1、自动控制元件 第 1 页 （共 30 页） 2输入信号是电枢电压 ，输出信号是电机转角 。绘出直流电动机动态框图，标出au ， 及扰动力矩 。)(sIa),(,sTEema )(sTc 3绘出直流电动机电枢控制的调节特性和机械特性曲线，标出始动电压、理想空 载转速和堵转转矩，标出电动机、发电机和反接制动状态。 4直流电动机的主要优点和缺点是什么？ 优点：力矩大，控制容易。 缺点：有机械换向器，有火花，摩擦大，维护较复杂，价高，结构复杂。 5.电机铁心多用硅钢片叠压而成。采用片状材料的目的是什么？ 减小涡流损耗 6.性能优良的永磁直流力矩电动机现在一般采用什么永磁材料？ 钕铁硼 大，电枢扁平状。
2、etK、 7.与直流伺服电动机相比，直流力矩电动机的 、 有什么特点？电枢的几何形eKt 状有什么特点？ 二 （20 分） 1.异步电动机等效电路图中 上的热损耗表示什么？sr12 2.简述两相对称绕组产生椭圆形旋转磁场的条件。 3 画出两相电机幅相控制时的电路图。 3磁场 表示什么磁场？为什么？ )sin(xtAF 4.绘出圆形旋转磁场时异 步电动机的两条典型机械 特性曲线（转子电阻大和小） 。 5推导两相伺服电动机传递函数 ,并说明其中的参数与静态特性曲)(/)(sUsG 线的关系。 6绘出三相异步电动机 从基频向下变频调速时 的机械特性。 7.异步电动机从基频向下变频调速时，若电压保持不
3、变将产生什么现象？用公式说 明。 8一台三相异步电动机空载转速是 1450 r/min，电源频率 50 Hz。这是几极电机？ 为什么？ 三、 （7 分） 1.简述永磁同步电机同步运行时的工作原理，画出必要的图形，写出电磁转矩公式。 2.写出磁阻同步电动机电磁转矩表达式并说明参数的含义。 3.哪种同步电动机不加鼠笼绕组就能 自行起动并具有较大的起动转矩？ （ ） 绘出它的机械特性曲线。 四、 （11 分） 1. 步进电动机转角的大小取决于控制脉冲的（ ） ，转速大小取决于控制脉冲的 （ ） 。 控制脉冲频率增高，步进电机的负载能力下降，主要原因是： 2.磁阻式步进电动机有 A、B、C、D 四相。
4、绘出 A 和 B 极下，当 A 通电，B 通电，和 AB 通电时，定子、转子齿的相对位置。 3.磁阻式步进电动机小失调角时的传递函数（输出是转角 ）是： 4.两相混合式步进电动机，产品说明书给出步距角为 1.8，若采用 8 细分驱动电路， 步距角是（ ） 。 5.从用户使用角度看，在位置伺服系统中，全数字交流伺服系统与直流伺服电动机有 什么不同之处？ 6.目前批量生产的无刷直流电动机(交流伺服电动机)常用的位置传感器有哪两类？ 五、 （20 分） 1.画图解释传感器的重复性误差。 2.旋转变压器如右图。完成原边补偿和 副边补偿的连线。 电压有效值 13RU 感应同步器鉴相型信号处理方式中， 输
