电力拖动自动控制系统-运动控制系统（ 阮毅 陈伯时）课后答案包括思考题和课后习题 第2章
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。 2-2 简述直流 PWM 变换器电路的基本结构。
答：直流 PWM 变换器基本结构如图，包括 IGBT 和续流二极管。三相交流电经过整流滤波后送 往直流 PWM 变换器，通过改变直流 PWM 变换器中 IGBT 的控制脉冲占空比，来调节直流 PWM 变换 器输出电压大小，二极管起续流作用。 2-3 直流 PWM 变换器输出电压的特征是什么？ 答：脉动直流电压。
2=4 为什么直流 PWM 变换器-电动机系统比 V-M 系统能够获得更好的动态性能？ 答：直流 PWM 变换器和晶闸管整流装置均可看作是一阶惯性环节。其中直流 PWM 变换器的时 间常数 Ts 等于其 IGBT 控制脉冲周期（1/fc） ，而晶闸管整流装置的时间常数 Ts 通常取其最大 失控时间的一半（1/（2mf）。因 fc 通常为 kHz 级，而 f 通常为工频（50 或 60Hz） 为一周内 ） ，m 整流电压的脉波数，通常也不会超过 20，故直流 PWM 变换器时间常数通常比晶闸管整流装置时 间常数更小，从而响应更快，动态性能更好。 2=5 在直流脉宽调速系统中， 当电动机停止不动时， 电枢两端是否还有电压？电路中是否还有电 流？为什么？ 答：电枢两端还有电压，因为在直流脉宽调速系统中，电动机电枢两端电压仅取决于直流 PWM 变换器的输出。电枢回路中还有电流，因为电枢电压和电枢电阻的存在。
2-6 直流 PWM 变换器主电路中反并联二极管有何作用？如果二极管断路会产生什么后果？ 答：为电动机提供续流通道。若二极管断路则会使电动机在电枢电压瞬时值为零时产生过电 压。
2-7 直流 PWM 变换器的开关频率是否越高越好？为什么？
答：不是。因为若开关频率非常高，当给直流电动机供电时，有可能导致电枢电流还未上升 至负载电流时，就已经开始下降了，从而导致平均电流总小于负载电流，电机无法运转。 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。
2-10 静差率和调速范围有何关系？静差率和机械特性硬度是一回事吗？举个例子。 答：D=（nN/△n） （s/（1-s）。静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的， ） 而机械特性硬度是用来衡量调速系统在负载变化下转速的降落的。
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。
2-12 转速单闭环调速系统有哪些特点？改变给定电压能否改变电动机的转速？为什么？如果给 定电压不变，调节转速反馈系数是否能够改变转速？为什么？如果测速发电机的励磁
发生了变 化，系统有无克服这种干扰的能力？（已验证） 答：转速单闭环调速系统增加了转速反馈环节（由转速检测装置和电压放大器构成） ，可获得比 开环调速系统硬得多的稳态特性，从而保证在一定静差率下，能够提高调速范围。 改变给定电压能改变电动机转速。因为改变给定电压则改变实际转速反馈电压与给定电压的 偏差，从而改变电力电子变换器的输出电压，即改变电动机的电枢电压，改变了转速。 调节转速反馈系数而不改变给定电压能改变转速。因为改变转速反馈系数则改变实际转速反 馈电压，而给定电压不变，则电压偏差改变，从而电力电子变换器输出电压改变，即电动机电 枢电压改变，转速改变。 若测速发电机励磁发生变化，则反馈电压发生变化，当给定电压一定时，则电压偏差发生变 化，从而转速改变。故系统无克服测速发电机励磁发生变化干扰的能力。
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。
2-14 在无静差转速单闭环调速系统中，转速的稳态精度是否还受给定电源和测速发电机精度的 影响？为什么？
答：仍然受影响。因为无静差转速单闭环调速系统只是实现了稳态误差为零，因此若给点电 源发生偏移，或者测速发电机精度受到影响而使反馈电压发生改变，系统仍会认为是给定或转 速发生改变，从而改变转速，以达到电压偏差为零。
