《运动控制系统》吴贵文(习题参考答案)

运动控制系统习题参考答案1-1 简述运动控制系统的类型及其优缺点。答：运动控制系统主要有三种类型：液压传动系统、气压传动系统和电气传动系统，它们各自优缺点如下：液压传动具有如下优点：1）能方便地实现无级调速，调速范围大。2）运动传递平稳、均匀。3）易于获得很大的力和力矩。4）单位功率的体积小，重量轻，结构紧凑，反映灵敏。5）易于实现自动化。6）易于实现过载保护，工作可靠。 7）自动润滑，元件寿命长。8）液压元件易于实现通用化、标准化、系列化、便于设计制造和推广使用。但也有一系列缺点：1）由于液压传动的工作介质是液压油，所以无法避免会有泄漏，效率降低，污染环境。2）温度对液压系统的工作性能影响较大。3）传动效率低。 4）空气的混入会引起工作不良。5）为了防止泄漏以及满足某些性能上的要求，液压元件的制造精度要求高，使成本增加。6）液压设备故障原因不易查找。气压传动的优点是：1）气动装置结构简单、轻便，安装维护简单；压力等级低，故使用安全。2）工作介质是空气，取之不尽、用之不竭，又不花钱。排气处理简单，不污染环境，成本低。3）输出力及工作速度的调节非常容易，气缸工作速度快。4）可靠性高，使用寿命长。5）利用空气的可压缩性，可储存能量，实现集中供气；可短时间释放能量，以获得间歇运动中的高速响应；可实现缓冲，对冲击负载和过负载有较强的适应能力。在一定条件下，可使气动装置有自保护能力。6）全气动控制具有防火、防爆、耐潮的能力。与液压方式比较，气动方式可在高温场合使用。7）由于空气流动压力损失小，压缩空气可集中供气，较远距离输送。气压传动的缺点是：1）由于空气具有压缩性，气缸的动作速度易受负载的变化影响。2）气缸在低速运动时，由于摩擦力占推力的比例比较大，气缸的低速稳定性不如液压缸。3）虽然在许多应用场合气缸的输出力能满足工作要求，但其输出力比液压缸小。电气传动系统具有控制方便、体积紧凑、噪声小、节能、容易实现自动化、智能化、网络化等优点，不过其控制线路复杂，对软硬件要求较高，维修较困难。1-2 常用的液压元件有哪些？答：液压元件主要有液压泵、液压马达、液压缸、方向控制阀、压力控制阀、流量控制阀及油箱、滤油器、油管、密封装置等辅助元件。1-3 常用的气动元件有哪些？答：气动元件主要有空气压缩机、冷却器、储气罐、压力阀、流量阀、方向阀、气缸、气马达、过滤器、干燥器、油雾器、消声器、分水滤油器以及各种管路附件等。1-4 试写出旋转运动的动力学方程式。解：旋转运动的动力学方程为（忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩） tJTdmLe或写成 tnGDT3752Le2-1 简述直流调速方法。答：直流电动机的调速方法有三种：改变电枢回路电阻调速-串电阻调速、调节电枢电压调速- 降压调速以及改变励磁磁通调速 -弱磁调速。2-2 调速性能指标有哪些？答：稳态性能指标包括调速范围和静差率，动态性能指标包括上升时间、超调量、峰值时间、调节时间、动态降落、恢复时间。2-3 调速范围与额定速降和最小静差率有什么关系？为什么必须同时讨论才有意义？答：三者的关系式为 )1(NsnD对于同一个调速系统， 值一定，所以如果对静差率要求越严，即要求 值越小时，Nn s系统允许的调速范围也越小。如果要求调速范围大，s 就会较大。所以讨论性能时这三个量要同时考虑。2-4 为什么直流 PWM 变换器-电动机系统比晶闸管整流器-电动机系统能够获得更好的动态性能？答：PWM 变换器开关频率高，时间常数小，系统响应快。另外一般的 PWM 变换器具有制动作用，组成的调速系统可以在几个象限运行，在正反转、减速和停车时具有较好的动态性能。2-5 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，电枢电流相应增大，在电枢回路电阻上的压降也增大，电枢两端电压就会降低，所以转速会下降，这也可以从机械特性上明显看出来。