5、出电压 。2e 3.画出直流测速发电机理想输出 电压与实际输出电压曲线，并在 图中说明误差产生的原因。 4.光电增量码盘每转产生 1000 个脉冲，分辩率为 。 增量码盘为什么用两个光电转换器而不是一个？ 增量码盘为什么要寻零？怎样寻零？ 5.画出采用电位器测量正、负 位移的线路图。 6.螺杆型差动变压器用来 。 输出电压表达式是 。 7.热敏电阻传感器是根据 （材料）电阻与温度之间的关系制成的。它的 主要优点是什么？ 六、 （9 分）1.PWM 功放电路和双极性 输出时的输入电压如图。设电流连续。 1）绘出输出电压 波形。ABu 2）分别绘出电动机状态、发电机状态 和轻载时电流 波形。ai
6、3） ，电动机状态，指出一周期内0aE 电流流经的路线。 2.PWM 功率放大器包括 和 两部分。 3.PWM 电路中，提高频率将使晶体管功耗 。 （1）减小 （2）不变 （3）增加。 4. 异步电动机变频器输出的电压是 波形。 5.用数据说明线性功放的主要缺点。 七、 （13 分） 1写出阀控液压马达的传递函数，说明输入量和输出量的含义并说明传递函数参数 的特点。 2与电动机相比，液压动力机构的主要优、缺点是什么？ 3标示出图示液压马达的旋转方向。这是 向 式液压马达。 4.航天器中陀螺传感器有哪两项作用？ 5图示为电容式微加速度传感器结构示意图。简述工作原理。若采用静电力平衡式 的工作方式
7、，解释“静电力平衡式的工作方式” ，并说明它的优点。 八、附加题 1.求图示功率放大器的稳态放大系数 iou 2.两相绕组匝数都是 ，电流分别为 。证明合成磁W)90sin(2sin2tItIifc 、 场是圆形旋转磁场。 （提示 ）)i()(osin2 参考答案 一、1.（1） 33e1410s50sNmmT、 （2） 202.N.rad/T （3） 330V8U、 （4） 2(). .5.41)(5)0.041assss 2.框图如下。 3.特性曲线如下。 二、1.电机一相绕组产生的机械功率。 2.两相电流相位差： 09 两相电压相位差 90，幅值不等。 3. 4. 特性曲线见图。 5.
8、d(,)TJUTt、 ()1sUGJsT 调节特性斜率。 机械特性斜率。:U: 6. 特 性曲线见图。 7. 电机额定工作状态时铁心磁密接近饱和，如图。4.UEfW U 不变， 。电流过大，电机过热损坏。fI 8. 4 极， 602150r/mins snpn、 三、1. iemTK 2.工作原理见图。 ()imqdR :交轴和直轴磁阻。qdR、 3.磁滞同步电机。特性曲线见图。 四、1.个数；频率；绕组电感的影响。 2. 3 2 mrrTzJBs 4.0.225 5.数字交流伺服系统：控制简单，用脉冲做输入信号，直接控制位置。内部结构复 杂，产生高频电压扰动。 直流电动机：需要另外配置传感器
9、，功率放大器，补偿电路组成系统。 6.霍尔元件；旋转变压器，光电码盘。 五、1.输入按同一方向多次变化时的误差。 2. 13cosRUK2in()meekt 3.曲线见图。 4.0.36。 辨别转动方向。 寻找转角的基准位置，以便求绝对位置。无限位时， 开机后向某一方向转动，直到产生零位脉冲。有限位时， 开机后向一方向转动，找不零位时再反转。 5.线路见图。 6.测线位移。 。uKx 7.半导体（金属氧化物） 。 灵敏度高，热惯性小，体积小，价格低。 六、1.（1） ， （2）波形见图。 （3） 1140:DtUTABT、23DU、 2.脉宽调制器；开关放大器。 3.增加。 4.SPWM 5.
