自動控制元件本科期末試題標準附標準答案

1、哈工大 2003 年春季學期自動控制元件及線路 試題一、多項選擇：以下各題有一個或多個正確答案，請選擇正確答案標號填于題后 答案中。（ 20分）1. 電機和變壓器中鐵芯采用硅鋼片迭壓而成是為了（）A 減小磁滯損耗B.增加導磁率C.減小渦流損耗D.增加耦合系數(shù)答案 （ ）2. 通常直流電機定子包括A. 電刷 B.換向器 B.電樞繞組 D.激磁繞組 答案 （ ）3. 直流電機和感應(yīng)式異步電機的轉(zhuǎn)子鐵芯采用（）A. 硬磁材料B.順磁材料 C.抗磁材料 D.軟磁材料答案 （ ）4. 一磁阻式步進電機正常運行時每步步距誤差可達 0.2 度，若該電機正常運轉(zhuǎn) 100 步， 總的轉(zhuǎn)角誤差是（選出最明確的答案

2、） 矚慫潤厲釤瘞睞櫪廡賴。A.小于等于 20度 B.小于等于 10度 C.大于等于 10 度 D.小于等于 0.2度 答案 （ ）5. 直流電機換向火花隨以下情況增大A. 電樞電流增大 B.電機轉(zhuǎn)速增大C.電機負載轉(zhuǎn)矩增大D.電樞電壓提高E. 換向器表面變粗糙 答案 （ ）6. 一電源變壓器原邊空載電流隨以下情況增大A.變壓器鐵芯磁阻減小B.變壓器鐵芯磁阻增加C. 變壓器原邊線圈匝數(shù)增加D.變壓器鐵芯氣隙增大答案 （ ）7. 兩相交流伺服電機轉(zhuǎn)予繞組回路電阻選的較大是為了A. 提高電機效率B.增加電機轉(zhuǎn)矩C.使電機機械特性具有良好的線性度D. 消除單相自轉(zhuǎn)答案 （ ）8. 直流電動機有以下工作

3、狀態(tài)A.電動機狀態(tài)B.過流運行狀態(tài)C.發(fā)電機狀態(tài)D. 反接制動狀態(tài)E. 能耗制動狀態(tài)F.欠負荷狀態(tài)9. 選出正確項A. 增量式光電編碼器應(yīng)用時不用尋找零位B. 自整角機是測量角位移的元件C. 感應(yīng)同步器是測量電流的元件D. 異步電機的換向器和電刷機構(gòu)較直流電機簡單E. 力矩電機電樞（轉(zhuǎn)子）長度與直徑之比較小F. 通常三相異步電動機堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩小于最大轉(zhuǎn)矩G. 異步電動機輸出最大功率出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速時H. 光電編碼器（光柵）是一種位移測量元件I. 直流電動機轉(zhuǎn)子依靠定子旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)J. 將輸入三相電機的三相交流電源中任意兩相對掉就可以改變該電機的轉(zhuǎn)向1 / 16答案（）二、簡答題（ 30 分

4、）1）推導直流電機機械特性，并根據(jù)該特性分析有幾種調(diào)速方案？它們是什么？（ 10 分）2）一電源變壓器原邊為 220V，50Hz 交流，有三個副邊繞組，其額定值分別為： 副邊一為 8V ，15A；副邊二為 12V ，5A；副邊三為 24V ，10A。 聞創(chuàng)溝燴鐺險愛氌 譴凈。求該變壓器原邊的額定電流 Ie=？（5 分）3）畫出直流電機的動態(tài)方框圖？（5 分）4）畫出一個溫度閉環(huán)自動控制系統(tǒng)原理方框圖（10 分）三、計算分析題（ 25 分）1）一交流異步電機已知額定轉(zhuǎn)速 ne=1200（rpm）,電源頻率為 f=50Hz ，問這是幾極 電機？額定轉(zhuǎn)差率 Se=？ （5 分） 殘騖樓諍錈瀨濟溆塹籟

5、。2）一直流電機，額定電壓 Ua=220V,額定電流 Ia=0.8A,額定轉(zhuǎn)速 n=3600（rpm）,電 樞電阻 Ra=50，空載阻轉(zhuǎn)矩 T0=0.02NM ，求該電動機的額定負載轉(zhuǎn)矩 Te和理想空 載轉(zhuǎn)速 n0？在上述情況下，輸出轉(zhuǎn)矩為 1 Nm 時轉(zhuǎn)速 n1=？（10 分）釅錒極額閉鎮(zhèn)檜豬訣錐。3）一四相磁阻式步進電機，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為 Zr=50（齒），請計算出單拍制和雙拍制的 步距角 b1=？和 b2=？，并分別列出單相（或雙）單拍制時，正、反向旋轉(zhuǎn)要求的 通電順序和一個雙拍制時的通電順序。 （10 分） 彈貿(mào)攝爾霽斃攬磚鹵廡。四、論述（25 分）1）論述三相異步電動機的調(diào)速方法（從方法、