2-6 在直流 PWM 变换器-电动机系统中，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：对于不可逆直流 PWM 变换器-电动机系统，电动机停止不动时，电枢两端电压为零，电流也为零。但对于双极性可逆直流 PWM 变换器-电动机系统，电动机停止不动时，电枢电压和电流都是正负对称的交变信号，其平均值为零。2-7 步进电动机有哪些控制方式？答：步进电动机有单三拍控制、双三拍控制和六拍控制等 3 种控制方式。2-8 步进电动机驱动器应满足哪些要求？答：步进电动机驱动器的各部分负责相应的任务，各自应满足以下要求。环形脉冲分配器要根据步进电动机的工作方式把脉冲送给各相绕组；细分电路的细分倍数可以选择以符合精确的步距角要求；功率放大驱动电路应提供与步进电动机类型规格及负载相匹配的定子电流，能输出足够的功率和转矩；具有限流、限压、过热等保护功能；足够高的脉冲响应频率；电动机运行平稳；具备脱机控制功能；较广的电源适应能力。2-9 某调速系统，在额定负载下，最高转速为 ，最低转速为min/r150axn，带额定负载时的速度降落 ，且在不同转速下额定速降min/r20in 2N不变，试问系统调速范围有多大？系统静差率是多少？N解：调速范围为 5.7201minaxD 静差率为 %09.20min Ns或 .15.7D2-10 某机床工作台采用晶闸管整流器-电动机调速系统。已知直流电动机额定参数、 、 、 ，电枢回路总电阻 ，kW60NPV20NUA30NImin/r0Nn 19.0R，求：rmin/2.eC（1）当电流连续时，在额定负载下的转速降落 为多少？Nn（2）开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率 为多少？s（3）额定负载下的转速降落 为多少时，才能满足 、 的要求？Nn20D%5解：（1） min/285.0193rCRIneN（2） 17=22.17%.NNs（3） in/r63.2in/r)05.1(2)1(sDn2-11 试分析有制动电流通路的不可逆PWM变换器-电动机系统进行制动时，两个VT是如何工作的？答：在图2-14a 原理图中，当电动机在运行过程中需要减速或停车时，则应先减小控制电压，使u b1 的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使U d0 降低。但由于惯性，电动机的转速和反电动势来不及立刻变化，使得U d0 sm 时，不但电动机不能稳定运行，随着转子电流增大还可能造成过热而损坏电动机。如果带风机、泵类负载运行，则工作点为 D、E 、F ，采用变压调速可得到较大的调速范围。4-8 按基波以下和基波以上分析电压频率协调的控制方式，画出：（1）恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性；（2）基频以下电压频率协调控制时异步电动机的机械特性；（3）基频以上恒压变频控制时异步电动机的机械特性；（4）电压频率特性曲线 U = f（f） 。答：（1）如下图中固有特性（2）如下图中基频以下部分（3）如下图中基频以上部分（4）a 为无补偿时特性曲线，b 为有补偿时特性曲线。4-9 异步电动机参数同题 4-6，输出频率时 ，输出电压 。考虑低频补偿，若NfNU频率 ，输出电压 。0f N%10U（1）求出基频以下电压频率特性曲线 U = f（f）的表达式，并画出特性曲线；（2）当 f = 5Hz 和 f = 2Hz 时，比较补偿和不补偿的机械特性曲线，以及两种情况下的临界转矩 Tem。解：（1） 296.31.09.NNs ff特性曲线如下：（2）当 f = 5Hz 和 f = 2Hz 时，如果不补偿临界转矩较小，补偿后临界转矩增大，机械特性曲线向右扩展。f = 5Hz 时，补偿前 Us = 22V，Us/V2202250 f /Hz0mN6.79 mN)07.6.