自动控制系统考试复习

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电力拖动自动控制系统复习要点

一 期末考试的题型

与交流拖动控制系统比较，直流拖动控制系统是重点；考试内容各占50%左右。而直流的要求则是掌握，是以计算，分析，证明题方式出现；交流的要求是了解和一般掌握，交流则以选择、判断、填空、简述的方式出现。 二 考试内容

主要依据教材中的作业和例题和复习题。

考试题型及分数分配

1 判断题（20分，10~20小题）范围广，

2 选择题（20分，10~20小题）内容深，细节区分 3 填空题（10分，10小题） 4 设计题（10分，2小题） 5 简述题（10分，2小题）

6 无传感器算法：磁链、转矩的计算算法（10分） 异步电动机转子磁链和定子磁链的估算、转矩的估算 7 分析计算题（20分，3小题） 三 课程内容复习纲要 直流拖动系统（掌握）

控制系统课程贯穿着一个基本方法：理论联系实际来分析问题解决问题。具体来说就是系统思想和模型化、工程化方法。

本书的基本结构是以学科历史发展过程或者说实际问题为逻辑起点，而一般的理论课程如物理、数学实际上是与科研实际过程相反的，以学习者的知识结构为逻辑起点，从定义、概念、定律再到定理。这是因为理论的发展意味着概念的创新。

而控制系统是一门技术理论课程，它是从技术角度来总结的。正因为是技术角度出发的，具有综合性和实践性的特点。所以对学习者来说，必须具备一定的实践基础和专业理论基础。而对初学者来说，表现出有一定的难度是不奇怪的，而且，每一部分内容都仅是打下基础，深入的细节方面的知识，需要更进一步地查阅其它书籍和资料，从另一方面来看，这也给大家留下了自学和实践的空间。 从电压平衡方程式，导出调速方法，从反馈控制原理和静态参数的要求导出闭环控制系统；从静态与动态性能的矛盾分析了P调节器和I调节器，发展到PI调节器；从单闭环的调速系统无法控制起、制动动态电流，导出了带饱和非线性的PI调节器构成双闭环的系统结构，而双闭环的结构可以说交直流电动机控制的基本结构；从单向开关的晶闸管不能实现反转和回馈制动导出了可逆系统结构，又从可逆系统引起的环流问题导出有环流和无环流控制策略；再从调压调速的限制和宽调速范围的要求引出带弱磁控制的非独立弱磁控制系统。

问题一步一步深化。但思考问题的出发点是电压平衡方程式，磁链平衡方程式，转矩平衡方程式，再加半导体开关的特性导致的电力电子电路中的特殊问题（也就是电力电子技术），同时分析时用到了电路和电机中的基本概念如输入功率、输出功率、转差功率、功率因数、效率、损耗等等。

1闭环控制 静差率与调速范围 重点掌握

可控直流电源 VM系统的主要问题 直流脉宽调速系统的主要问题 单闭环 稳态分析 PI调节器 2 双闭环

稳态 数学模型及动态性能分析 非典型系统的典型化 弱磁控制 实验电路 模拟式PI调节器，过电流保护电路 3 数字控制（了解）

数字测速 数字PI调节器及其设计方法 4 可逆系统 （掌握）

5 变压调速及其软起动器（了解） 6.1 VVVF 控制方式 （掌握） 机械特性比较 三段式控制

6.2 PWM 模式 spwm chbpwm svpwm （了解） 6.3 变频器的主要类型 （了解）

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6.4 标量控制系统 转速开环 转速闭环转差频率控制 （一般掌握） 6.5 矢量控制原理 坐标变换 转子磁链定向 （一般掌握）

6.6 矢量控制系统 直接矢量控制 间接矢量控制 转子磁链估计和观测（理解） 6.7 直接转矩控制 定子磁链的估计和观测（理解） 7 串级调速系统 （高效率低功率因数）（掌握）

双馈调速的5种工况 串级调速的工作原理 起动停车顺序 转子整流电路的特点及对机械特性的影响 串级调速系统的功率因数及其改进方案 双馈调速系统（了解） 8 同步电动机变频调速 （了解）

特点及其类型 他控变频（转速开环，交交变频，气隙磁场定向）自控变频（无刷直流，永磁同步电动机） 四 复习要点

1直流电动机调压可获得恒转矩调速。调励磁可获得恒功率调速。用不同调速方法的直流调速系统有不同的调速特性。生产机机械有不同的负载转矩特性，采用可调速传动装置时需考虑使装置的调速特性与负载的要求相匹配，以获得良好的技术经济效果。负载特性与电机电磁转矩特性的配合（负载特性：1 恒定阻转矩负载 2 位能性负载 3 转矩随转速变化的负载（通风机型，恒功率，转矩与转速成比例）4转矩随位置变化的负载）调速特性与负载调速要求的不匹配问题 采用保种调速方式要考虑负载调速要求。当两者不匹配时，电动机的容量就得放大。电磁转矩在弱磁时具有恒功率性质，但仍能带动恒转矩负载。

2 供变压调速使用的可控直流电源有：旋转变流机组、静止可控整流器与直流斩波器。直流斩波器不同于相位控制调压的可控整流器，它是通过改变主开关元件的通断时间比例即占空比来调压的，有一系列优点。

3 V-M系统的几个特殊问题可归结为：整流电压的相位控制、整流电流的平波与波形的连续、调速机械特性及其分区。V-M系统的完整调速机械特性包含整流状态下与逆变状态、连续区与断续区。

4 调速范围与静差率是调速系统的两个相互关联的稳态性能指标。闭环控制相对于开环控制来讲，可使系统稳态性能指标得到改善。正确理解调速范围的静差率中的理想空载转速指的是稳定运转的最低转速对应的理想空载转速，这就将调速范围和静差率联系起来了。闭环后，由于反馈作用降低了静差率，提高了调速范围。这部分内容要求会计算，会分析，会证明。

加转速负反馈和比例调节器的系统，可使稳态速降减小，但总是有静差，不可能使速降为零。该系统中，被反馈环所包围的加于控制系统前向通道上的各种扰动对转速的影响，都受到反馈控制的抑制。但反馈控制无力克服给定电源和检测反馈元件的误差。按照反馈控制的原理，即要控制什么物理量，就必须检测或间接检测这个物理量并变成电信号，组成闭环控制系统。