2-15 在转速负反馈单闭环有静差调速系统中，当下列参数发生变化时系统是否有调节作用？为 什么？（已验证） （1）放大器的放大系数 Kp。 （2）供电电网电压 Ud。 （3）电枢电阻 Ra。 （4）电动机励磁电流 If。 （5）转速反馈系数 α。
答： （1）有。假设 Kp 减小，则控制电压减小，则电力电子变换器输出减小，则电动机转速下 降；而电动机转速下降，则反馈电压减小，则偏差电压增大，则控制电压增大，则转速上升。 （2）有。不解释。 （3）有。不解释。 （4）有。不解释。 （5）没有。不解释。 2-16 在转速负反馈单闭环有静差调速系统中，突减负载后又进入稳定运行状态，此时晶闸管整 流装置的输出电压 Ud 较之负载变化前是增加、减少还是不变？ 在无静差调速系统中，突加负载后进入稳态时转速 n 和整流装置的输出电压 Ud 是增加、减 少还是不变？（已验证） 答： （1）Ud 减小。因负载减小，转速上升，反馈电压增加，给定电压一定，偏差电压减小， 控制电压减小，故输出电压减小。 （2）n 不变，Ud 增加。转速负反馈调速系统转速仅取决于给定电压，故不变；略。
一、可以作为填空题或简答题的
2-1 简述直流电动机的调速方法。 答：直流调速系统常以（调压调速）为主，必要时辅以（弱磁调速） ，以（扩大调速范围） ， 实现（额定转速以上调速） 。
2-2 直流调压调速主要方案有（G-M 调速系统，V-M 调速系统，直流 PWM 调速系统） 。 2-3 V-M 调速系统的电流脉动和断续是如何形成的？如何抑制电流脉动？
11-12 答：整流器输出电压大于反电动势时，电感储能，电流上升，整流器输出电压小于反电动势 时，电感放能，电流下降。整流器输出电压为脉动电压，时而大于反电动势时而小于，从而导 致了电流脉动。 当电感较小或电动机轻载时，电流上升阶段电感储能不够大，从而导致当电流下降时， 电感已放能完毕、电流已衰减至零，而下一个相却尚未触发，于是形成电流断续。
2-4 看 P14 图简述 V-M 调速系统的最大失控时间。
14 答：t1 时刻某一对晶闸管被触发导通，触发延迟角为α1，在 t2>t1 时刻，控制电压发生变 化，但此时晶闸管已导通，故控制电压的变化对它已不起作用，只有等到下一个自然换向点 t3 时刻到来时，控制电压才能将正在承受正电压的另一对晶闸管在触发延迟角α2 后导通。t3-t2 即为失控时间，最大失控时间即为考虑 t2=t1 时的失控时间。 2-5 简述 V-M 调速系统存在的问题。 16 答：整流器晶闸管的单向导电性导致的电动机的不可逆行性。 整流器晶闸管对过电压过电流的敏感性导致的电动机的运行不可靠性。 整流器晶闸管基于对其门极的移相触发控制的可控性导致的低功率因数性。 2-6 简述不可逆 PWM 变换器 （无制动电流通路与有制动电流通路） 各个工作状态下的导通器件和 电流通路。17-18 2-7 调速时一般以电动机的（额定转速）作为最高转速。 2-8 （调速范围）和（静差率）合称调速系统的（稳态性能指标） 。 2-8 一个调速系统的调速范围，是指（在最低转速时还能满足所需静差率的转速可调范围） 。
2-9 简述转速反馈控制的直流调速系统的静特性本质。 答：在闭环系统中，每增加（或减少）一点负载，就相应地提高（或降低）一点电枢电压， 使电动机在新的机械特性下工作。因此闭环系统的静特性本质上就是无数开环机械特性上各取 一个相应的工作点连接而成的。
2-10 简述比例反馈控制的规律。 答：比例控制的反馈控制系统是（被调量有静差）的控制系统； 反馈控制系统的作用是（抵抗前向通道的扰动，服从给定） ； 反馈系统的精度依赖于（给定和反馈检测的精度） 。 2-11 简述积分控制规律
答：积分控制可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速。 2-12 比例调节器和积分调节器有何不同？
答：比例调节器的输出只取决于（输入偏差的现状） ，而积分调节器的输出则包含了（输入 偏差量的全部历史）
