(2025年)電機(jī)及控制技術(shù)考試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.某三相異步電動(dòng)機(jī)額定頻率為50Hz，額定轉(zhuǎn)速為970r/min，其極對(duì)數(shù)為（）A.1B.2C.3D.42.永磁同步電機(jī)（PMSM）與感應(yīng)電機(jī)相比，主要優(yōu)勢(shì)是（）A.調(diào)速范圍更窄B.功率因數(shù)更低C.效率更高D.結(jié)構(gòu)更復(fù)雜3.直流電機(jī)電樞反應(yīng)的主要影響是（）A.增強(qiáng)主磁場(chǎng)B.使氣隙磁場(chǎng)畸變并去磁C.降低電樞電流D.提高換向性能4.矢量控制（FOC）的核心是（）A.將交流電機(jī)等效為直流電機(jī)控制B.直接控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩C.簡(jiǎn)化逆變器結(jié)構(gòu)D.降低開(kāi)關(guān)頻率5.步進(jìn)電機(jī)的步距角由（）決定A.電源頻率B.電機(jī)相數(shù)與轉(zhuǎn)子齒數(shù)C.驅(qū)動(dòng)電壓D.負(fù)載大小6.某他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞電阻Ra=0.5Ω，額定電壓Un=220V，額定電流In=20A，其額定運(yùn)行時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)為（）A.210VB.220VC.230VD.240V7.異步電機(jī)變頻調(diào)速時(shí)，為保持磁通恒定，應(yīng)采用（）控制方式A.U/f恒定B.恒功率C.恒電流D.恒轉(zhuǎn)矩8.無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）與傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)的主要區(qū)別是（）A.無(wú)電樞繞組B.用電子換向代替機(jī)械換向C.無(wú)轉(zhuǎn)子D.只能單向運(yùn)行9.電機(jī)效率η的計(jì)算公式為（）A.η=輸入功率/輸出功率B.η=（輸入功率-損耗）/輸入功率C.η=輸出功率/（輸出功率+鐵耗）D.η=（銅耗+鐵耗）/輸入功率10.下列不屬于電機(jī)控制常用傳感器的是（）A.旋轉(zhuǎn)變壓器B.光電編碼器C.溫度傳感器D.壓力傳感器二、填空題（每空1分，共20分）1.電機(jī)按功能可分為發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和__________三類。2.異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率s=（n1-n）/n1，其中n1為_(kāi)_________，n為_(kāi)_________。3.直流電機(jī)的勵(lì)磁方式包括他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)和__________。4.永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)主要有表面式和__________兩種。5.矢量控制中，通常將定子電流分解為_(kāi)_________分量和__________分量，分別控制磁通和轉(zhuǎn)矩。6.步進(jìn)電機(jī)的控制方式包括單拍、雙拍和__________。7.異步電機(jī)的啟動(dòng)方法有直接啟動(dòng)、__________啟動(dòng)和軟啟動(dòng)。8.無(wú)刷直流電機(jī)的換相邏輯由__________信號(hào)決定，常用傳感器為霍爾傳感器。9.電機(jī)的損耗主要包括銅耗、鐵耗、__________和附加損耗。10.變頻調(diào)速系統(tǒng)中，逆變器的作用是將__________轉(zhuǎn)換為_(kāi)_________。11.他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有電樞串電阻調(diào)速、__________調(diào)速和弱磁調(diào)速。12.感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子類型分為鼠籠式和__________兩種。13.伺服電機(jī)的關(guān)鍵性能指標(biāo)包括精度、__________和響應(yīng)速度。14.電機(jī)控制中，PID控制器的三個(gè)參數(shù)是比例系數(shù)、積分時(shí)間和__________。三、簡(jiǎn)答題（每題6分，共30分）1.簡(jiǎn)述直流電機(jī)的工作原理，并說(shuō)明電樞繞組和換向器的作用。2.比較異步電機(jī)和同步電機(jī)的主要區(qū)別（從轉(zhuǎn)速、結(jié)構(gòu)、勵(lì)磁方式三方面）。3.說(shuō)明矢量控制（FOC）與直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）的核心差異及各自優(yōu)缺點(diǎn)。4.步進(jìn)電機(jī)的“失步”現(xiàn)象是如何產(chǎn)生的？可采取哪些措施避免？5.分析永磁同步電機(jī)在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，并列舉其面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。四、分析計(jì)算題（每題10分，共20分）1.一臺(tái)三相四極異步電動(dòng)機(jī)，額定功率PN=30kW，額定電壓UN=380V（Y接法），額定頻率fN=50Hz，額定效率ηN=90%，功率因數(shù)cosφN=0.85。求：（1）額定輸入功率；（2）額定線電流；（3）同步轉(zhuǎn)速n1和額定轉(zhuǎn)差率sN（額定轉(zhuǎn)速nN=1460r/min）。2.某他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)如下：UN=220V，IN=40A，Ra=0.5Ω，nN=1000r/min?，F(xiàn)采用電樞串電阻調(diào)速，要求轉(zhuǎn)速降至800r/min（負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變），求需串聯(lián)的電阻值Rc（假設(shè)勵(lì)磁電流不變，不計(jì)電樞反應(yīng)）。