5单闭环系统的静态结构图和动态结构图应会推导。在作闭环调速系统的稳态参数计算时，可根据稳态性能指标、电动机及其它控制部件的已知参数来计算反馈检测元件与放大器的参数，这首先需找出系统的输入输出关系。然后根据各环节输入输出关系的算式来推导。也可根据结构图通过运算求出。

6 在有静差单转速闭环系统中，可以用电流截止负反馈来抑制突加给定电压的电流冲击，以保证系统有较大的比例系数来满足稳态性能指标。

7 P调节器动态响应快但静态有误差，且为保证较小的静差需要较大的放大系数，这就可能使得系统出现动态不稳定。I调节器静态无差但动态响应慢也会使系统不稳定。PI调节器综合了P和I调节器的优点，可使得系统响应较快且无静差。

8 根据直流电动机的电压平衡方程式，转矩平衡方程式，可以得到电机的动态模型。根据整流器的输出与输入关系，可将其视为一个惯性环节。

8 在带电流正反馈的电压负反馈调速系统中，省去了测速装置。但必须采用电流正反馈补偿电枢电阻引起的稳态速降。全补偿可做到无静差，但系统已处于稳定边缘，故不能指望用这类系统实现无静差调速。 双闭环直流调速系统（重点）

1 转速电流双闭环调速系统克服了单闭环调速动态电流无法控制的缺点。可以根据原理图画出稳态结构图，进而得出静特性方程式。对于PI调节器组成的双闭环系统，其稳态参数计算比较简单。转速反馈系数和电流反馈系数可按照最高电压和最大电流及调节器的线性工作电压（或在数字系统中按位长）来选择。带饱和非线性的PI调节器组成的双闭环调速系统是本次课程的重点内容。利用饱和来实现准最优时间控制。要调节起动、制动电流的大小，只能是在正确调节电流反馈系数的基础上，调节ASR的限幅值。也就是调节ASR中的限幅电路中的电位器。注意起动、制动电流需调节不同的电位器。对于正向电压给定，起动时，由于ASR反向，输出负的电压，所以应调节负电压限幅值。而对于制动，调节正电压限幅值。对于双闭环系统的稳态计算，见P55式（3-3）、（3-4）、（3-5）。是重点掌握的。PI调节器的输出与输入无关，是由后面环节的需要决定的。这一原理，在控制系统中经常用到。

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2 根据双闭环系统原理图，可得到动态结构图。双闭环系统的特点是利用饱和非线性实现了“准时间最优”控制，但带来了转速超调。可以用附加微分控制器或采用智能控制器和内模控制器来改善动态性能。双闭环系统的另一特点就是稳中求快。先设计和调试内环，使其稳定并满足动态性能后，再设计和调试外环。这个前提是内环控制量比外环控制量变化慢得多（10倍以上）。

3 系统动态性能或调节器的工程设计基本思想是非典型系统的典型化，具体来讲就是零极点抵消方法再加上工程近似法。注意一般都是抵消大的惯性环节。一般电流环设计为典型I型系统，因为电流环强调跟随性能；而转速环设计为典型II型系统，因为转速环强调抗干扰性能。在微机控制系统中，将闭环控制视为运算，采用定时运算的方法实现实时控制。也就是说闭环控制可视为定时中断服务程序中间的运算，也就是说包括采样实际反馈值并加以滤波、计算给定与反馈的误差，对误差进行PI运算，输出PI运算结果。由于电流比转速变化快得多，电流定时器设置要比速度环定时器短得多。定时器设置的时间就是采样周期。采样周期一般按控制对象的惯性时间常数来设定，最低要满足香农采样定理，以减小采样失真。实际的采样周期远小于香农采样定理计算值，并在实际调试中予以调整。采样周期越短，调节器的设计就可按连续系统设计再离散化。也可采用直接离散化的方法来设计调节器。在计算机系统中，PI调节器必须离散化。而PI调节器的离散化形式有很多种，如积分分离算法，增量式算法等。

4 在需要宽调速范围的直流调速系统中，常采用电枢电压与弱磁的配合控制。即基速以下调压调速，电磁转矩的性质属于恒转矩。而基速以上，由于电机电压的限制，只能弱磁调速，这时，其电磁转矩的性质属于恒功率。这就是说，控制规律要按照控制对象的物理约束来合理进行。 可逆调速系统

1 从电动机转矩公式可得出改变转矩方向的两种基本方法：改变电枢电流或改变励磁磁通的方向。采用接触器切换、晶闸管开关切换、反并联线路都能实现。前两者都只适用于动态性能要求不高的情况。由于励磁绕组电感量大，改变励磁磁通方向的方法只适用于对快速性要求不高、正反转不频繁的可逆系统。

2 即使不需要正、反转，但只要它需要快速回馈制动，就必须采用正反两组晶闸管装置供电。因为回馈制动需使反组晶闸管工作在有源逆变状态才能实现。有源逆变需要一定的条件。而且有源逆变须防止逆变颠覆造成过电流的故障发生。但是，在位能式负载的情况下可以在只有一组晶闸管的情况下实现回馈制动（它可在二象限即I，IV象限运行）。

3 环流是采用正、反两组晶闸管供电后带来的新问题。可分为有环流系统和无环流系统。有环流系统中必须加环流电抗器，而无环流可省出环流电抗器，在控制策略上必须加上无环流逻辑来控制选触开关。

4仔细分析配合控制有环流可逆调速系统的正向制动过程，可以看到，过渡过程包含本组逆变、它组制动两个阶段，而它组制动又可分解为建流，逆变和减流三个子阶段。但最主要的是它组逆变电动机回馈制动阶段。该系统的突出优点是正反转时起动与制动过程完全衔接而适合快速正反转，但需要增设环流电抗器而增加负担，因此只适用于中、小容量系统。而采用逻辑无环流控制实现选触，可节省一套电流调节器与触发装置。

