第1章 绪论

1、电机的分类？ 

①发电机（其他能→电能）直流发电机和交流发电机 

②电动机（电能→其他能）

直流电动机：有换向器直流电动机（串励、并励、复励、他励）和

无换向器直流电动机（又属于一种特殊的同步电动机） 

交流电动机：同步电动机 

异步电动机：鼠笼式、绕线式、伺服电机  

控制电机：旋转变压器

自整角机

力矩电机

测速电机

步进电机（反应式、永磁式、混合式）

2、根据直流电机转速方程

n— 转速（r/min）； U — 电枢电压（V） I— 电枢电流（A）； R— 电枢回路总电阻（ ）； Φ    — 励磁磁通（Wb）；Ke — 由电机结构决定的电动势常数。

三种方法调节电动机的转速：（1）调节电枢供电电压 U； （2）减弱励磁磁通 ；（3）改变电枢回路电阻 R。

调压调速：调节电压供电电压进行调速，适应于：U≤Unom，基频以下，在一定范围内无级平滑调速。 

弱磁调速：无级，适用于Φ≤Φnom，一般只能配合调压调速方案，在基频以上(即电动机额定转速以上)作小范围的升速。 

变电阻调速：有级调速。

问题3：请比较直流调速系统、交流调速系统的优缺点，并说明今后电力传动系统的发展的趋势。 * 直流电机调速系统 

优点：调速范围广，易于实现平滑调速，起动、制动性能好，过载转矩大，可靠性高，动态性能良好。 

缺点：有机械整流器和电刷，噪声大，维护困难；换向产生火花，使用环境受限；结构复杂，容量、转速、电压受限。 

* 交流电机调速系统（正好与直流电机调速系统相反） 

优点：异步电动机结构简单、坚固耐用、维护方便、造价低廉，使用环境广，运行可靠，便于制造大容量、高转速、高电压电机。大量被用来拖动转速基本不变的生产机械。 

缺点：调速性能比直流电机差。 

* 发展趋势：用直流调速方式控制交流调速系统，达到与直流调速系统相媲美的调速性能；或采用同步电机调速系统. 

第2章 闭环控制的直流调速系统

1、常用的可控直流电源有以下三种

⏹ 旋转变流机组——用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。

⏹ 相控整流器——把交流电源直接转换成可控的直流电源。

⏹ 直流斩波器或脉宽调制变换器——先用不可控整流交流电变换成直流电，然后用PWM脉宽调制方式调节输出的直流电压。

2、由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机 G 实现变流，由 G 给需要调速的直流电动机 M 供电，调节G 的励磁电流 if 即可改变其输出电压 U，从而调节电动机的转速 n 。

这样的调速系统简称G-M系统，国际上通称Ward-Leonard系统。

3、晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统），

4、晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数

在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的。

传递函数近似成一阶惯性环节。

5、采用脉冲宽度调制（PWM）的高频开关控制方式形成的脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即直流PWM调速系统。

PWM系统的优点

（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；

（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；

（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；

（4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；

（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；

（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。

6、PWM控制与变换器的数学模型

PWM控制与变换器（简称PWM装置）也可以看成是一个滞后环节，其传递函数可以写成

Ks — PWM装置的放大系数； Ts — PWM装置的延迟时间， Ts ≤ T0

7、当开关频率为10kHz时，T = 0.1ms ，在一般的电力拖动自动控制系统中，时间常数这么小的滞后环节可以近似看成是一个一阶惯性环节，因此, 与晶闸管装置传递函数完全一致

8、调速系统的转速控制要求

（1）调速——在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地（有级）或 平滑地（无级）调节转速；

（2）稳速——以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；

（3）加、减速——频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。

9、调速范围：生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母 D 表示，即

静差率：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落 nN ，与理想空载转速 n0 之比，称作静差率 s ，即

nN = n0 - nN

10、调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。

一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。

11、系统特性比较

（1）闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬得多。

（2）如果比较同一的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多。

（3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。

（4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。

闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。

12、反馈控制规律

（1.）比例控制的反馈控制系统是被调量有静差的控制系统：【闭环系统的开环放大系数K值越大，系统的稳态性能越好。然而，Kp =常数，稳态速差就只能减小，却不可能消除。】

（2.）反馈控制系统的作用是： 抵抗扰动, 服从给定

反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动。

抗扰性能是反馈控制系统最突出的特征之一。

（3）系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。

反馈控制系统的规律是：一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。

13、采用比例积分调节器的闭环调速系统是无静差调速系统。

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。

比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状；而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。

PI调节器的输出电压由比例和积分两部分相加而成。

比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。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。

14、无静差调速系统的稳态参数计算很简单，在理想情况下，稳态时 Un = 0，因而 Un = Un* ，可以按式（1-67）

直接计算转速反馈系数

15、为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。

如果采用某种方法，当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。这种方法叫做电流截止负反馈，简称截流反馈。