6、特點及控制性能等方面） （12 分） 2）綜述驅(qū)動直流電機的功率放大器（從類型、特點及選用等方面） （13 分）2 / 16參考答案一、1(B) 2(A,D ) 3(D) 4(D) 5(A,B,C,D,E) 6(B,D) 7(C,D) 8(A,C,D,E)9(B,E,F,H,J)二、1.n Ua Tem Ra ，調(diào)電壓。磁通，電阻。Ce Ct2. 220I e 8 15 12 5 24 10 1.91A3.框圖為4.、 1. n 60f (1 s) ， p=2， 4 極電機， ps 1500 1200 0.215002.Te 0.362N m ,n0 461rad/s=4400r/min ，

7、n1 236rad/s=2255r/min 。3. b1 1.8 ， b2 0.9四、1.60f1n(1 s)1）改變極對數(shù) p3 / 162）改變轉(zhuǎn)差率 s 。在恒轉(zhuǎn)矩（及恒功率）時改變轉(zhuǎn)差率 s 又有下列幾種方法： l ）改變定子繞組的端電 壓U 1 ，主要用于風機類負載。 2 ）在定子回路中串入外加電阻或電抗， 以改變 r1或 x1，r2 或 x2 ，用于線繞用于線繞式。 3）在轉(zhuǎn)子回路串入外加電阻、電感或電容，以改變式。4）在轉(zhuǎn)子回路中引入外加電動勢也可改變 s 。謀蕎摶篋 飆鐸懟類蔣薔。（3）改變電源頻率 f1 ，變頻調(diào)速。有較高的效率，寬的 調(diào)速范圍和平滑的調(diào)速特性， 機械特性見圖

8、。調(diào)速性能可 與直流電動機相媲美，是目前應(yīng)用最廣的交流調(diào)速方式。 變頻調(diào)速需要具有調(diào)頻兼調(diào)壓功能的變頻裝置。 目前市場 上已出現(xiàn)了各種性能良好、 工作可靠的變頻裝置， 并已應(yīng) 用于工業(yè)各領(lǐng)域。 廈礴懇蹣駢時盡繼價騷。（4）矢量控制，性能好，裝置復雜。2. 常用的直流功率放大器有三種：線性（比例式）功率放大器、開關(guān)式功率放大 器和晶閘管功率放大器。一般功率為 100W 以下時可以選用線性功率放大器， 25 5000W 時可選用開關(guān)式功率 放大器， 500W 以上時選用晶閘管功率放大器。 煢楨廣鰳鯡選塊網(wǎng)羈淚。線性功率放大器，線性度好，失真小，電磁干擾和噪音小，本身功耗大，輸出電流和 功率小，用于

9、小功率系統(tǒng)。PWM開關(guān)功率放大器的優(yōu)點是效率高，晶體管損耗小，輸出功率大。缺點是由于 開關(guān)動作而產(chǎn)生噪音和電磁干擾。常用于中小功率系統(tǒng)。 鵝婭盡損鵪慘歷蘢鴛賴。晶閘管功率放大器功率大，用于中、大功率裝置。一（ 20分） 1. 1臺永磁直流力矩電機， 反電勢系數(shù) Ke 2 V/（ rad/s）,摩擦轉(zhuǎn) 矩Tf 0.2N m ，轉(zhuǎn)動慣量 J 4 10 3 kg?m 2 ，電感 La 0.02 H。連續(xù)堵 轉(zhuǎn)時電流 I1 5A，電壓U1 20V ?；[叢媽羥為贍僨蟶練淨。（1）求機電時間常數(shù) m ，電磁時間常數(shù) e ，連續(xù)堵轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩 T1 。 （2）電樞電壓 U 2 =25V，求起動時的輸出轉(zhuǎn)矩