5 除了晶闸管直流电动机外，采用直流PWM调速系统，具有线路简单、功耗低、效率高和功率因数高、动态性能好等一系列优点。闭环PWM调速系统的静、动态分析与晶闸管调速系统基本上一样，所以重点在对主回路、PWM控制电路及其它特殊问题进行讨论。主回路分为不可逆、可逆；可逆又分为双极式，单极式和受限单极式。PWM全控型双极性桥式变流器供电的直流电动机分析见书中P14-15。其中的一个特殊问题是电能回馈与泵升电压的问题。这个问题同样出现在交直交变频器的主回路上。 交流调速的基本类型和交流变压调速系统

1 交流调速系统按对转差功率的处理方式分为三类：转差功率消耗型、回馈型、不变型。

2相比较而言，变压调速适合于风机泵类负载。而对于恒转矩负载，变压调速的电动机，由于转差功率损耗与转差率s成正比，所以不宜长期在低速下工作。

3 对于大容量的异步电动机，不能直接通电起动。必须采用降压起动，而虽然降压导致起动电流下降，但由于起动转矩与电压的平方成正比，又会出现起动转矩不够的问题。因此，降压起动只适用于空载起动。异步电动机在额定工况下运行时效率较高，异步电动机长期轻载时，由于输出功率很小，使得其它功率所占成分较大，使得效率很低。因此，有限地降低定子电压，可以降低气隙磁通，同时降低铁损和励磁电流，达到节能的目的。另外，VVVF变频也可用来作软起动和空载节能，而且比调压方式更理想。由于调压调速能耗大，谐波严重，正在被变频调速所取代。只是在大容量的简单的软起动中发挥一定作用。 第6章 异步电动机调速系统

1变频调速的控制方式：根据变压器绕组电动势公式，可以得出稳态时保持定子磁通恒定时必须进行VVVF变压变频协调控制；根据异步电动机的稳态等效电路，可以分析出恒压频比，怛定子磁通频比，恒气隙磁通频比，恒转子磁通频比的机械特性如图6-6。相关分析见式6-10，6-15，6-18。

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1. 从异步电动机稳态等效电路图6-5可以看出，如果抬高定子电压，能维持Eg/ 1 c，会使线性段范围比Us/ 1 c更宽，

但仍具非线性特征，也就是具有最大转矩；而进一步抬高定子电压，维持Er/ 1 c，则转矩仅与转差频率成正比，变成线性的而不再是非线性的。其条件是保持转子全磁通恒定不变而不是保持定子磁通或气隙磁通不变。而动态保持转子磁通恒定正是转子磁场定向矢量控制的控制规律。图6-6的比较与分析是重点。其实质是漏抗压降导致了机械特性的非线性。而恒转子磁通频比控制，抵消了转子漏抗的压降，所以将机械特性变成了线性的。气隙磁链Ψ

α

Ψ是定子、转子通过气隙相互交链的那部分磁链

α

Ψ

α

Lmi Lmi

s

r

2. 定子磁链Ψ

s

s

sα

Ψ 是气隙磁链Ψ与定子漏磁链Ψ

之和。

s

Ψ

s

Ψ

s

α

Ψ

r

s

Lmi Lmi

s

r

Ls i

Lsi Lmi

3．转子磁链Ψ

r

s

rα

Ψ是气隙磁链Ψ与转子漏磁磁链Ψ

之和

r

Ψ

r

Ψ

s

α

Ψ

r

s

σ Lmi

s

Lmi

r

Lr i

Lmi Lri

αsr

Ψ、Ψ、Ψ均以同步速ωS旋转，三者的差距为漏磁链。

VVVF的控制规律为三段式：基频以下小于5HZ时，抬高电压补偿定子压降伏；基频以下大于5HZ时，恒压频比；基频以上，则恒定电压，弱磁升速；

2采用VVVF可以实现同步电动机的软起动但不能完全克服振荡及失步现象。为此，必须设计给定积分器使定子频率不要变化过快。这也就间接限制了起制电流。同样，在异步电动机VVVF系统中，由于转矩与转差成正比，限制了定子频率变化率也就限制了转子转差也就间接限制了转矩即限制了起制动电流。

3 变频器分为交直交（间接变频）和交交变频（直接变频）两种。交直交变频又分为电压源型和电流源型。交直交变频器因调压与调频环节有差别，又有多种分为：可控整流器调压与六拍逆变器、不控整流器加斩波调压与六拍逆变器、不控整流加PWM同时变压变频的逆变器。交直交变频器分为电压源型和电流源型。直流输出通过并联电容输出的是电压源型变频器，通过串联电感输出的是电流源型变频器。而采用二极管不控整流器加全控型PWM逆变器构成的变频器中，SPWM逆变器是同时实现变压变频的。但可控整流器加可控逆变器构成的晶闸管交直交变频器，是通过整流器调压，面逆变器变频。即变压和变频是分开的。交-交变频所用元件多，输出频率受限，最高频率不超过电网频率的1/3—1/2。所以只适用于低速大功率拖动系统。

4 SPWM控制模型 主要分为电压正弦，电流正弦，磁通正弦三大类。还有消除指定次数谐波的控制技术。其中电流正弦也就是电流滞环跟踪PWM由于易于用模拟电路实现而较常用。而SPWM适用于微机控制，也有专用集成电路实现的。SVPWM由于TI公司的DSP中具有硬件产生电路，且比SPWM具有更高电压利用率，谐波分量小，正在推广应用。由于二极管输出直流电压幅值不变，所以SPWM逆变输出的是一系列等幅不等宽的矩形脉冲，其面积等效于正弦波面积，即平均值等效于正弦波。而SVPWM输出电压比SPWM高出15%，即直流电压的利用率高。

5 VVVF转速开环系统中由于本身没有自动限制起制动电流的作用，因此频率设定必须通过给定积分算法（电路）产生平缓的升速或

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降速信号；由于滑差较小时，转差频率与转矩成正比，因此控制转差频率也就间接控制了转矩，但其前提条件是保证气隙磁通不变，这可以根据图6-41的函数关系控制定子电压和频率来保证。转差频率系统可以构成双闭环系统，但还达不到直流双闭环系统，其原因是只在稳态下保证气隙磁通不变，没有控制定子电流的相位，而且存在正反馈环节也就影响控制的性能。