2-13 简述比例积分控制规律。 答：比例部分能（迅速响应控制作用） ，积分部分则（最终消除稳态偏差） 。
2-14 微机控制的调速系统有什么特点？ 答： （信号离散化，信息数字化） 。 2-15 旋转编码器分为哪几种？各有什么特点？ 答：绝对式编码器：常用语检测转角信号，若需要转速信号，应对转角微分。 增量式编码器：可直接检测转速信号。 2-16 数字测速方法有哪些精度指标？ 答： （分辨率，测速误差率） 。 2-17 采用旋转编码器的数字测速方法有（M，T，M/T） 。高低全
2-18 为什么积分需限幅？ 答：若没有积分限幅，积分项可能很大，将产生较大的退饱和超调。
2-19 简述带电流截止负反馈环节转速反馈调速系统机械特性的特点。
答：电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻 KpKsR，导致当 Id=Idcr 时，机械 特性急剧下垂； 比 较 电 压 Ucom 与 给 定 电 压 Un* 作 用 一 致 ， 相 当 于 把 理 想 空 载 转 速 提 高 到 n0`=(KpKs(Un*+Ucom))/(Ce(1+K))。 二、公式和特性
1. 整 流 电 压 平 均 值 ： Ud0=(m/π)Umsin(m/π)cosα （ Um/m_ 单 相 全 波 / 三 相 半 波 / 三 相 全 波 _√2U2/√2U2/√6U2/2/3/6） 2.V-M 调速系统机械特性方程：n=(Ud0-IdR)/Ce 3.晶闸管整流器最大失控时间：Tsmax=1/mf 4.调速范围定义式：D=nmax/nmin 5.静差率定义式：s=△n/n
6.闭环静特性与开环静特性： ncl=(Ud0cl-IdR)/Ce=(KpKsUn*-IdR)/(Ce(1+K)) nop=(Ud0op-IdR)/Ce=(KpKsUn*-IdR)/Ce
7.调速范围，静差率和额定速降之间的关系式（开环和闭环） ：D_=(nN/△n_)(s/(1-s))（△ncl= △nop/(1+K)） 8.转速反馈控制直流调速系统的 K 定义式及表达式：K=KpKsα/Ce 9.临界开环放大倍数 Kcr=(Tm(Tl+Ts)+Ts^2)/(TlTs) Tm=((GD^2)R)/(375CeCm)） 10.各种数字测速方法其分辨率和测速误差率表达式： nM=(60M1)/(ZTc) | QM=60/(ZTc) | δM=1/M1 | nT=(60f0)/(ZM2) | QT=(Zn^2)/(60f0-Zn) | δT=1/(M2-1) | nMT=(60f0M1)/(ZM2)=nT?M1 | QMT=60/(ZTc)=QM | δMT=｛低速—>δT | 高速—>δM | 11.连续式 PI 算式：?u(t)=Kpe(t)+(1/τ)∫(0_t)e(t)dt 12.位置式 PI 算式：u(k)=Kpe(k)+(Tsam/τ)∑(i=0_k)e(i) 13.增量式 PI 算式：△u(k)=u(k)-u(k-1)=Kp(e(k)-e(k-1))+(Tsam/τ)e(k) 1.V-M 调速-系统原理图： 2.（无制动和有制动）直流 PWM 变换器-电动机-电路原理图： 3.转速负反馈直流调速系统-系统原理图： 4.转速负反馈直流调速系统-静态结构图： 5.转速负反馈直流调速系统-动态结构图： 6.带电流截止负反馈的闭环直流调速系统-静态结构图： 1.有制动电流通路的不可逆 PWM 变换器-直流电动机系统各工作状态下的电压和电流波形： 2.带电流截止负反馈比例控制闭环直流调速系统-静特性： 第3章 三、思考题 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。 3-2 由于机械原因，造成转轴堵死，分析双闭环直流调速系统的工作状态。 （未验证） 答：电动机堵转则转速恒为零，在一定的给定下，偏差电压相当大，从而使 ASR 迅速达到饱 和，又电动机转速由于转轴堵死无法提升，故 ACR 无法退饱和，因此系统处于 ASR 饱和状态。 3-3 双闭环直流调速系统中，给定电压 Un*不变，增加转速负反馈系数 α，系统稳定后转速反馈 电压 Un 和实际转速 n 是增加、减小还是不变？