流分解為勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，實(shí)現(xiàn)類似直流電機(jī)的勵磁和電樞電流的獨(dú)立控制（解耦控制）。三、簡答題1.答案：直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的基本工作原理是：利用大功率開關(guān)器件（如IGBT）組成的PWM變換器，將恒定的直流電源電壓轉(zhuǎn)換成幅值可調(diào)、脈沖寬度按一定規(guī)律變化的PWM電壓，施加到直流電動機(jī)的電樞兩端，通過改變PWM波形的占空比來調(diào)節(jié)平均輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。相比傳統(tǒng)晶閘管調(diào)速系統(tǒng)，其優(yōu)勢主要有：*調(diào)速范圍寬，線性度好：PWM變換器的輸出電壓可以平滑調(diào)節(jié)，調(diào)速精度高。*動態(tài)響應(yīng)速度快：開關(guān)頻率高，電流響應(yīng)快，系統(tǒng)動態(tài)性能好。*效率高：PWM變換器在開關(guān)狀態(tài)下工作，器件導(dǎo)通損耗?。ê雎蚤_關(guān)損耗時接近100%），而晶閘管相控整流器在較低移相角時網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低，損耗較大。*輸出電流脈動小：采用高頻開關(guān)，電流脈動頻率高，易于濾波，電機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)。*保護(hù)功能更完善：易于實(shí)現(xiàn)過流、過壓等保護(hù)。2.答案：異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率s是指同步轉(zhuǎn)速n?與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之差（滑差）與同步轉(zhuǎn)速n?的比值，即s=(n?-n)/n?。在電動運(yùn)行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n低于同步轉(zhuǎn)速n?，且方向相同，此時轉(zhuǎn)差率的范圍是0<s<1。轉(zhuǎn)差率對異步電動機(jī)運(yùn)行性能的影響主要體現(xiàn)在：*轉(zhuǎn)子電流：轉(zhuǎn)子電流的大小與轉(zhuǎn)差率s近似成正比（在s較小時）。s增大，轉(zhuǎn)子電流增大。*電磁轉(zhuǎn)矩：電磁轉(zhuǎn)矩T與s的關(guān)系構(gòu)成了異步電機(jī)的機(jī)械特性。在臨界轉(zhuǎn)差率sm之前，T隨s增大而增大；超過sm后，T隨s增大而減小。*效率和功率因數(shù)：在額定轉(zhuǎn)差率附近（s較?。?，電機(jī)效率和功率因數(shù)較高。s過大時，轉(zhuǎn)子銅耗增大，效率降低；同時，無功勵磁電流占比增加，功率因數(shù)下降。*轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)差率s直接反映了電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，s越大，實(shí)際轉(zhuǎn)速n=n?(1-s)越低。3.答案：矢量控制的基本思想是：通過坐標(biāo)變換，將三相異步電動機(jī)的定子電流分解為兩個互相垂直的直流分量，一個是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的勵磁電流分量（id），另一個是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量（iq）。然后，像控制直流電動機(jī)那樣，分別對這兩個分量進(jìn)行獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。最后，再通過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，將控制量轉(zhuǎn)換為實(shí)際的三相控制信號，去控制逆變器的開關(guān)狀態(tài)。直流電動機(jī)之所以具有優(yōu)良的動態(tài)性能，是因?yàn)槠鋭畲糯艌龊碗姌须娏鳟a(chǎn)生的磁場在空間上正交，且可以分別獨(dú)立控制。矢量控制通過坐標(biāo)變換和磁場定向，使得異步電動機(jī)的定子電流也能分解出獨(dú)立的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，從而實(shí)現(xiàn)了類似直流電動機(jī)的控制方式。