特种电机练习题

第1章 无刷直流电动机及其控制系统一、填空题：1. 无刷直流电动机是典型的机电一体化产品，它是由电动机本体、转子位置检测器、逆变器和控制器组成的自同步电动机系统或自控式变频同步电动机。

2. 自同步永磁电动机分为无刷直流电动机和正弦波永磁同步电动机。

3. 无刷直流电动机的反电势为梯形波、供电电流为方波。

4. 三相无刷直流电动机绕组的联接方式有星形联接和角形联接，而逆变器又有桥式和半桥式两种。

5. 无刷直流电动机的机械特性表达式为222S T e e e T U U r n T C C C δδ-=-ΦΦ。

6. 无刷直流电动机控制系统的控制结构，一般采用双闭环控制，外环为速度环，内环为电流环，不同的是所采用的控制器算法。

7. 数字PID 控制算法分为位置式PID 控制算法和增量式PID 控制算法。

8. 位置式PID 控制算法的公式为100()kD k P k j k k j I T T u K e e e e u T T -=⎡⎤=++-+⎢⎥⎣⎦∑(或100()k k P k I j D k k j u K e K e K e e u -==++-+∑ )。

9. 增量式PID 控制算法的公式为21112()(2)ΔΔk k k P k k I k D k k k P k I k D k u u u K e e K e K e e e K e K e K e ----∆=-=-++-+=++ 。

10. PWM 调制方式可以分为on_pwm 型、pwm_on 型、H_pwm-L_on 型、H_on-L_pwm 型和H_pwm-L_pwm型 ，前四种称为半桥PWM 调制方式，第五种称为全桥PWM 调制方式。

11. 无刷直流电机一般通过改变逆变器功率开关管的逻辑关系使电枢各相绕组的导通顺序发生变化来实现正反转。

12. 两相导通星形三相六状态无刷直流电动机，定子绕组每经过 60︒ 电角度进行一次换相，每个功率开关管导通 120︒ 电角度。

二、判断题：（请在括号内打⨯或√）1. 无刷直流电动机属于自控式变频同步电动机。

（√ ）2. 无刷直流电动机可以通过改变磁场的极性实现正反转。

（⨯）3. 对于单相导通星形三相三状态无刷直流电动机，每个开关管连续导通时间为120︒电角度。

（√）4. 无刷直流电动机的定子合成磁场及转子磁场均为连续旋转磁场。

（⨯）5. 三相无刷直流电动机在两两导通方式下，在导通阶段只有两相绕组通电。

（⨯）6. 三相无刷直流电动机在三三导通方式下，在导通阶段有三相绕组通电。

（⨯）7. 无刷直流电动机的电动机本体为永磁直流电动机。

（⨯）8. 无刷直流电动机反转时各开关管的控制逻辑与正转时的控制逻辑正好相反。

（√）三、简答题：1. 永磁无刷直流电动机主要由哪几部分组成？它与普通的永磁直流电动机相比有何优点？答：永磁无刷直流电动机主要由电动机本体、位置检测器、逆变器和控制器组成。

它采用位置检测器和功率电子开关来代替电刷和换向器，既保留了直流电动机良好的运行性能，又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点。

2. 位置传感器在无刷直流电动机中起到什么作用？对于两相导通星形三相六状态无刷直流电动机，如果采用光电式位置传感器，当其转子上有p 对磁极时，如何设计位置传感器结构？ 答：位置传感器在无刷直流电动机中的作用是检测转子磁极相对于定子绕组的位置信号，为逆变器提供正确的换相信息。

对于两相导通三相六状态无刷直流电动机，当其转子是多极时，应采用三个位置传感器，且三个位置传感器在空间应彼此相隔120︒空间电角度，即120︒/p 空间几何角度，同时还必须保证位置传感器与绕组的对应位置正确。

3. 何谓两相导通星形三相六状态工作方式？简述两相导通星形三相六状态无刷直流电动机的工作原理。

答：两相导通星形三相六状态无刷直流电动机，电机本体的电枢绕组为三相星形连接，位置传感器与电机本体同轴，控制电路对位置信号进行逻辑交换后产生驱动信号，驱动信号经驱动电路隔离放大后控制逆变器的功率开关管使电机的各相绕组按一定的顺序工作。

转子在空间每转过60︒电角度(1/6周期)，转子位置传感器的输出信号就改变一次，经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，逆变器开关管就发生一次切换，切换开关管的导通逻辑为VT1、VT2♑VT2、VT3♑VT3、VT4♑ VT4、VT5♑VT5、VT6 ♑VT6、VT1 ……。

在此期间,转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用沿顺时针方向连续旋转。

可见，电机有六种磁状态，每一状态有两相导通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120︒电角度。

无刷直流电动机的这种工作方式称为两相导通星形三相六状态。

4. 分析无刷直流电动机利用原位置传感器进行反转控制的原理。

答：无刷直流电动机利用原位置传感器进行反转控制是通过改变逆变器功率开关的导通逻辑，使电枢各相绕组的导通顺序发生变化进而从而改变一相导通时的电流方向来改变电机转向的。

无刷直流电动机正转和反转时的控制逻辑正好相反。

5. 数字PID 算法分为哪两种？写出它们的表达式。

答：数字PID 控制算法分为位置式PID 控制算法和增量式PID 控制算法。

位置式PID 控制算法的表达式为100()k D k P k j k k j I T T u K e e e e u T T -=⎡⎤=++-+⎢⎥⎣⎦∑ 或 100()k k P k Ij D k k j u K e K e K e e u -==++-+∑ 式中，k ——采样序号，k =0，1，2…；K I —积分系数，I P IT K K T = ； K D —微分系数，D D PT K K T=。

