电机控制常见面试问题（十一）

一.PI控制器如何进行离散化

在将PI控制器离散化时，核心目标是将连续时间的比例（P）和积分（I）运算转换为适合数字系统的离散形式。通常采用以下步骤：​首先确定采样周期Ts，随后通过离散化方法近似积分和微分环节。对于积分项，常用累加法实现，即将连续积分∫e(t)dt近似为离散累加∑e(k)*Ts（k为采样点），从而将Ki离散化为Ki_d=Ki/Ts；比例项Kp可直接保留或通过一阶泰勒展开修正为Kp_d≈Kp(1+Ts/2)，以补偿采样延迟。此外，也可结合前向欧拉法离散化微分方程，或采用零阶保持器处理输入信号。
​调整积分增益以匹配采样频率。需注意，​采样周期Ts的选择直接影响控制性能和稳定性，过大的Ts可能导致振荡，而过小则增加计算负担。最终需通过仿真或实验验证离散化后控制器的动态响应是否符合要求。

离散化关键步骤：

典型离散化公式：

二.谈谈电机发电

为什么需要研究电机发电？
​1. 实际应用场景
​电动汽车再生制动：
当电动车下坡或刹车时，电机被车轮反拖加速旋转（转速 > 额定转速），进入发电模式，将动能转化为电能回馈电池。
​意义：
​节能：减少电池消耗，延长续航里程（实测可提升15%~30%）。
​效率优化：能量回收系统可使整车能效从70%提升至90%。

​2. 系统设计的必要性
​保护硬件：
若不设计再生制动，电机在反拖时可能因电流反向导致：
电源电压被抬升，击穿电容或损坏IGBT。
电机绕组过热，绝缘层老化。
​控制精度：
在机器人关节控制中，再生制动可实现精准减速​（如机械臂抓取物体时缓慢停止，避免碰撞）。

当负载机械能拖动电机超过额定转速时，电机进入发电模式，反电动势（EMF）电压高于电源电压，导致电流反向流动，​电能回馈母线，使电压升高

三.谈谈发电机控制

1.发电机为什么能发电？

法拉第电磁感应定律:变化的磁场会使导体产生电流

2.如何控制发电机的输出？——电压和频率

​1. 为什么需要控制电压？
​问题：如果发电机转得快，电压会过高；转得慢，电压会过低。就像自行车蹬得快，速度越快一样。
​解决方案：用励磁系统调节磁场强度。
​励磁系统：给转子线圈或磁铁供电，控制磁场的大小。
​比喻：励磁系统就像汽车的油门，踩油门（增加励磁电流）→ 发电机“跑得更快”（电压升高）。
​2. 如何控制频率？
​问题：如果发电机和电网的转速不一致（比如一个50Hz，另一个60Hz），并网时会“打架”。
​解决方案：用调速器控制原动机（如柴油机）的转速。
​调速器原理：检测发电机输出频率，自动调节柴油机油门。
​比喻：调速器就像司机的脚刹和油门，保持车速稳定（频率稳定）。

3.励磁系统的两种主流方案

​方案1：交流励磁机+整流器
​结构：
​交流励磁机：一个小发电机，由主发电机的轴带动旋转，产生交流电。
​旋转二极管：把交流电变成直流电，供给主发电机的转子线圈。
​工作流程：
主发电机转动 → 带动励磁机发电 → 二极管整流 → 直流电励磁转子 → 主发电机输出稳定电压
​优点：结构简单、成本低，适合小功率发电机（比如家用的10kW以下）。
​缺点：反应慢（比如突然停电再启动时，电压恢复需要几秒钟）。
​方案2：静止励磁系统（SES）​
​结构：
​IGBT模块：用电力电子器件（类似开关）整流和逆变。
​控制器：电脑芯片实时调节电流。
​工作流程
市电 → IGBT整流 → 直流 → IGBT逆变 → 可调频率的交流电 → 励磁转子
​优点：反应极快（毫秒级），适合大型发电机（比如电厂的100MW机组）。
​缺点：成本高，需要散热设备（因为IGBT工作时会发热）。

4.并网

保证发电机和电网的电压，频率，相位相同。

5.总结

核心公式​：
电压∝磁场强度×转速
频率∝转速
发电机控制 = 油门（调速器）控制转速 + 油量（励磁系统）控制电压 + 同步器确保“握手”成功

四.谈谈整流

1.整流的基本原理

​半导体的单向导电性
二极管：仅允许电流从阳极流向阴极，阻止反向电流。
晶闸管：通过门极信号控制导通，适用于大功率场景。

二极管与晶闸管对比
二极管：由PN结组成的单向导电器件，仅允许电流从阳极流向阴极，反向截止。其导通由PN结的内建电场决定，无法主动控制。
​晶闸管​：由P-N-P-N四层半导体构成的三端可控器件​（阳极A、阴极K、门极G）。通过门极小电流即可触发晶闸管导通，形成正反馈机制，导通后无需持续门极信号，但需反向电流或断电才能关断

​关键波形变化
输入：交流电（正负交替的波形）。
输出：脉动直流电（仅保留部分波形，方向固定）。

2.常见整流电路类型

3.整流的核心作用

​供电系统适配
例如：将市电（220V AC）转换为电子设备所需的5V/12V DC。

​电机驱动
在直流电机或变频器中，整流电路为电机提供稳定的直流电源。

​电力电子装置
如逆变器、充电器、UPS等均依赖整流作为前级电路。

4.现代整流技术

​高频整流
使用PWM（脉宽调制）技术提高频率，减小滤波电容体积，提升效率。
应用于笔记本电脑电源、LED驱动。

​软开关整流
通过谐振技术降低开关损耗，提升大功率场景（如数据中心电源）的能效。

​集成化模块
如整流桥模块​（如DB107），将多个二极管封装一体，简化设计。

五.常见拓扑结构的基本原理及应用解析

1.DC-DC转换器

2.AC-DC转换器

3.逆变器（DC-AC转换器）

4.其他关键拓扑

对比：

5.实际挑战与解决方案

​电磁干扰（EMI）​：
​问题：开关器件高频动作产生噪声。
​解决：加入磁环滤波器、优化PCB布局、使用软开关技术（如ZVS/ZCS）。
​热管理：
​问题：大电流导致器件过热。
​解决：并联MOSFET、使用SiC/GaN宽禁带半导体、增加散热片。
​动态响应：
​问题：负载突变时输出电压波动。
​解决：引入反馈环路（如PI控制）、采用数字信号处理器（DSP）优化控制算法。