6 异步电动机是多变量、高阶、非线性、强耦合的系统。坐标变换是交流电机矢量控制的基础。根据磁动势或旋转磁场相等的原则，三相交流绕组可用二相交流绕组等效；3/2是三相静止坐标变成二相静止坐标，其目的是减少变量，即降阶。还可以用二相相互垂直的直流绕组旋转等效；矢量旋转变换VR是将两相静止坐标变换到二相旋转坐标系，将交流量变换到直流量，扩展了频带，提高了动态响应。二相旋转坐标系中很有用的一种是两相同步旋转坐标系DQ系，其旋转速度等于同步角速度。所以DQ系对于转子来讲按转差频率旋转。将DQ系定向到转子磁链方向，称之为MT系。也就是按转子磁链定向的旋转坐标系。这样的好处，如果保持转子磁链恒定并使之全在M轴，可将定子电流的励磁分量和转矩分量解耦，从而可以将之变成单变量系统，可单独闭环控制。而按照矢量控制方程6-135，6-136，6-137可以保证这一点。再加除法器可以将电流控制型的异步电动机分解成转速和磁通两个独立的线性子系统。其条件是式6-128，结果是6-129，式6-135，6-136构成的矢量控制方程式。反过来，根据矢量控制方程式，就可以像直流电机一样分别控制磁通和转速、电流分量来构建单闭环控制系统了，也就保证了转子磁通动态恒定并使分解到M轴上。

7 带磁链闭环和转速闭环的称为直接矢量控制，其中转子磁链计算是关键，计算模型中分为电流模型和电压模型两种。电流模型可分为两相静止坐标系和两相旋转坐标系两种，（如式6-142，143）；电压模型（式144，145）更适合于中、高速范围，电流模型适合于低速。

8磁链开环转差型矢量控制系统也称为间接矢量控制系统。因为磁链闭环的系统中，磁链计算不准确，反而不如采用磁链开环控制，这时采用转差频率式的矢量控制方程，可以构成系统。转差频率式的矢量控制系统与转差频率式的标量控制系统不同的是控制了定子电流的幅值和相位。

9 直接转矩控制系统 其特点是构成转矩和磁通闭环，采用非线性控制器构成砰砰控制器，利用转矩和磁链控制器输出的误差信号共同直接产生电压的SVPWM波形。直接转矩控制体现了人工智能的思想，又是一种查表控制。这样控制了定子磁链和转矩，可以得到较快的转矩响应。由于是在定子坐标系，所用的转矩计算模型和磁链计算模型都是在两相静止坐标系上进行的，这就避开了旋转变换，简化了系统结构。直接转矩控制低速时的转矩脉动和磁链计算误差仍是待解决的问题。直接转矩控制与矢量控制系统的初步比较见表6-1。

异步电动机双馈调速系统

1 双馈就是除了电机与交流电网直接连接外，转子侧也要与交流电网或外接电动势相连。从电路拓扑结构看，可认为是在转子绕组回路中附加一个交流电动势。在恒定负载下，转子串附加电动势与转子电动势的同相时，电机可工作在超同步状态电动或回馈制动；而反相时，电机工作在次同步状态电动或回馈制动。而在位能负载时，转子串附加电动势与转子电动势反相时，还可工作在反转倒拉制动状态。要实现回馈制动，转子变频器必须能够进行双向功率流动，转子变频器只能输出转差功率时，则只须单向变频器。 2次同步电动状态下的双馈系统称之为串级调速系统，可用交直交变频器来实现交交变频，也就转子侧为不控整流器，经过有源逆变回馈电网。可通过调节逆变角实现平滑无级调速。

由于定子侧输入有功功率，而转子侧输出有功功率，所以串调效率高。由于转差功率与转差功率成正比，使得转子变频器的容量、电压等级与调速范围成正比，因此，从经济角度出发，串级调速和双馈调速常用于有限范围调速，而很少用于全范围调速。由于转子整流器不可控，所以不能实现电气制动，只能靠负载自由停车。

3虽然回馈转差功率效率高，但同时定子侧和转子侧都要吸收无功功率，所以功率因数低。普通串级调速系统是一种高效率低功率因数的系统。而且随着转差率的增大，也就是转速的降低，功率因数也降低，逆变器相控是功率因数低的主要原因。为提高功率因数，可采取斩波器的方法来固定逆变角；还可用PWM变流器取代晶闸管逆变器；内馈就是将转差功率不是回馈电网而是直接回馈定子，这必须在定子上增设一个小功率的调节绕组，通过这个调节绕组的设计还可以抵消晶闸管逆变器电流谐波中3次和5次分量。 4 由于异步电动机折算到转子侧的漏抗值比一般整流变压器的等效漏抗大，所以转子整流电路的换相重叠现象导致了转子等效电阻加大，使得串级调速机械特性变软，最大转矩减小。串级调速如同直流电动机一样可采用双闭环结构。但其等效电动势参数不是常数，从而使得转子直流回路的时间常数和放大系数都是转速的函数，而异步电动机的机电时间常也是转速和电流的函数。这使得调节器的参数设计困难，必须采用变参数或自适应设计，才能保证在整个调速范围动态性能一致。

5 由于变频器是按有限调速范围设计的，所以变频器只能承受串调运行时的转子电动势。而起动到串调前的低转速时，转差大，转子电压高，所以一般串级调速系统不能直接起动，只能依靠频敏电阻起动到串调运行允许的最低转速才能加入串调装置。由于是有源逆

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变，所以逆变器应该先投入工作，而最后切离系统。对于有源逆变来说，最严重的故障是逆变失败导致的过电流，逆变失败的物理原因是机械能无法回馈变成电能，这其中有可能是电网瞬间停电，逆变时丢脉冲。对此，应加设瞬间停电保护措施。因此，串级调速起动和停车时开关的分合闸有严格的顺序。当转子变频器故障时，还可以切换到无调速状态即最高转速下短期运行。 同步电动机变频调速系统*

1 同步电动机变频调速属于转差功率不变型。同步电动机的矩角特性使得它不具备自起动能力，而在转子上加笼式绕组可以利用异步电动机转矩与转差成正比的特点实现异步起动。但如果转子落后的角度太大，便可能造成振荡到失步。采用VVVF可以实现同步电动机的软起动但不能完全克服振荡及失步现象。为此，必须设计给定积分器使定子频率不要变化过快。这也就间接限制了起制电流。同样，在异步电动机VVVF系统中，由于转矩与转差成正比，限制了定子频率变化率也就限制了转子转差也就间接限制了转矩即限制了起制动电流。

