第一篇：機電一體化系統設計試題_1答案

習題一答案

1、什么是機電一體化？

機電一體化技術綜合應用了機械技術、微電子技術、信息處理技術、自動控制技術、檢測技術、電力電子技術、接口技術及系統總體技術等群體技術，在高質量、高精度、高可靠性、低能耗意義上實現多種技術功能復合的最佳功能價值的系統工程技術。

2、什么是機電一體化的變參數設計？

在設計方案和結構原理不變的情況下，僅改變部分結構尺寸和性能參數，使之適用范圍發生變化的設計方式。例如，同一種產品不同規格型號的相同設計。1-

3、機電一體化技術與傳統機電技術的區別。

傳統機電技術的操作控制主要以電磁學原理的各種電器來實現，如繼電器、接觸器等，在設計中不考慮或很少考慮彼此間的內在聯系。機械本體和電氣驅動界限分明，整個裝置是剛性的，不涉及軟件和計算機控制。機電一體化技術以計算機為控制中心，在設計過程中強調機械部件和電器部件間的相互作用和影響，整個裝置在計算機控制下具有一定的智能性。

4、試分析機電一體化技術的組成及相關關系。

機電一體化系統是多學科技術的綜合應用，是技術密集型的系統工程。其技術組成包括：機械技術、檢測技術、伺服傳動技術、計算機與信息處理技術、自動控制技術和系統總體技術等。現代的機電一體化產品甚至還包含了光、聲、化學、生物等技術等應用。

5、一個典型的機電一體化系統，應包含哪些幾個基本要素？

機電一體化系統，應包含以下幾個基本要素：機械本體、動力與驅動部分、執行機構、傳感測試部分、控制及信息處理部分。我們將這些部分歸納為：結構組成要素、動力組成要素、運動組成要素、感知組成要素、智能組成要素；這些組成要素內部及其之間，形成通過接口耦合來實現運動傳遞、信息控制、能量轉換等有機融合的一個完整系統。

6、試簡述機電一體化系統的設計方法。

機電一體化系統的設計過程中，一直要堅持貫徹機電一體化技術的系統思維方法，要從系統整體的角度出發分析研究各個組成要素間的有機聯系，從而確定系統各環節的設計方法，并用自動控制理論的相關手段，進行系統的靜態特性和動態特性分析，實現機電一體化系統的優化設計。

7、機電一體化系統（產品）開發的類型。

機電一體化系統（產品）開發的類型依據該系統與相關產品比較的新穎程度和技術獨創性，可分為開發性設計、適應性設計和變參數設計。

8、機電一體化的智能化趨勢體現在哪些方面。

（1）診斷過程的智能化、（2）人一機接口的智能化、（3）自動編程的智能化、（4）加工過程的智能化

9、機電一體化的發展趨勢體現在哪些方面。

高性能、智能化、系統化以及輕量、微型化方向發展

10、機電一體化系統中的接口的作用。

接口主要完成電平轉換、信號隔離、放大、濾波、速度匹配等

11、為什么說機電一體化技術是其它技術發展的基礎？舉例說明。

機電一體化技術是其他高新技術發展的基礎，機電一體化的發展依賴于其他相關技術的發展，可以預料，隨著信息技術、材料技術、生物技術等新興學科的高速發展，在數控機床、機器人、微型機械、家用智能設備、醫療設備、現代制造系統等產品及領域，機電一體化技術將得到更加蓬勃的發展。

12、試分析機電一體化系統設計與傳統的機電產品設計的區別。

機電一體化系統設計方法與用經驗公式、圖表和手冊為設計依據的傳統方法不同，它是以計算機為手段，其設計步驟通常如下：設計預測一→信號分析一→科學類比一→系統分析設計一→創造設計一→選擇各種具體的現代設計方法（如相似設計法、模擬設計法、有限元法、可靠性設計法、動態分析法、優化設計法、模糊設計法等）一→機電一體化系統設計質量的綜合評價

13、試簡述機電一體化技術與并行工程的區別。

機電一體化技術將機械技術、微電子技術、計算機技術、控制技術和檢測技術在設計和制造階段就有機結合在一起，十分注意機械和其他部件之間的相互作用。而并行工程是將上述各種技術盡量在各自范圍內齊頭并進，只在不同技術內部進行設計制造，最后通過簡單疊加完成整體裝置。