10、T20和此電壓對應(yīng)的空載轉(zhuǎn)速 20 。 （3）電機轉(zhuǎn)速 3 10 rad/s ，電磁轉(zhuǎn)矩 T3 2N m 時，求電樞電壓 U3和輸出4 / 16轉(zhuǎn)矩 T304)寫出該電機的傳遞函數(shù)(s)/U a (s)2輸入信號是電樞電壓 ua ，輸出信號是電機轉(zhuǎn)角 。繪出直流電動機動態(tài)框圖，標出 Ia(s)， Ea(s),Tem(s),及擾動力矩 Tc(s)3繪出直流電動機電樞控制的調(diào)節(jié)特性和機械特性曲線，標出始動電壓、理想空載轉(zhuǎn)速和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，標出電動機、發(fā)電機和反接制動狀態(tài)。 預(yù)頌圣鉉儐歲齦訝驊糴。5 / 164直流電動機的主要優(yōu)點和缺點是什么？5. 電機鐵心多用硅鋼片疊壓而成。采用片狀材料的目的是什么？

11、6. 性能優(yōu)良的永磁直流力矩電動機現(xiàn)在一般采用什么永磁材料？7. 與直流伺服電動機相比，直流力矩電動機的 Ke、Kt 有什么特點？電樞的幾何 形狀有什么特點？二(20 分)1. 異步電動機等效電路圖中 r2 1 s 上的熱損耗表示什么？s2. 簡述兩相對稱繞組產(chǎn)生橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場的條件。3 畫出兩相電機幅相控制時的電路圖。3磁場 F Asin( t x) 表示什么磁場？為什么？6 / 164. 繪出圓形旋轉(zhuǎn)磁場時異 步電動機的兩條典型機械 特性曲線(轉(zhuǎn)子電阻大和小)5推導兩相伺服電動機傳遞函數(shù) G(s)(s)/U(s) ,并說明其中的參數(shù)與靜態(tài)特性曲線的關(guān)系。6繪出三相異步電動機 從基頻向下變頻

12、調(diào)速時 的機械特性。7.異步電動機從基頻向下變頻調(diào)速時，若電壓保持不變將產(chǎn)生什么現(xiàn)象？用公式 說明。8一臺三相異步電動機空載轉(zhuǎn)速是 1450 r/min，電源頻率 50 Hz。這是幾極電機？ 為什么？、(7 分)1. 簡述永磁同步電機同步運行時的工作原理， 畫出必要的圖形， 寫出電磁轉(zhuǎn)矩公式7 / 162. 寫出磁阻同步電動機電磁轉(zhuǎn)矩表達式并說明參數(shù)的含義3. 哪種同步電動機不加鼠籠繞組就能 自行起動并具有較大的起動轉(zhuǎn)矩？ （） 繪出它的機械特性曲線。四、（ 11 分）1. 步進電動機轉(zhuǎn)角的大小取決于控制脈沖的（ ），轉(zhuǎn)速大小取決于控制脈沖的 （）。 滲釤嗆儼勻諤鱉調(diào)硯錦?？刂泼}沖頻率增高，步

13、進電機的負載能力下降，主要原因是：2. 磁阻式步進電動機有 A、B、C、D 四相。繪出 A 和 B 極下，當 A 通電， B 通電， 和 AB 通電時，定子、轉(zhuǎn)子齒的相對位置。 鐃誅臥瀉噦圣騁貺頂廡。3. 磁阻式步進電動機小失調(diào)角時的傳遞函數(shù)（輸出是轉(zhuǎn)角）是：4. 兩相混合式步進電動機， 產(chǎn)品說明書給出步距角為 1.8 ，若采用 8 細分驅(qū)動電路， 步距角是（）。擁締鳳襪備訊顎輪爛薔。5. 從用戶使用角度看，在位置伺服系統(tǒng)中，全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)與直流伺服電動機 有什么不同之處？8 / 166. 目前批量生產(chǎn)的無刷直流電動機 （交流伺服電動機 ）常用的位置傳感器有哪兩類？五、（20 分）1.畫圖

14、解釋傳感器的重復性誤差2. 旋轉(zhuǎn)變壓器如右圖。完成原邊補償和 副邊補償?shù)倪B線。電壓有效值 U R13 感應(yīng)同步器鑒相型信號處理方式中， 輸出電壓 e2 。3. 畫出直流測速發(fā)電機理想輸出 電壓與實際輸出電壓曲線，并在 圖中說明誤差產(chǎn)生的原因。4. 光電增量碼盤每轉(zhuǎn)產(chǎn)生 1000 個脈沖，分辯率為 增量碼盤為什么用兩個光電轉(zhuǎn)換器而不是一個？增量碼盤為什么要尋零？怎樣尋零？5. 畫出采用電位器測量正、負 位移的線路圖。9 / 166. 螺桿型差動變壓器用來。輸出電壓表達式是。7. 熱敏電阻傳感器是根據(jù) （材料）電阻與溫度之間的關(guān)系制成的。它 的主要優(yōu)點是什么？ 贓熱俁閫歲匱閶鄴鎵騷。六、（9 分）