10、效率低，晶体管功耗大，不能输出大功率。例如，电 源电压 50V,电流 20A，功率 1000W。电机电压 10V，晶体管 管耗 。2048W 七、1.传递函数为 12()1)()LKXsTs ：输出，转角。 x：输入、滑阀位移。 ：外负载力矩。LT 特点： 小，刚度大。 小，阻尼小，不利。非线性严重，某些参数变化大。2K 2.优点：力矩大；尺寸小，重量轻；刚度大。 缺点：需要专门液压源；漏油；维护麻烦。 3.轴；柱塞。顺时针转动，见图。 4.测运动体的角位置和角速度。 5.加速度使质量块产生位移。 ， 变化，引起电容SC 变化，测出电容可知位移 和加速度。 静力平衡：加电压，静电力使质量块不动
11、，由电压可知 加速度。 优点：灵敏度高，精度高。 八、1. 2331oiuR 2. 2sin()sin()cFkWItxkItx2si()fcf WkItx 班号 姓名 自动控制元件及线路 考 试 题 题号 一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 总分 附加题 分数 一、控制系统由哪几部分组成？各有什么作用？（画出系统组成框图） （8 分） 二、什么是电枢反应? 对机械特性有什么影响？（画出相应的机械特性曲 线） （5 分） 三、直流电机有几种工作状态？电压与反电势，电流，电磁转矩，转速， 能量关系，在各状态下如何？（6 分） 四、 （1）变压器空载时主磁通是 m，当加上负载后主磁通是多少？（
12、2） 一台变比为 k=2 的变压器，原边额定电压为 110 V，额定频率为 50Hz，问 能否接到以下电源上，并说明原因？(6 分) a直流 110V； b交流 220V，f=50Hz； c交流 220V，f=100Hz； 五、什么是自转现象？如何消除两相伺服电机自转现象？画出相应的机械 特性曲线分析。 （8 分） 六、交流电机有几种调速方法？都是什么？变频调速时为什么要变频变压？ 画出变频调速时的机械特性曲线？（Tn） （8 分） 七、用磁场的方法分析三相交流电机发生一相断相时，机械特性和电流如 何变化？（5 分） 八、三相磁阻式步进电机有 62 个齿，计算单拍、双拍制的步距角，并写出 正反
13、转的通电顺序，50 个脉冲后电机轴分别转过多少度？（8 分） 九、分析步进电机在高频下运行时转距下降的原因，并画出斩波恒流功放 电路，分析该电路的工作过程（画出有关波形） ，指出该电路的特点。 （12 分） 十、为什么要加关断缓冲网络，画出该网络，分析工作过程。 （8 分） 十一、在测量元件中，说说精度，分辨率的概念以及它们的关系？（6 分） 十二、有一个功率管，在感性负载下，工作电压 200V，电流 15 A，工作频 率 20KHz，占空比 80%，通态压降 1.5V，开通时间 1.5us，关断时间 2us，该功率管的损耗是多少？ （5 分） 十三、有一对完全相同的直流电机组成电动机发电机组
14、，激磁电压为 110V，电枢电压 100V,电枢电阻为 Ra=75，当电动机电枢加 100V 电压时， 电动机的电枢电流为 0.1A，机组的转速为 3000 r/min，问：（15 分） （1）发电机空载时的电枢电压为多少？ （2）电动机的供电电源为 110V 电压源，电源的内阻为 25，而发电机接 上 0.5k 负载时，机组的转速是多少？ 自动控制元件及线路 试题 一、 多项选择：以下各题有一个或多个正确答案，请选择正确答案标号填于题后答 案中。 （20 分） 1.电机和变压器中铁芯采用硅钢片迭压而成是为了（ ） A减小磁滞损耗 B.增加导磁率 C.减小涡流损耗 D.增加耦合系数 答案 （
15、） 2.通常直流电机定子包括 A.电刷 B.换向器 B.电枢绕组 D.激磁绕组 答案 （ ） 3.直流电机和感应式异步电机的转子铁芯采用（ ） A.硬磁材料 B.顺磁材料 C.抗磁材料 D.软磁材料 答案 （ ） 4.一磁阻式步进电机正常运行时每步步距误差可达 0.2 度，若该电机正常运转 100 步， 总的转角误差是（选出最明确的答案） 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.直流电机换向火花随以下情况增大 A.电枢电流增大 B.电机转速增大 C.电机负载转矩增大 D.电枢电压提高 E. 换向器表面变粗糙 答案 （