（已验证） 答：转速反馈系数 α 增加，则转速反馈电压 Un 增加，给定电压 Un*，则转速偏差电压减小， 则 ASR 给定电压 Ui*减小，则控制电压 Uc 减小，则转速 n 减小；转速 n 减小，则转速反馈电压 Un 减小，直到转速偏差电压为零；故稳态时转速反馈电压 Un 不变，且实际转速 n 减小。 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。 3-5 某双闭环调速系统， ASR、 均采用 PI 调节器， ACR 调试中怎样才能做到 Uim*=6V 时， Idm=20A； 如欲使 Un*=10V 时，n=1000rpm，应调什么参数？ 答： （1）调节电流反馈系数 β=0.3； （2）调节转速反馈系数 α=0.01。 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。 3-7 转速电流双闭环直流调速系统稳态运行时，两个调节器的输入偏差电压和输出电压各是多 少？为什么？ 答：输入偏差电压皆是零。因为系统无静差。 则 ASR 输出电压 Ui*=Ui=βId=βIdL；ACR 输出电压 Uc=Ud0/Ks=见 P62。 3-8 在双闭环系统中，若速度调节器改为比例调节器，或电流调节器改为比例调节器，对系统的 稳态性能影响如何？ 答：速度调节器对阶跃扰动的静差由 0 变为 1/（1+Kn） ，或电流调节器对阶跃扰动的静差由 0 变为 1/（1+Kc） ，而对斜坡扰动的静差变得更大。 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。 一、可以作为填空题或简答题的 3-1 为了实现（电流的实时控制和快速跟随） ，希望电流调节器（不要）进入饱和状态，因此， 对于静特性来说，只有（转速调节器的饱和与不饱和两种情况） 。 3-2 当两个调节器都不饱和且稳态时，它们的输入偏差电压分别为（0） 。 3-3 当 ASR 输出（达到限幅值 Uim*） ，转速外环呈（开环状态） ，转速变化对转速环（不会）产 生影响，双闭环系统变成一个（电流无静差的单电流闭环调节系统） 。稳态时，Id（=）Idm。 3-4 电流限幅值 Idm 取决于（电动机的容许过载能力和系统要求的最大加速度） 。 3-5 简述采用两个 PI 调节器分别形成内外闭环的效果。 答： 双闭环直流调速系统的静特性在负载电流小于 Idm 时表现为转速无静差， 此时转速负反 馈起主要调节作用。当负载电流达到 Idm 时，对应于转速调节器为饱和输出 Uim*，此时电流调 节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，起到过电流的自动保护作用。 3-6 简述 ASR 的退饱和条件。 答：当 ASR 处于饱和状态时，若实际转速大于给定转速，则反馈电压大于给定电压，使偏差 电压小于零，则 ASR 反向积分，从而退饱和，返回线性调节状态。 3-7 简述转速电流负反馈控制电流调速系统起动过程。63 3-8 简述双闭环直流调速系统起动过程的特点。 （饱和非线性控制；转速超调；准时间最优控制） 3-9 双闭环直流调速系统的抗扰性能主要包括（抗负载扰动；抗电网电压扰动） 。 3-10 简述双闭环直流调速系统中转速调节器的作用。 答：作为主导调节器，在转速动态过程中，使转速快速跟随给定电压变化，稳态时减小转速 误差，采用 PIR 可实现无静差。 对负载变化其抗扰作用。 其输出限幅值决定电动机允许最大电流。 3-11 简述双闭环直流调速系统中电流调节器的作用。 答：作为内环调节器，在转速调节过程中，使电流紧紧跟随给定电流变化。 对电网电压波动起及时抗扰作用。 在转速动态过程中，保证获得电动机最大允许电流，从而加快动态过程。 当电动机过载或堵转时， 限制电枢电流最大值， 起快速的自动保护作用。 一旦故障消失， 系统立即自动恢复正常。 二、公式和特性 1.P62 稳态时： Un*=Un=αn=αn0 Ui*=Ui=βId=βIdL Uc=Ud0/Ks=(Cen+IdR)/Ks=(Ce(Un*/α)+IdR)/Ks