五、綜合應(yīng)用題（20分）設(shè)計(jì)一個(gè)基于STM32單片機(jī)的永磁同步電機(jī)（PMSM）矢量控制系統(tǒng)，要求：（1）畫(huà)出系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖（標(biāo)注主要模塊）；（2）簡(jiǎn)述控制軟件的主流程；（3）說(shuō)明轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的作用及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。答案一、單項(xiàng)選擇題1.C2.C3.B4.A5.B6.A7.A8.B9.B10.D二、填空題1.特種電機(jī)（或控制電機(jī)）2.同步轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速3.復(fù)勵(lì)4.內(nèi)置式5.勵(lì)磁（d軸）；轉(zhuǎn)矩（q軸）6.單雙拍混合7.星三角（或自耦變壓器）8.轉(zhuǎn)子位置9.機(jī)械損耗10.直流；可變頻率交流11.調(diào)壓12.繞線式13.轉(zhuǎn)矩密度14.微分時(shí)間三、簡(jiǎn)答題1.直流電機(jī)工作原理：通電電樞繞組在主磁場(chǎng)中受電磁力作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；換向器與電刷配合，使電樞繞組中電流方向隨轉(zhuǎn)子位置變化，保證轉(zhuǎn)矩方向恒定。電樞繞組作用：產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩；換向器作用：將交流電轉(zhuǎn)換為直流電（發(fā)電機(jī)）或直流電轉(zhuǎn)換為交流電（電動(dòng)機(jī)）。2.區(qū)別：（1）轉(zhuǎn)速：異步電機(jī)轉(zhuǎn)速略低于同步轉(zhuǎn)速（n<n1），同步電機(jī)轉(zhuǎn)速嚴(yán)格等于同步轉(zhuǎn)速（n=n1）；（2）結(jié)構(gòu)：異步電機(jī)轉(zhuǎn)子無(wú)獨(dú)立勵(lì)磁（鼠籠或繞線），同步電機(jī)轉(zhuǎn)子需直流勵(lì)磁（電勵(lì)磁或永磁）；（3）勵(lì)磁方式：異步電機(jī)勵(lì)磁由定子側(cè)提供（從電網(wǎng)吸收無(wú)功），同步電機(jī)勵(lì)磁由轉(zhuǎn)子側(cè)提供（可調(diào)節(jié)功率因數(shù)）。3.核心差異：FOC通過(guò)坐標(biāo)變換將交流電機(jī)等效為直流電機(jī)，分別控制d軸和q軸電流（磁通和轉(zhuǎn)矩）；DTC直接控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈，通過(guò)空間電壓矢量選擇實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。優(yōu)缺點(diǎn)：FOC動(dòng)態(tài)響應(yīng)稍慢但控制精度高，適用于高精度場(chǎng)合；DTC動(dòng)態(tài)響應(yīng)快但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，對(duì)參數(shù)敏感性低。4.失步原因：步進(jìn)電機(jī)的輸入脈沖頻率過(guò)高（超過(guò)啟動(dòng)頻率）或負(fù)載轉(zhuǎn)矩過(guò)大（超過(guò)牽入轉(zhuǎn)矩），導(dǎo)致轉(zhuǎn)子無(wú)法及時(shí)跟蹤脈沖指令。措施：降低啟動(dòng)頻率（軟啟動(dòng)）、增加阻尼（如機(jī)械阻尼器）、采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)（減小步距角）、優(yōu)化加減速曲線。5.優(yōu)勢(shì)：高功率密度（體積小、重量輕）、高效率（降低能耗）、寬調(diào)速范圍（適應(yīng)汽車工況）、功率因數(shù)高（減少逆變器容量）。挑戰(zhàn)：永磁體高溫退磁風(fēng)險(xiǎn)、高速運(yùn)行時(shí)的鐵耗和機(jī)械強(qiáng)度問(wèn)題、精確轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)（無(wú)傳感器控制難度大）、成本（稀土永磁材料價(jià)格波動(dòng)）。四、分析計(jì)算題1.（1）額定輸入功率P1=PN/ηN=30/0.9≈33.33kW；（2）額定線電流IL=P1/(√3UNcosφN)=33330/(1.732×380×0.85)≈59.3A；（3）同步轉(zhuǎn)速n1=60f/p=60×50/2=1500r/min；額定轉(zhuǎn)差率sN=(n1-nN)/n1=(1500-1460)/1500≈0.0267（或2.67%）。2.額定運(yùn)行時(shí)反電動(dòng)勢(shì)EaN=UN-INRa=220-40×0.5=200V；轉(zhuǎn)速降至800r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速比n/nN=800/1000=0.8，因負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變（T=CTΦIa），勵(lì)磁不變則Φ不變，故電樞電流Ia=IN=40A；此時(shí)反電動(dòng)勢(shì)Ea=EaN×(n/nN)=200×0.8=160V；電樞總電阻Ra+Rc=(UN-Ea)/Ia=(220-160)/40=1.5Ω；需串聯(lián)電阻Rc=1.5-Ra=1.5-0.5=1Ω。五、綜合應(yīng)用題（1）硬件架構(gòu)圖主要模塊：STM32主控芯片、PMSM電機(jī)、三相逆變器（IGBT/MOSFET）、電流傳感器（檢測(cè)三相電流）、位置傳感器（旋變/編碼器）、直流電源（如電池）、驅(qū)動(dòng)隔離電路（光耦/磁耦）、保護(hù)電路（過(guò)流/過(guò)壓/過(guò)熱）。（2）軟件主流程：初始化（GPIO、ADC、PWM、傳感器接口）→讀取位置/速度信號(hào)→Clarke變換（三相電流→兩相靜止αβ）→Park變換（αβ→dq同步旋轉(zhuǎn)）→轉(zhuǎn)速環(huán)（給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速比較，PID輸出q軸電流給定）→電流環(huán)（d軸電流給定通常為0，q軸電流給定與實(shí)際比較，PID輸出dq軸電壓）→逆Park變換（dq→αβ）→SVPWM調(diào)制→提供六路PWM驅(qū)動(dòng)逆變器→