14、機電一體化技術與自動控制技術的區別。

自動控制技術的側重點是討論控制原理、控制規律、分析方法和自動系統的構造等。機電一體化技術是將自動控制原理及方法作為重要支撐技術，將自控部件作為重要控制部件。它應用自控原理和方法，對機電一體化裝置進行系統分析和性能測算。1-

15、試分析家用洗衣機脫水系統的工作原理，如何體現機電一體化技術的。

16、機電一體化技術與計算機應用技術的區別。

機電一體化技術只是將計算機作為核心部件應用，目的是提高和改善系統性能。計算機在機電一體化系統中的應用僅僅是計算機應用技術中一部分，它還可以作為辦公、管理及圖象處理等廣泛應用。機電一體化技術研究的是機電一體化系統，而不是計算機應用本身。

17、試簡述機電一體化系統的設計步驟。

計步驟通常如下：設計預測一→信號分析一→科學類比一→系統分析設計一→創造設計一→選擇各種具體的現代設計方法（如相似設計法、模擬設計法、有限元法、可靠性設計法、動態分析法、優化設計法、模糊設計法等）一→機電一體化系統設計質量的綜合評價。

18、試分析機電一體化技術在打印機中的應用。

打印機是典型的光機電一體化產品，材料、電子、光學、機械等領域的新技術都會很快地反映在打印機產品中，并推動打印機向自動化、人性化、多樣化及更好地滿足用戶多種需求的方向發展。平推式走紙通道技術減少了由于紙張彎曲、卡紙造成的打印偏差，也使打印存折等復雜介質成為可能；平推式走紙還使紙張的進退紙速度加快，提高了柜臺業務處理速度；而利用傳感器 判斷紙張邊界的紙張定位技術使打印內容的定位更加準確，使用戶只需將紙張放入打印機即可，不必再調整紙張進紙位置——這些技術促進了平推式票據打印機的發展。

引入LCD顯示技術使打印機面板不再單調，液晶屏可以顯示打印機狀態、版本信息等內容，便于進行參數設置，使人機交流更加輕松，操作更加簡單；Flash下載技術使打印機可以直接通過主機下載升級程序，改變了以往需要專業工程師拆機更換芯片的麻煩，升級更加方便、快捷，甚至用戶都可以自己動手過一把“下載升級”的癮；一些打印機廠商還根據用戶的需要開發出了雙用戶模式，使打印機可以同時使用串口和并口進行打印，達到一機多用、一機多聯的功能；部分高檔的存折打印機還配備有磁條讀寫模塊，使打印機不僅能夠打印，還具有自動讀取存折磁條信息的功能——存折進入打印機后，讀寫磁條信息、打印存折內容一氣呵成，使柜臺打印業務處理更高效，且保密性更好。

借助磁碼打印技術（需特殊色帶和打印裝置）可使打印輸出既具有可讀性，又具有防偽、機讀等特性，加強了系統的安全性、保密性、高效性。

安裝了網卡的打印機可以實現多機共享、遠程控制、遠程管理、遠程診斷功能；安裝了無線網卡就可實現無線操作；再加上自動翻頁裝置就可實現自助補登功能。

安裝了掃描頭的打印機可以同時進行掃描工作，使打印機具有了輸入設備的功能，而配備IC卡讀寫器的打印機還可以同時進行IC卡的讀寫工作，這就大大節省了柜臺的寶貴空間。

19、如何保證機電一體化系統的高性能？

高性能化一般包含高速化、高精度、高效率和高可靠性。

1-20、列舉各行業機電一體化產品的應用實例，并分析各產品中相關技術應用情況。

見題15、18題

第二篇：機電一體化系統設計(試題和答案)

一、填空題1．滾珠絲桿中滾珠的循環方式有、兩種。2．機電一體化系統，設計指標和評價標準應包括、、、3．在伺服系統中，在滿足系統工作要求的情況下，首先應保證系統的，并盡量高伺服系統的響應速度。

4．.實現步進電動機通電環形分配的三種常用方法是、、。5．抑制電磁干擾的常用方法有屏蔽、、、、合理布局和軟件抗干擾技術。6．機電一體化系統一般由______________、_____________、接口、__________________、_____________、______________等部分組成。

7．機電一體化系統（產品）設計類型大致可分為________________、適應性設計、________________。

二、簡答題

1、機電一體化系統中的計算機接口電路通常使用光電耦合器，光電耦合器的作用有哪些？

2、什么是三相六拍通電方式？

3、簡述PWM脈寬調速原理。

4、簡述香農采樣定理。

5、什么叫傳感器？它是由哪幾部分組成的？

6、步進電動機常用驅動電路中功率放大電路有哪幾種類型?