16、微机数字控制系统的主要特点是离散化和数字化：

⏹ 离散化：为了把模拟的连续信号输入计算机，必须首先在具有一定周期的采样时刻对它们进行实时采样，形成一连串的脉冲信号，即离散的模拟信号，这就是离散化。

⏹ 数字化：采样后得到的离散信号本质上还是模拟信号，还须经过数字量化，即用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将它转换成数字信号，这就是数字化。

17、由光电式旋转编码器产生与被测转速成正比的脉冲，测速装置将输入脉冲转换为以数字形式表示的转速值。

脉冲数字（P/D）转换方法：

（1）M法—脉冲直接计数方法；M法测速只适用于高速段。

（2）T法—脉冲时间计数方法；T法测速适用于低速段。

（3）M/T法—脉冲时间混合计数方法。M/T法测速可在较宽的转速范围内，具有较高的测速精度。

18、数字控制器不仅能够实现模拟控制器的数字化，而且可以突破模拟控制器只能完成线性控制规律的局限，完成各类非线性控制、自适应控制乃至智能控制等等，大大拓宽了控制规律的实现范畴。

智能控制特点： 控制算法不依赖或不完全依赖于对象模型，因而系统具有较强的鲁棒性和对环境的适应性。

第 3 章 转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法

1、转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大值；

电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。

2、双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系

比例环节的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，其输出量在动态过程中决定于输入量的积分，达到稳态时，输入为零，输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。

3、起动过程分析

在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况

【1】电流上升阶段（0~t1）。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。

【2】恒流升速阶段（t1~t2），是起动过程中的主要阶段。 为了保证电流环的主要调节作用，在起动过程中 ACR是不应饱和的，电力电子装置 UPE 的最大输出电压也须留有余地，这些都是设计时必须注意的。

系统的加速度恒定，转速呈线性增长。

【3】第 Ⅲ 阶段转速调节阶段（ t2 以后）在这最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使 Id 尽快地跟随其给定值 U*i ，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。

4、双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：

（1）    饱和非线性控制； （2）    转速超调；（3） 准时间最优控制

5、在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。

6、双闭环直流调速系统中转速调节器的作用（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。电流调节器的作用（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，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。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。

7、【1】 跟随性能指标：常用的阶跃响应跟随性能指标有tr — 上升时间； — 超调量；ts — 调节时间。

【2】抗扰性能指标标志着控制系统抵抗扰动的能力。常用的抗扰性能指标有 Cmax — 动态降落；tv — 恢复时间。一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而随动系统的动态指标则以跟随性能为主。

8、在阶跃输入下的 I 型系统稳态时是无差的；但在斜坡输入下则有恒值稳态误差，且与 K 值成反比；

在加速度输入下稳态误差为 。 因此，I型系统不能用于具有加速度输入的随动系统。

9、典型 I 型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差，典型Ⅱ型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。这是设计时选择典型系统的重要依据。系统设计的一般原则： “先内环后外环”

电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。

外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方法设计多环控制系统的特点。这样做，虽然不利于快速性，但每个控制环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非常有利。

10、恒转矩调速方式，按照电力拖动原理，在不同转速下长期运行时，为了充分利用电机，都应使电枢电流达到其额定值 IN。于是，由于电磁转矩 Te = Km Id，在调压调速范围内，因为励磁磁通不变，容许的转矩也不变，称作“恒转矩调速方式”。 恒功率调速方式而在弱磁调速范围内，转速越高，磁通越弱，容许的转矩不得不减少，转矩与转速的乘积则不变，即容许功率不变，是为“恒功率调速方式”。

第 4 章 可逆调速系和弱磁控制的直流调速系统

1、V-M系统的可逆线路有两种方式：电枢反接可逆线路——电枢反接反向过程快，但需要较大容量的晶闸管装置；励磁反接可逆线路——励磁反接反向过程慢，控制相对复杂，但所需晶闸管装置容量小。

每一类线路又可用不同的换向方式：接触器切换线路——适用于不经常正反转的生产机械；

晶闸管开关切换线路——适用于中、小功率的可逆系统；两组晶闸管反并联线路——适用于各种可逆系统。

2、环流的定义： 采用两组晶闸管反并联的可逆V-M系统，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流

（1）静态环流——两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环流，其中又有两类：

直流平均环流——由晶闸管装置输出的直流平均电压所产生的环流称作直流平均环流。瞬时脉动环流——两组晶闸管输出的直流平均电压差为零，但因电压波形不同，瞬时电压差仍会产生脉动的环流，称作瞬时脉动环流。

（2）动态环流——仅在可逆V-M系统处于过渡过程中出现的环流。

3、由于V-M系统中晶闸管的单向导电性，需要设置可逆线路来使电动机反向运行或制动，主要的可逆线路有

电枢反接可逆线路；励磁反接可逆线路； 两组晶闸管反并联是大功率传动系统的主要供电方式。

⏹ 在两组晶闸管反并联线路中，会出现环流，为此，需要采取措施抑制环流

设置环流电抗器；采取 = 配合控制方式；采取封锁触发脉冲的方式，使两组晶闸管不能同时工作。

⏹ 根据控制环流方式，直流可逆调速系统分为：有环流可逆调速系统；无环流可逆调速系统。