這樣，異步電動機(jī)就能獲得與直流電動機(jī)相媲美的高動態(tài)響應(yīng)性能，如快速的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩跟蹤能力。4.答案：PID控制器中各環(huán)節(jié)的主要作用：*比例環(huán)節(jié)（P）：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號。偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。比例系數(shù)Kp越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快，控制精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至不穩(wěn)定。*積分環(huán)節(jié)（I）：主要用于消除靜態(tài)誤差。只要系統(tǒng)存在偏差，積分作用就會不斷積累，輸出控制量以消除偏差，直到偏差為零，積分作用才停止。積分時間Ti越小，積分作用越強(qiáng)。*微分環(huán)節(jié)（D）：反映偏差信號的變化趨勢（變化率），并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間，抑制超調(diào)。微分時間Td越大，微分作用越強(qiáng)。在電機(jī)速度閉環(huán)控制中，如果系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，可采取以下措施調(diào)整PID參數(shù)：*減小比例系數(shù)Kp：降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，從而減小超調(diào)量。*增大積分時間Ti：減弱積分作用，避免積分飽和導(dǎo)致的超調(diào)。*適當(dāng)增加微分時間Td：增強(qiáng)微分作用，利用其超前調(diào)節(jié)特性，抑制超調(diào)趨勢。通常需要綜合調(diào)整這三個參數(shù)，通過試湊法或自整定方法找到合適的組合，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，兼顧快速性和準(zhǔn)確性。四、分析計(jì)算題1.答案：（1）首先計(jì)算電動機(jī)的額定電樞電動勢：EaN=UN-INRa=220V-52A×0.2Ω=220V-10.4V=209.6V由Ea=CeΦn，可得CeΦ=EaN/nN=209.6V/1500r/min≈0.1397V·min/r當(dāng)轉(zhuǎn)速降至n=1200r/min時，電樞電動勢為：Ea=CeΦn=0.1397V·min/r×1200r/min≈167.64V此時電樞電流Ia=IN=52A(因負(fù)載轉(zhuǎn)矩未變，電磁轉(zhuǎn)矩不變，忽略電樞反應(yīng)時Φ不變，故Ia不變)電樞回路總電阻R=(UN-Ea)/Ia=(220V-167.64V)/52A≈52.36V/52A≈1.007Ω所需串聯(lián)的電阻值Rs=R-Ra=1.007Ω-0.2Ω≈0.807Ω輸出轉(zhuǎn)矩T?=Tem=CeΦIa=0.1397V·min/r×52A≈7.26N·m(忽略空載轉(zhuǎn)矩，T?=Tem)（2）采用降低電樞電壓調(diào)速，保持電流Ia=IN=52A，轉(zhuǎn)速n=1200r/min。此時電樞電動勢Ea=CeΦn=0.1397V·min/r×1200r/min≈167.64V電樞電壓U=Ea+IaRa=167.64V+52A×0.2Ω=167.64V+10.4V=178.04V輸出功率P?=T?ω=T?×(2πn/60)。由于Ia=IN，CeΦ不變，故Tem=T?與額定狀態(tài)相同。額定轉(zhuǎn)矩TemN=CeΦIN≈0.1397×52≈7.26N·m輸出功率P?=7.26N·m×(2π×1200/60)rad/s≈7.26×125.66rad/s≈912W?；蛘?，P?=EaIa(忽略空載損耗)=167.64V×52A≈8717W≈8.72kW。（兩種方法均可，前者需用到額定轉(zhuǎn)矩，后者更直接）2.答案：（1）SPWM逆變器的基本工作原理：SPWM（正弦脈沖寬度調(diào)制）逆變器是將直流電逆變?yōu)榻涣麟姷难b置。其基本原理是：將一個期望輸出的正弦波（稱為調(diào)制波或參考波）與一個頻率遠(yuǎn)高于調(diào)制波的三角波（稱為載波）進(jìn)行比較。當(dāng)調(diào)制波的瞬時值高于載波的瞬時值時，相應(yīng)橋臂的上管導(dǎo)通，下管關(guān)斷；反之，則下管導(dǎo)通，上管關(guān)斷。通過這種方式，逆變器輸出端將產(chǎn)生一系列脈沖寬度隨調(diào)制波正弦規(guī)律變化的方波