(431.04.3122)(23 2'rs21ss1pe llLRUnTf = 5Hz 时，补偿后 Us = 41.8V，则4.287 )07.6.(431.034.128)(3 222'rs21ss1pe llLRnTf = 2Hz 时，补偿前 Us = 8.8V，mN68.3 mN)07.6.(51234.0.56.128.)(3 22'rs21ss1pe llLRnTf = 2Hz 时，补偿后 Us = 29.92V，则N37.4 N)07.6.(51234.0.56.129.)(2 22'rs21ss1pem llLRnT4-10 若三相电压分别为 、 、 ，如何定义三相定子电压空间矢量 、 、AOuBCOu AOuB和合成矢量 ？写出它们的表达式。COus答：电压空间矢量下图所示。A、B、C 分别表示在空间静止的电动机定子三相绕组的轴线，它们在空间互差 ，三相定子电压 uAO、u BO、u CO 分别加在三相绕组上。可以定义32三个定子电压空间矢量 uAO、u BO、u CO。当 uAO > 0 时，u AO 与 A 轴同向，当 uAO < 0 时，uAO 与 A 轴反向，B、C 两相也一样。则电压矢量可表示为 AOkujBekj2CO其中 ，k 为待定系数。32三相合成矢量为 COBAOsuukkj2je4-11 试论述转速闭环转差频率控制系统的控制规律、实现方法及系统的优缺点。答：在 s 值很小的稳态运行范围内，如果能够保持气隙磁通不变，异步电动机的转矩就近似与转差角频率成正比。这就是说，在异步电动机中控制 ，就和直流电动机中控制s电枢电流一样，能够达到间接控制转矩的目的。按恒 Eg/ 1 控制时可保持 恒定，要实现恒 控制，必须采用定子电压补偿控m1/gE制，以抵消定子电阻和漏抗的压降。实现上述转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统原理图如下图所示。转速调节器（ASR）的输出信号是转差频率给定 （相当于电磁转矩*s给定） ， 与实测转速信号 相加，即得定子频率给定信号 ，即 。由 和*s*1s*1电流反馈信号 从微机存储的 函数表格中查得定子电压给定信号 ，用sI ),(s*1sIfU sU和 控制 PWM 逆变器，即可实现对异步电动机转差频率控制的变频调速。*sU1转差频率控制系统具有突出优点：转差角频率 与实测转速 相加后得到定子角频率*s，在调速过程中，定子角频率 随着实际转速 同步地上升或下降，因此加、减速平*11滑而且稳定。同时，由于在动态过程中 ASR 饱和，系统以对应于 的最大转矩maxs起、制动，并限制了最大电流 ，保证了在允许条件下的快速性。maxeTmaxsI转差频率控制是一个较好的控制策略，其调速系统的稳、动态性能接近转速、电流双闭环直流调速系统。不过，它的性能还不能完全达到双闭环直流调速系统，其原因如下： （1）转差频率控制系统是基于异步电动机的稳态数学模型的，所谓的“保持磁通恒定 ”只有在稳态情况下才能做到。在动态过程中难以保持磁通 恒定，这将影响到m m系统的动态性能。（2）电压频率特性只控制定子电流的幅值，没有考虑到电流的相位，而在动态中相位也是影响转矩变化的因素。（3）如果转速检测信号不准确或存在干扰，也会直接给频率造成误差，而这些误差和干扰都以正反馈的形式毫无衰减地传递到频率控制信号上。4-12 通用变频器为什么经常要外接一个制动电阻？答：制动电阻 R 用于吸收电动机制动时产生的再生电能，可以缩短大惯量负载的自由停车时间，还可以在位能负载下放时实现再生运行。变频器内部配有制动电阻，但当内部制动电阻不能满足工艺要求时，还要外部制动电阻。4-13 串级调速系统的效率比绕线转子串电阻调速的效率要高的原因是什么？答：由于串级调速系统一部分转差功率可以回馈电网，所以效率比绕线转子串电阻调速要高。4-14 简述异步电动机双馈调速的基本原理和异步电动机双馈调速的五种工况。答：异