2 就频率控制而言，同步电动机变频调速系统可分为他控变频和自控变频两种。他控变频的特点是控制定子频率，而转子频率随之变化。换名话说，转速随着定子频率而变化，但负载较大时，转子转速可能跟不上定子频率变化，就会出现振荡或失步现象；自控变频则是利用转子位置检测器来检测转子位置和转速（频率）即转子位置的变化后控制定子的频率，使定子频率跟随转子频率变化。他控变频同步电动机系统常用的包括转速开环恒压频比控制和交交变频大型低速同步电动机调速系统及高性能的气隙磁场定向的矢量控制系统。

3自控变频同步电动机调速系统是典型的机电一体化产品。梯形波（方波）变频调速系统即无刷直流电动机变频调速系统和永磁同步电动机变频调速系统是两类重要的应用越来越广泛的自控变频同步电动机调速系统。目前，常用于中小功率的伺服系统和体积空间要求严格的独立电源供电的驱动系统如车辆和船舰。梯形波变频也称无刷直流电动机，它与永磁同步电动机一样都属于同步电动机。两个系统的主要区别在于：一方面，电机绕组设计使得气隙磁场或反电势波形不同，一个是梯形波一个是正弦波。另一方面，转子位置检测方式不同，一个离散位置检测另一个是连续位置检测。梯形波电动机如果忽略换相过程，可视为恒定电流和恒定反动势，即可等效为无刷直流电动机，可采用类似于直流电动机的方法来控制。这样控制结构简单。但由于离散位置检测检测导致开关换流时电流跳变从而导致了转矩脉动。而永磁同步电动机由于装设了昂贵的连续转子位置检测器（如旋转变压器）可实现高性能的伺服控制。由于是正弦波交流，可采用矢量控制。当按转子磁链定向，定子电流励磁分量为零时，可得到如同直流同步机一样的转矩控制特性。控制的关键在于准确检测转子的空间位置。控制系统要比异步电动机简单。因为是同步电动机，这两种电动机的起动都是一个特殊问题。常规永磁电动机的最大局限是很难实施弱磁控制，只能在基速下调速。只有专门设计的电动机称之为IPM同步电动机，可以实现基速以上的恒功率运行。

直流调速系统

一 判断题

1弱磁控制时直流电动机的电磁转矩属于恒功率性质只能拖动恒功率负载而不能拖动恒转矩负载。（Ⅹ） 2采用光电式旋转编码器的数字测速方法中，M法适用于测高速，T法适用于测低速。（√） 3只有一组桥式晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统在位能式负载下能实现制动。（√） 4直流电动机变压调速和弱磁调速都可做到无级调速。（√） 5静差率和机械特性硬度是一回事。（ Ⅹ ）

6带电流截止负反馈的转速闭环系统不是单闭环系统。 （ Ⅹ ） （√）

8双闭环调速系统在起动过程中，速度调节器总是处于饱和状态。 （ Ⅹ ） 9逻辑无环流可逆调速系统任何时候都不会出现两组晶闸管同时封锁的情况。（Ⅹ） 10可逆脉宽调速系统中电动机的转动方向（正或反）由驱动脉冲的宽窄决定。（√） 11双闭环可逆系统中，电流调节器的作用之一是对负载扰动起抗扰作用。 （Ⅹ） 与开环系统相比，单闭环调速系统的稳态速降减小了。 （ Ⅹ ）

12α=β配合工作制的可逆调速系统的制动过程分为本组逆变和它组制动两阶段（√） 13转速电流双闭环速度控制系统中转速调节为PID调节器时转速总有超调。（Ⅹ） 14 电压闭环相当于电流变化率闭环。（√） 15 闭环系统可以改造控制对象。（√）

7电流—转速双闭环无静差可逆调速系统稳态时控制电压Uk的大小并非仅取决于速度给定 Ug* 的大小。

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16闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系，即静特性，它在形式上与开环机械特性相似，但本质上却有很大的不同。 17直流电动机弱磁升速的前提条件是恒定电动势反电势不变。（√） 18 直流电动机弱磁升速的前提条件是恒定电枢电压不变。（Ⅹ）

19电压闭环会给闭环系统带来谐波干扰，严重时会造成系统振荡。（√） 20对电网电压波动来说，电压环比电流环更快。（√）

二 选择题

1直流双闭环调速系统中出现电源电压波动和负载转矩波动时，（ A）。 A ACR抑制电网电压波动，ASR抑制转矩波动 B ACR抑制转矩波动，ASR抑制电压波动 C ACR 放大转矩波动，ASR抑制电压波动 D ACR放大电网电压波动，ASR抑制转矩波动

2桥式可逆PWM变换器给直流电动机供电时采用双极性控制方式，其输出平均电压Ud等于（B）。

A Ud C Ud

3与机组相比，相控整流方式的优点是（A、B、C、D ），缺点是（ E、F ）。

A 功率放大倍数小于1000倍 B 可逆运行容易实现 C 控制作用的快速性是毫秒级 D 占地面积小，噪音小 E 高次谐波丰富 F 高速时功率因数低 4系统的静态速降△ned一定时，静差率S越小，则（ ）。

A 调速范围D越小 B 额定转速ned越大 C 调速范围D越大 D 额定转速ned越大

5当理想空载转速n0相同时，闭环系统的静差率sb与开环下的sk之比为（ D ）。

A 1 B 0 （K为开环放大倍数）

ton

2t

1 Us B Ud on 1 Us T T

tonT

Us D Ud

2tonT

Us

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C 1+K D 1/（1+K） 6速度单闭环系统中，不能抑制（ D ）的扰动。