16、） 6.一电源变压器原边空载电流随以下情况增大 A.变压器铁芯磁阻减小 B.变压器铁芯磁阻增加 C.变压器原边线圈匝数增加 D.变压器铁芯气隙增大 答案 （ ） 7.两相交流伺服电机转予绕组回路电阻选的较大是为了 A.提高电机效率 B.增加电机转矩 C.使电机机械特性具有良好的线性度 D.消除单相自转 答案 （ ） 8.直流电动机有以下工作状态 A.电动机状态 B.过流运行状态 C.发电机状态 D.反接制动状态 E.能耗制动状态 F.欠负荷状态 9.选出正确项 A. 增量式光电编码器应用时不用寻找零位 B. 自整角机是测量角位移的元件 C. 感应同步器是测量电流的元件 D. 异步电机的换向器和
17、电刷机构较直流电机简单 E. 力矩电机电枢（转子）长度与直径之比较小 F. 通常三相异步电动机堵转转矩小于最大转矩 G. 异步电动机输出最大功率出现在转子转速为同步转速时 H. 光电编码器（光栅）是一种位移测量元件 I. 直流电动机转子依靠定子旋转磁场旋转 J. 将输入三相电机的三相交流电源中任意两相对掉就可以改变该电机的转向 答案 （ ） 二、 简答题（30 分） 1）推导直流电机机械特性，并根据该特性分析有几种调速方案？它们是什么？（10 分） 2）一电源变压器原边为 220V，50Hz 交流，有三个副边绕组，其额定值分别为：副 边一为 8V，15A；副边二为 12V，5A；副边三为 24
18、V，10A 。 求该变压器原边的额定电流 Ie=？ （5 分） 3）画出直流电机的动态方框图？ （5 分） 4）画出一个温度闭环自动控制系统原理方框图 （10 分） 三、 计算分析题（25 分） 1）一交流异步电机已知额定转速 ne=1200(rpm),电源频率为 f=50Hz，问这是几极电 机？额定转差率 Se=？ （5 分） 2）一直流电机，额定电压 Ua=220V,额定电流 Ia=0.8A,额定转速 n=3600（rpm ）,电枢 电阻 Ra=50 ，空载阻转矩 T0=0.02NM，求该电动机的额定负载转矩 Te 和理想空载转 速 n0？在上述情况下，输出转矩为 1 Nm 时转速 n1=
19、？(10 分) 3）一四相磁阻式步进电机，转子齿数为 Zr=50（齿） ，请计算出单拍制和双拍制的步 距角 b1=？和 b2=？，并分别列出单相（或双）单拍制时，正、反向旋转要求的通电 顺序和一个双拍制时的通电顺序。 （10 分） 四、 论述（25 分） 1）论述三相异步电动机的调速方法（从方法、特点及控制性能等方面） （12 分） 2）综述驱动直流电机的功率放大器（从类型、特点及选用等方面） （13 分） 一.(20 分) 1.两台完全相同的永磁直流电动机的轴连在一起组成电动机-发电机组。每台 电机，电阻 ，电感 ，转动惯量 。8aR0.2HaL3210kgmJ （1）电动机电压 ，电流 。
20、发电机不接负载，此时机组转速 。120VmU15AmI 10rad/s 求发电机电枢电压 和每台电机的空载阻转距 。g fT （2）电动机电压 ，发电机电枢端接负载电阻 。求机组转速 ，电动机电流23m160LR2 ，发电机电枢电流 。mIgI （3）求电机本身的机电时间常数 、电磁时间常数 和传递函数（转角为输出量） 。me 2输入信号是电枢电压 ，输出信号是电机转角 。绘出直流电动机动态框图，标出 ，au )(sIa 及扰动力矩 。),(,sTEema )(sTc 3绘出直流电动机电枢控制的 机械特性曲线，标出理想空载 转速和堵转转矩，标出电动机、 发电机和反接制动状态。 4.在右侧 3
21、条去磁曲线上添写适当的材料名称。 5.为了获得大转矩，直流力矩电机电枢形状为（ ） 。 设电枢体积、磁密、电流和导线总长度不变，用物理知识给予解释。 6.直流电机电枢绕组一般放在定子上还是转子上？ 为什么这么安排？ 二 （20 分） 1.绘出异步电动机的等效电路并说明如何利用等效电路求电机电磁转矩。 2. 电机绕组通入交流电 。单相集中绕组产生（ ）磁场。任一固定时刻，tIisin2 磁势在空间的分布波形是什么形状？（ ） 。单相分布绕组产生（ ）磁场。 任一时刻磁势在空间的分布波形是什么形状？（ ） 注：磁场（椭圆旋转，圆形 旋转，脉振，其它） ；分布波形（正余弦波，方波，阶梯波，三角波，其