15、1. PWM 功放電路和雙極性 輸出時的輸入電壓如圖。設(shè)電流連續(xù)。1）繪出輸出電壓 uAB 波形。2）分別繪出電動機狀態(tài)、發(fā)電機狀態(tài) 和輕載時電流 ia 波形。3）Ea 0 ，電動機狀態(tài)，指出一周期內(nèi) 電流流經(jīng)的路線。2. PWM功率放大器包括和兩部分。3. PWM電路中，提高頻率將使晶體管功耗 （1）減小 （2）不變（ 3）增加。4. 異步電動機變頻器輸出的電壓是波形。5. 用數(shù)據(jù)說明線性功放的主要缺點。10 / 16七、（ 13 分）1寫出閥控液壓馬達的傳遞函數(shù)，說明輸入量和輸出量的含義并說明傳遞函數(shù)參 數(shù)的特點。2與電動機相比，液壓動力機構(gòu)的主要優(yōu)、缺點是什么？3標示出圖示液壓馬達的旋轉(zhuǎn)

16、方向。這是向式液壓馬達4. 航天器中陀螺傳感器有哪兩項作用？5圖示為電容式微加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。簡述工作原理。若采用靜電力平衡式的工作方式，解釋“靜電力平衡式的工作方式” ，并說明它的優(yōu)點。 壇摶鄉(xiāng)囂懺蔞鍥鈴氈八、附加題11 / 161. 求圖示功率放大器的穩(wěn)態(tài)放大系數(shù)uoui2.兩相繞組匝數(shù)都是 W ，電流分別為 ic 2Isin t，if2I sin( t 90 )。證明合成磁場是圓形旋轉(zhuǎn)磁場。 (提示 2sin cos sin( ) sin( ) )參考答案、1.（1） m 4 10 3s， e 5 10 3s，T1 10N m2） T20 12.3N m， 20 12.3rad/s

17、12 / 163)U 3 24V ，T30 1.8N m4) (s) 0.502.5U a(s) (0.04s 1)(0.005s 1) 0.00002s2 0.04s 14. 優(yōu)點：力矩大，控制容易。 缺點：有機械換向器，有火花，摩擦大，維護較復雜，價高，結(jié)構(gòu)復雜5. 減小渦流損耗。6. 釹鐵硼。7. Ke、Kt 大，電樞扁平狀。二、1. 電機一相繞組產(chǎn)生的機械功率。2. 兩相電流相位差： 0 90 兩相電壓相位差 90o，幅值不等。3.4.特性曲線見圖。d5. T J ， (U,T)dtUG(s)(s) U(s)s1U : 調(diào)節(jié)特性斜率。T :機械特性斜率。13 / 166. 特性7. U

18、 E 4.44 fW 電機額定工作狀態(tài)時鐵心磁密接近飽和，如圖 U 不變， f I 。電流過大，電機過熱損壞。8. 4 極， ns 60 f ， p 2 ns 1500r/minp三、 1.Tem K sin2. 工作原理見圖。 T K(Rmq Rmd )sin 2 Rmq、 Rmd :交軸和直軸磁阻。3. 磁滯同步電機。特性曲線見圖。四、1. 個數(shù)；頻率；繞組電感的影響。2.34.0.225 oTmzrJ s2 B s Tmzr ssJJ5. 數(shù)字交流伺服系統(tǒng)：控制簡單，用脈沖做輸入信號，直接控制位置。內(nèi)部結(jié)構(gòu) 復雜，產(chǎn)生高頻電壓擾動。直流電動機：需要另外配置傳感器，功率放大器，補償電路組成系統(tǒng)。6. 霍爾元件；旋轉(zhuǎn)變壓器，光電碼盤。 五、1. 輸入按同一方向多次變化時的誤差。曲線見圖2. U R13 K cose2 kU m sin( t e)3.曲線見圖。4.0.36 o。辨別轉(zhuǎn)動方向。尋找轉(zhuǎn)角的基準位置， 以便求絕對位置。 無限位時， 開 機后向某一方向轉(zhuǎn)動， 直到產(chǎn)生零位脈沖。 有限位時， 開機 后向一方向轉(zhuǎn)動，找不零位時再反轉(zhuǎn)。 蠟變黲癟報倀鉉錨鈰贅。5. 線路見圖。6. 測線位移。 u Kx 。7.