A 调节器放大倍数 B 电网电压波动 C 负载 D 测速机励磁电流

7转速—电流双闭环不可逆系统正常稳定运转后，发现原定正向与机械要求的正方向相反，需改变电机运行方向。此时不应（ C ）。 A 调换磁场接线 B 调换电枢接线

C 同时调换磁埸和电枢接线 D 同时调换磁埸和测速发电机接线 8一个设计较好的双闭环调速系统在稳态工作时（ C ）。

A 两个调节器都饱和 B 两个调节器都不饱和 C ST饱和，LT不饱和 D ST不饱和，LT饱和 9α＝β配合控制有环流可逆调速系统的主回路中（D ）

A既有直流环流又有脉动环流 B有直流环流但无脉动环流 C既无直流环流又无脉动环流 D 无直流环流但有脉动环流

10普通逻辑无环流（既无推β又无准备）可逆调速系统中换向时待工作组投入工作时，电动机处于（ B ）状态。

Ａ 回馈制动 Ｂ 反接制动 Ｃ 能耗制动 Ｄ 自由停车

11双闭环直流调速系统电流环调试时，如果励磁电源合闸，电枢回路亦同时通电，给定 由ACR输入端加入且产生恒定的额定电流，则 （ ）。（假定电机不带机械负载）

Ａ 电机会稳定运转 Ｂ 电机不会运转 Ｃ 电机会加速到最高转速 Ｄ过流跳闸 12速度单闭环系统中，不能抑制（ ）的扰动。

A 调节器放大倍数 B 电网电压波动 C 负载 D 测速机励磁电流

13 α＝β配合控制有环流可逆调速系统的主回路采用反并联接线，除平波电抗器外，还需要（ ）个环流电抗器。

A 2 B 3 C 4 D 1

14 转速PID调节器的双闭环系统与转速PI调节器的双闭环系统相比，（C） A 抗负载干扰能力弱 B 动态速降增大

C 恢复时间延长 D 抗电网电压扰动能力增强 15 输入为零时输出也为零的调节器是

A P调节器 B I调节器 C PI调节器 D PID 调节器 16 下列电动机哪个环节是比例惯性环节 A

Ud(s)n(s)

B

Ud(s)I(s)

C

Id(s)Ud(s) E(s)

D

E(s)Id(s) Ifz(s)

17 直流电动反并联晶闸管整流电源供电的可逆调速系统给定为零时，主要停车过程是 A本桥逆变，回馈制动 B 它桥整流，反接制动 C它桥逆变，回馈制动 D 自由停车

18直流电动一组晶闸管整流电源供电的不可逆调速系统给定为零时，主要停车过程是 A本桥逆变，回馈制动 B 它桥整流，反接制动 C它桥逆变，回馈制动 D 自由停车

三 填空题

1如图，埸效应管VT5的作用是零速封锁即在给定为零且反馈为零使调节器输出为零，以防止由于PI中由于积分作用输出不为零，使得移相控制角可能处于最小，出现全压启动导致过电流故障。电位器RP1可调整输出正限幅值，RP2可调整输出负限幅。C11是积分电容，C5和R9接入速度反馈构成微分调节器。C6、C7是输入滤波电容。

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2电流断续时KZ—D相当于电枢

回路的电阻值增大。

4 脉宽调速系统中，开关频率越高，电流脉动越小，转速波动越小，动态开关损耗越大。

5 采用转速—电流双闭环系统能使电动机按允许的最大加速度起动，缩短起动时间。

7 典型I型系统的超调量比典型II型系统小，抗扰动性能比典型II型系统差。 8下图为单闭环转速控制系统。

解：

(1)图中V是 晶闸管整流器；

(2)图中Ld是平波电抗器 ，它的作用是 抑制电流脉动和保证最小续流电流 ；

(3)图中采用的是PI即比例积分调节器，它的主要作用是 保证动静态性能满足系统要求； (4)此系统主电路由 三 相交流电供电； (5)此系统具有 转速（速度） 负反馈环节； (6)改变转速，应调节___RP1__电位器；

(7)整定额定转速1500转/分，对应8V，应调节_RP2_电位器； (8)系统的输出量(或被控制量)是_转速_。

四 分析与计算题

1如下图，转速、电流双闭环调速系统中，ASR、ACR均采用PI调节器。已知参数：电动机：PN 3.7KW，UN 220V，IN 20A，

nN 1000r/min，电枢回路总电阻R 1.5 ，设U

*

nm

Uim 10V，电枢回路最大电流为Idm 30A，电力电子变换器的放

*

大系数Ks 40。 试求：

（1） （2）

电流反馈系数 和转速反馈系数 ；（5分）

突增负载后又进入稳定运行状态，则ACR的输出电压Uc、变流装置输

出电压Ud，电动机转速n，较之负载变化前是增加、减少，还是不变？为什么？（5分） （3）

参数？（5分）

（4）

若要改变系统起动电流应调节什

*

如果速度给定Un不变时，要改变系统的转速，可调节什么

*

么参数？此时，设Un为正电压信号，在右图ASR中应调节中哪个电位器？（5分）

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（5） 当电动机在最高转速发生堵转时

的Ud,Ui*,Ui,Uc值；（10分）

UnnUimIdm

**

Unmnm1030

*

101000

0.01V/rpm

解：(1)

0.33V/A

评分标准：各2.5分，公式对数值结果错扣1分，量纲错扣0.5分，公式错不给分。

TL IdL Uc Un c,n c

*

Cen ILR

Ks

(2)

CeUn IdLR

Ks

*

Ud KsUc

(3) 因为U

*

n

Un n,n

Un

*

,所以调节 可以改变转速n。

**

(4)因为Ui* Ui Id，起动时转速调节器ASR饱和，输出限幅值Uim Idm，所以改变ASR限幅值可以改变起动电流Idm，Un为

正时，起动时ASR输出为负，所以应调节RP5来改变起动电流。不能改变电流反馈系数，因为它还影响电流环的动特性。 (5)

Un Un n

Un 10V,Un 0V,|Ui| |Ui| 10V,Ud IdmR 30 1.5 45V,Uc

UdKs

Cen IdR

Ks

IdlRKs

30 1.540

1.13V

*

*

*

评分标准：分析出起动ASR饱和，结果全对，满分；没有分析出起动ASR饱和，没写公式扣3分，其它扣4-5分。 2双闭环调速系统中如反馈断线会出现什么情况，正反馈会出什么情况？