22、它） 3. 一台三相异步电机额定转速是 940r/min，这是几极电机？说明理由并求转差率。 4绘出三相异步电动机从基频向下变频调速时的机械特性。 此时电压应如何变化？用公式说明。 5.画出两相电机幅相控制时的电路图 并说明电容器的作用。 6.绘出驱动用和伺服系统用 两相异步电动机在圆形旋转 磁场时的典型机械特性曲线。 它们的转子电阻有何不同？ 驱动用电机的曲线中， 指出稳定区与不稳定区。 7. 两相绕组匝数都是 ，电流分别为 。证明合成磁场是W)90sin(2sin2tItIifc 、 圆形旋转磁场。 （提示 ）)()s(osin2 8推导两相伺服电动机传递函数 ,并说明其中的参数与静态特性
23、曲线的关系。)(/)(sUsG 三、 （8 分）1.同步电动机中“同步”的含义是什么？ 2.永磁同步电动机中基本电磁转矩的公式是 。 3写出电机磁阻转矩 与电角 、直轴磁阻 、交轴磁阻 的关系式。TmdRmq 4.哪种同步电动机不加鼠笼绕组就能自行起动并具有较大的起动转矩？ 四、 （10 分）1. 推导磁阻式步进电动机小失调角时的传递函数（输出是转角 ） 。 2.两相混合式步进电机结构示意图和 A 相通电的平衡位 置见图。在平衡位置图上，使转子左转，B 相通电时， 标出定子磁极 2 的极性，并说明理由。 3简述图示步进电机功放电路工作过程。若将 D2 断开， 会产生什么现象？ 4目前市场上流行
24、的全数字交流伺服系统响应快，精度高。供货的两大部件是（ ） 。 它的电机的名称是（ ） ，采用（ ）波电流驱动，传感器多用( )。 这种电机在应用中，可能产生什么问题？ 五、 （20 分）1.解释传感器的静态特性和静态误差。 2.旋转变压器如右图。完成原边补偿和副边补偿的连线。 电压有效值 （ ）13RU 感应同步器鉴相型信号处理方式中， 输出电压 ( )。2e 3.画出直流测速发电机理想输出电压 与实际输出电压曲线， 并在图中说明误差产生的原因。 4.光电增量码盘每转产生 3000 个脉冲， 分辩率为（ ） 。 增量码盘为什么用两个光电转换器而不是一个？ 简述增量码盘“寻零”的原因和过程。
25、简述绝对值光电码盘的主要优、缺点。 5.画出采用电位器测量正、负 位移的线路图。 6.螺管型差动变压器在控制系统 中的传递函数是（ ） 。 7.为家用电冰箱的温度控制系统选择温度传感器并简述理由。 六、 （10 分）1.PWM 功放电路和双极性 输出时的输入电压如图。设电流连续。 3） 绘出输出电压 波形。ABu 4） 分别绘出电动机状态、发电机状态 和轻载时电流 波形。ai 3） ，电动机状态，指出一周期内0aE 电流流经的路线。 2. PWM 功率放大器中的桥式电路为什么 会产生同侧晶体管直通现象？如何避免？ 3.PWM 电路中，提高频率将使晶体管功耗 。 （1）减小 （2）增加 （3）不
26、变。 4.解释正弦波脉宽调制（SPWM）波形的特点 及应用场合。 5.线性功率放大器为什么不能应用于较大功率？ 七、 （12 分） 3 写出阀控液压马达的传递函数，说明输入量和输出量的含义并说明传递函数参数的特点。 4 解释术语液压马达的“排量” 。 3.如何改变液压马达的转动方向？ 4.写出电液伺服阀的传递函数。在什么条件下可看成是比例环节和一阶环节？ 5.探月卫星的姿态是用什么传感器检测的？ 6图示为压阻式微加速度传感器。简述其工作原理。 八、附加题 1.为探月卫星上众多的电动机控制系统选择一种电机类型，并简述理由。 2.直线感应同步器节距为 2mm，激磁电压频率为 2.5kHz，采用鉴相型信号处理方式，时钟脉冲源频 率为 5MHz，求感应同步器的分辨率 x1 。 提示 感应同步器电角 rad，f 为激磁电压频率， N 为计入的时钟脉冲个数，t n为e2fNt=n 时钟脉冲周期。