增量式PID 控制算法的表达式为 21112Δ()(2)ΔΔk k k P k k I k D k k k P k I k D k u u u K e e K e K e e e K e K e K e ----=-=-++-+=++式中，21121Δ2k k k k k k k k k e e e e e e e e e ----∆=-=-+=∆-∆；。

6. 简述无刷直流电动机的机械特性。

答：无刷直流电动机的机械特性为 22222S T a S T e e e e T U U rI U U r n T C C C C δδδ---==-ΦΦΦ。

无刷直流电动机的机械特性表达式与一般直流电动机相同，n n n n机械特性较硬。

在不同的供电电压下，其机械特性曲线如右图所示。

由该图可知，无刷直流电动机的机械特性曲线存在弯曲现象，这是由于当转矩较大，转速较低时流过开关管和电枢绕组的电流很大，这时开关管管压降ΔUT随着电流增大而增加较快，加在电枢绕组上的电压有所减小，使得特性曲线偏离直线而向下弯曲。

四、分析题：1．根据无刷直流电动机控制系统的原理图说明无刷直流电动机控制系统的基本工作原理。

答：无刷直流电动机控制系统工作时，转子位置检测器产生的转子位置信号送至逻辑控制单元，逻辑控制单元在控制指令的干预下，根据现行运行状态和对正转、反转等要求形成正确的换相信号，去触发导通相应功率开关元件，使之按一定顺序接通或关断绕组，确保电枢产生的步进磁场和转子永磁磁场保持平均的垂直关系。

而导通相并不是持续导通的，它还要受PWM输出信号的限制，逻辑“与”单元的任务就是把换相信号和PWM信号结合起来，送到逆变器的驱动电路。

无刷直流电动机控制系统工作时，速度给定信号与速度反馈信号比较后，送入速度调节器；速度调节器的输出作为电流给定信号，与电流反馈信号比较后，送入电流调节器，输出PWM调制信号。

根据换相逻辑信号，顺序控制功率开关器件的导通，由此可以控制逆变器输出的电压，相应的就可以控制定子绕组的相电流，从而控制无刷直流电动机的电磁转矩，确保电动机的实际转速跟随给定转速变化。

第2章开关磁阻电机及其驱动控制系统一、填空题：1.开关磁阻电动机传动系统主要由四部分组成：开关磁阻电动机、功率变换器、控制器和检测器。

2.开关磁阻电动机采用双凸极结构，转子既无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组串联或并联在一起，构成一个两极磁极，称为“一相”，绕组为单方向通电。

3.开关磁阻电动机的运行遵循磁阻最小原理，通电后，磁路有向磁阻最小路径变化的趋势。

4.设每相绕组开关频率为fϕ，转子齿极数为N r，则SR电机的转速为60rfnNϕ=。

5.开关磁阻电动机的转向与通电相的电流方向无关，仅取决于定子绕组通电的顺序。

改变定子绕组的导通顺序就可改变电机的转向。

6.SRD的基本控制策略是：低速时采用电流PWM控制(CCC控制)；高速时采用单脉冲控制(APC控制)。

SRD的基本控制策略是：基速以下，采用电流斩波控制(CCC)；基速以上，采用角度位置控制(APC)。

7.SR电动机通过改变相绕组的通电位置（或励磁位置）和触发顺序即可改变电磁转矩的大小和方向，实现四象限运行。

SR电动机通过改变定子相绕组的通电顺序即可改变电磁转矩的方向，通过改变定子相绕组的励磁位置可改变电磁转矩的大小。

从而可以实现正转电动、正转制动、反转电动、反转制动四种运行方式，即可以实现四象限运行。

8.根据对SR电动机电磁转矩的分析，让SR电动机在电感上升区段通电则产生正转矩，在电感下降区段通电则产生负转矩。

因此，如果θon、θoff为正转控制角，只要将控制导通区推迟半个周期即可产生负转矩。

9.要让SR电动机实现制动，只要通过控制开通角θon和关断角θoff，使相电流主要出现在∂L/∂θ＜0区段即可。

10.SRD系统的反馈信号一般有位置、速度、电流三种。

11.SRD系统位置检测的目的是确定SRM定、转子的相对位置，以控制对应相绕组的通断。

12.数字测速法有三种：（1）在规定时间内测量所产生的脉冲个数来获得被测速度，称为M法测速，适用于高速场合。

（2）测量相邻两个脉冲的时间来测量速度，称为T法测速，适用于低速场合。

（3）同时测量检测时间和在此时间内脉冲发生器发出的脉冲个数来测量速度，称为M/T法测速，该方法在很宽的转速范围内均具有较高的测速精度。

13.SRD系统中常用的电流检测方法有电阻采样和霍尔电流传感器采样两种方法。

14.SR电动机常见的功率变换器主电路有双开关型、双绕组型、电容分压型、H桥型和公共开关型。

其中，双开关型、双绕组型、公共开关型适用于任意相数的SR电动机。

15.四相SR电动机广泛采用的功率变换器主电路形式为H桥型，其斩波模式有四相斩波模式和两相斩波模式。

二、判断题：（请在括号内打⨯或√）1.开关磁阻电动机的定转子齿极数可以为奇数，也可以为偶数。

（⨯）2.开关磁阻电动机的转动方向与定子绕组的励磁方向相同。

（⨯）3.基于理想线性模型的开关磁阻电动机，在电感曲线的上升阶段，绕组电流产生电动转矩。