答：反馈断线后，Un 0，ASR 饱和，输出为限幅值，转速环开环，相当于堵转，电流给定为ASR的输出最大值，电流闭环，按最大电流值恒流加速，转速上升，但由于转速反馈断线，触发移相控制电压增大到极限，触发角最小移至 min，转速达到最高值。

n

Ud IdlR

Ce

Ud0cos min IdlR

Ce

，同样，正反馈时，也是一样。

五（10分）

下图所示为控制系统实验装置中的过流保护单元电路原理图，试简述其工作原理。

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解： 当主电路电流超过某一数值后(2A左右)，由9R3，9R2上取得的过流信号电压超过运算放大器的反向输入端，使D触发器的输出为高电平，使晶体三极管V由截止变为导通，结果使继电器K的线圈得电，继电器K由释放变为吸引，它的常闭触点接在主回路接触器的线圈回路中，使接触器释放，断开主电路。并使发光二极管亮，作为过流信号指示，告诉操作者已经过流跳闸。

SA为解除记忆的复位按钮，当过流动作后，如过流故障已经排除，则须按下以解除记忆，恢复正常工作。

六 设计题

1校正为典型I型系统的几种调节器选择

校正为典型II型系统的几种调节器选择

2已知控制对象开环传递函数G(s)

K2

(T1s 1)(T2s 1)

,T2 T1，试加入串联调节器Wc(s)将其校正为开环典型I型系统，并求调节

Wc(s)G(s) Wob(s)

Ks(Ts 1)K2

Wc(s)

K

K2

(T1s 1)(T2s 1)

器结构和参数 （15分）Wc(s)

Ks(Ts 1)

(T1s 1)(T2s 1)

s 1

pi

s

T2 T1 s 1 T2s 1, T2

Wob(s)

1s(T1s 1)

K2Kpi

K2K

pi

KT K

K2K

pi

2T1K2

T

T2

T1

12

pi

2T1K2

所以，调节器的结构为PI调节器，参数如上式。

评分标准 写出结构为PI，并计算参数 ,Kpi给全分；如只计算 ，而没有计算Kpi扣5分；如将 T1写错者，扣2分；没写出结构，扣5分。

3写出下图电路的传递函数。

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UcR1U

R

UR

R

1CS

CS

RCS 11

U

R

UC

RCS 1

RCSR1，T

R1

TS 1TS

KP

TS 1TS

KP

1

R1

RC

4计算电机空载时恒流升速到额定转速时间

Te t

GD375

2

2

nNt

GDR375cecm

2

2

GD375

nNTe

ce nN

IN

Tm/R

CenN

IN

五 证明题（10分）

定义 调速范围D

试证明 （1）D

nNs nN(1 s)nmaxnmin

，静差率S

nNn0

，而最高转速nmax nN（额定转速）

（5分）

（2）单转速闭环系统稳态结构如左图所示，如所要求的开环靜差率sk与闭环靜差率sp相等，即sk sp，而闭环调速范围为DCL，开环调速范围为DOP。 试证明 DCL (1 K)DOP，式中K 证：1S

nNn0

nNnmin nN

KpKs Ce

（5分）

nmin D

nNS

nN nNnmin

(1 S)SnNS

nN

nmaxnmin

nN(1 S)

证毕。

RI

d

nk

2

np

Ce nk1 K

Dk Dp

nNSk nk(1 Sk)

nNSp

Sp Sk DkDp

np nk

11 K

np(1 Sp)D (1 K)D

pp

证毕。

RI

d

nk np

Ce nk1 K

Dk Dp

nNSk nk(1 Sk)

nNSp

Sp Sk DkDp

np nk

11 K

np(1 Sp)D (1 K)Dpp

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试证明 （1）S

nND

nN nND

（5分）

（2）单转速闭环系统稳态结构如左图所示，假定开环理想空载转速n0k与闭环理想空载转速n0p相等，即n0k n0p，

试证明 开环静差率Sk (1 K)Sp（Sp为开环静差率），式中K 证：1S

nNn0

nNnmin nN

KpKs Ce

（5分）

nmin D

nNS

nN nNnmin

(1 S)SnNS

nN

nmaxnmin

nN(1 S)

S

nND

nN nND

证毕。

nk

RI

d

2

np

Ce nk1 K

n0k n0p

Sk

nkn0k

,Sp

npnop

Sk (1 K)Sp

交流调速系统

一 判断题

1交—交变频器的输出频率低于输入频率。（√） 2普通VVVF变频器可以直接突加转速给定起动。（Ⅹ）

3转差频率控制的转速闭环异步电动机变频调速系统实际动静态性能达到直流双闭环调速系统的水平。（Ⅹ） 4 SVPWM控制方法的直流电压利用率比一般SPWM提高了15%。（√） 5串级调速系统的容量随着调速范围的增大而下降。（Ⅹ） 6交流调压调速系统属于转差功率回馈型交流调速系统。（Ⅹ）

7普通串级调速系统是一类高功率因数低效率的仅具有限调速范围的转子变频调速系统。（√） 8永磁同步电动机自控变频调速中，需增设位置检测装置保证转子转速与供电频率同步。（√） 9交流调压调速系统属于转差功率不变型交流调速系统。（Ⅹ）

10同步电动机只需改变定子频率就可调节转速，不必采用VVVF控制。（Ⅹ） 11SVPWM以圆形旋转磁场为控制目标，而SPWM以正弦电压为控制目标。（√） 12SVPWM输出电压比SPWM高出15%，即直流电压的利用率高。（√） 串级调速系统能够实现电气制动。（Ⅹ）

13 转差频率矢量控制系统没有转子磁链闭环。（Ⅹ） 14异步电动机的状态方程至少是一个5阶系统。（√）

15 异步电动机VVVF调速系统中速度给定信号可以是阶跃信号。（Ⅹ） 16气隙磁链是定子、转子通过气隙相互交链的那部分磁链。（√）

计算转子磁链的电压模型更适合于中、高速范围，而电流模型能适应低速。 17 在串级调速系统故障时，可短接转子在额定转速下运行，可靠高。（√） 二 选择题

1带二极管整流器的SPWM变频器是以正弦波为逆变器输出波形，是一系列 的 （A）矩形波。 A 幅值不变，宽度可变 B 幅值可变，宽度不变

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C 幅值不变，宽度不变 D 幅值可变，宽度可变

2绕线式异步电动机双馈调速，如原处于低同步电动运行，在转子侧加入与转子反电动势相位相同的反电动势，而负载为恒转矩负载，则（B）

A 0 S 1，输出功率低于输入功率 B S 0，输出功率高于输入功率 C 0 S 1，输出功率高于输入功率 D S 0，输出功率低于输入功率 3普通串级调速系统中，逆变角 ，则（C）。

A 转速上升，功率因数下降 B 转速下降，功率因数上升 C 转速上升，功率因数上升 D 转速下降，功率因数下降

4绕线式异步电动机双馈调速，如原处于低同步电动运行，在转子侧加入与转子反电动势相位相同的反电动势，而负载为恒转矩负载，则（C）

Ａn n1，输出功率低于输入功率 B n n1，输出功率高于输入功率 Cn n1，输出功率高于输入功率 D n n1，输出功率低于输入功率 （注：n为电动机实际转速，n1为电动机同步转速） 5与矢量控制相比，直接转矩控制（D）

A 调速范围宽 B 控制性能受转子参数影响大 C 计算复杂 D 控制结构简单 6异步电动机VVVF调速系统的机械特性最好的是（C） A恒U11控制 B恒Eg1控制 C恒Er1控制 D 恒I11控制 7异步电动机VVVF调速系统中低频电压补偿的目的是

A 补偿定子电阻压降 B 补偿定子电阻和漏抗压降 C 补偿转子电阻压降 D 补偿转子电阻和漏抗压降 8异步电动机VVVF调速系统的机械特性最好的是（D）

A恒压频比控制B恒定子磁通控制C恒气隙磁通控制D恒转子磁通控制 9电流跟踪PWM控制时，当环宽选得较大时，

A开关频率高，B电流波形失真小 C电流谐波分量高 D电流跟踪精度高

三 填空题（10分）

下图为异步电动机矢量控制原理结构图，A，B，C，D分别为坐标变换模块，请指出它们分别表示什么变换？（8分）这些变换的等效原则是什么（2分）？

1

解：B 二相静止坐标变成三相静止坐标变换

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C 三相静止坐标系变成二相静止坐标变换

D 矢量旋转变换 VR，将二相静止坐标下的互相垂直的交流信号变换成二相旋转的互相垂直的直流信号。 等效变换的原则是旋转磁场等效或磁动势等效

下图为异步电动机矢量变换与电流解耦数学模型，A，B分别为坐标变换模块，请指出它们分别表示什么变换？（8分）这些变换的等效原则是什么（2分）？

解： A三相静止坐标系变成

二相静止坐标变换 B矢量旋转变换 VR将二相静止坐标下的互相垂直的交流信号变换成二相旋转的互相垂直的直流信号。其等效变换的原则是旋转磁场等效或磁动势等效。

四设计题

间接检测 s的方法有两种，即电流模型法与电压模型法。 计算转子磁链的电流模型

1在αβ坐标系上计算转子磁链的电流模型

d d

r

dt

r

1Tr1Tr

r r r r

LmTrLmTr

is is

dt

在mt坐标系上计算转子磁链的电流模型

d dt

r

1Tr

r

ist

r

LmTr

ism

1

LmTr

2.在αβ坐标系上计算转子磁链的电压模型

r r

LrLmLrLm

[ (us Rsis )dt Lsis ][ (us Rsis )dt Lsis ]

3定子磁链计算模型

右图为异步电动机直接转矩控制的原理框图。

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us Rsis p us Rsis p

s s

，式中p

ddt

假定已经检测到的三相电压uA,uB,uc和三相电流

iA,iB,iC，试根据上式画出计算定子磁链 s（即右图中的 1）的模型方框图。

解：

4定子转矩计算模型

T np(is

s

is

s

)

五 简述题

下图为调速范围D≤3的串级调速系统主回路单线原理框图，试说明起动时各电器开关正确的合闸顺序和停机时的分闸顺序，并说明理由。（15分）

间接起动操作顺序

1.先合上装置电源总开关S，使逆变器在 min 下等待 工作。

2.然后依次接通接触器K1 ，接入起动电阻R , 再接通 K0 ，把电机定子回路与电网接通，电动机便以转子 串电阻的方式起动。

3.待起动到所设计的nmin（smax）时接通K2 ，使电动 机转子接到串级调速装置，然后断开K1 , 切断起动电阻， 此后电动机就可以串级调速方式继续加速到所需的转速运行。 停车操作顺序

1.由于串级调速没有制动能力，应先将转速降至nmin , 再合上K1 ，然后断开K2 ，使电动机转子回路与串级调速装置脱离； 2.最后断开K0 ，以防止当K0断开时在转子侧感生断闸高电压而损坏整流器与逆变器。 1-10 有一V-M调速系统，电动机参数为：

PN 2.2KW,UN 220V,IN 12,5A,nN 1500r/min,Rs 1.2 ,RREC 1.5 ,kS 35,要求：（1）计算开环速

降和调速要求所允许的闭环速降。

（2）采用转速负反馈组成闭环系统，试画出系统的原理图和静态结构框图。 （3）调速该系统参数，当Un 15V,Id IN,n nN计算转速反馈系数。 （4）计算放大器所需的放大倍数。 原理图见p26 图2-18，静态结构图为图2-19 Ce

*

UN IdNRs

nN

220 12.5 1.2

1500

0.1367V/rpm

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1

nop

IdNR Ce

12.5 (1.2 1.5)

0.1367

246.89rpm

D

nNs nN(1 s)

nNsD(1 s)

1500 0.120 (1 0.1)

8.33rpm

ncl

*

Un nN

3

UnnN

*

151500

0.01v/rpm

nop (1 k) ncl

k

nop nclKC

1

e

246.898.33

1 28.64

11.19

Kp

Ks

28.64 0.136735 0.01

1—11 在题1-10的转速负反馈系统中增设电流截止环节，要求堵转电流2倍额定电流，临界截止电流1.2倍额定电流，应该选用多大的比较电压和电流反馈采样电阻？要求电流反馈采样电阻不超过主电路总电阻的1/3，如果做不到，需要增加电流反馈放大器，试画出系统的原理图和静态结构框图，并计算电流反馈放大系数。这时电流反馈采样电阻和比较电压各为多少？ 注意：根据图2-39，在电流截止点有：IdcrRs Ucom 0 根据图2-41，在电机堵转时有式2-96，及2-97成立。