三、計算題（共20分）（將本題答案寫在答題紙上）

（一）、（10分）三相變磁阻式步進電動機，轉子齒數Z=100,雙拍制通電，要求電動機轉速為120r/min，輸入脈沖頻率為多少?步距角為多少?

（二）、(10分)光柵傳感器，刻線數為100線/mm，設細分時測得莫爾條紋數為400，試計算光柵位 移是多少毫米？若經四倍細分后，記數脈沖仍為400，則光柵此時的位移是多少？測量分辨率是多少？

四、綜合分析題（共30分）

（一）、分析、說明如圖所示計算機控制系統中信號變換與傳輸的過程、原理。

（二）、伺服控制系統一般包括哪幾個部分？每部分能實現何種功能？

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一、填空題（每空1分，共20分）

1、內循環、外循環

2、性能指標

系統功能

使用條件

經濟效益

3、穩定性4、1）采用計算機軟件分配器

2）小規模集成電路搭接的硬件分配器

3）專用模塊分配器

5、隔離

濾波 接地

6、機械本體 動力與驅動

執行機構

傳感器檢測部分

控制及處理部分

7、開發性設計

變參數設計

二、簡答（每題5分，共30分）

1.（1）能保護系統元件不受高共模電壓的損害，防止高壓對低壓信號系統的損壞。（2）泄漏電流低，對于測量放大器的輸入端無須提供偏流返回通路。

（3）共模抑制比高，能對直流和低頻信號(電壓或電流)進行準確、安全的測量。2.如果步進電動機通電循環的各拍中交替出現單、雙相通電狀態，這種通電方式稱為單雙相輪流通電方式。如A→ AB→ B→ BC→C → CA→…

3.在一個周期T內閉合的時間為τ，則一個外加的固定直流電壓U被按一定的頻率開閉的開關S加到電動機的電樞上，電樞上的電壓波形將是一列方波信號，其高度為U、寬度為?，如右圖所示。電樞兩端的平均電壓為：

Ud?T1T0??Udt?TU??U

式中

?=?/T=Ud/U，(0

?為導通率（或稱占空比）。

當T不變時，只要改變導通時間?，就可以改變電樞兩端的平均電壓Ud。當?從0~T改變時，Ud由零連續增大到U。

4.采樣頻率大于2倍的信號頻率，才能正確復現原信號。

5．傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉換為與之有確定對應關系的，便于應用的某種物理量 的測量裝置。敏感元件、轉換元件、基本電路。

6.單電壓、雙電壓、斬波恒流、恒流源

三、計算題（共20分）

（一）（10分）K=1;M=3, Z=100;α=360/1*3*100=1.2of=600Hz

（二）（10分）100：1=400：x=4 mm四細分：400：1=400：x=1mm分辨率：1÷400=2.5(μm)

四、綜合分析題（30分）

（一）（15分）采樣過程是用采樣開關（或采樣單元）將模擬信號按一定時間間隔抽樣成離散模擬信號的過程。因采樣后得到的離散模擬信號本質上還是模擬信號，未數量化，不能直接送入計算機，故還需經數量化，變成數字信號才能被計算機接受和處理。

量化過程（簡稱量化）就是用一組數碼（如二進制碼）來逼近離散模擬信號的幅值，將其轉換成數字信號，由于計算機的數值信號是有限的，因此用數碼來逼近模擬信號是近似的處理方法。信號進入計算機后經其處理經D/A轉換后輸出。

D/A轉換器是將數字量轉換成模擬量的裝置。模擬量輸出主要由D/A轉換器和輸出保持器組成。它們的任務是把微機輸出的數字量轉換成模擬量。多路模擬量輸出通道的結構形式，主要取決于輸出保持器的結構形式。保持器一般有數字保持方案和模擬保持方案兩種。這就決定了模擬量輸出通道的兩種基本結構形式。

（二）（15分）略

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第三篇：機電一體化系統設計試題_6答案

習題六答案

1、什么是伺服控制？為什么機電一體化系統的運動控制往往是伺服控制？

伺服控制系統是一種能夠跟蹤輸入的指令信號進行動作，從而獲得精確的位置、速度及動力輸出的自動控制系統.機電一體化的伺服控制系統的結構、類型繁多，但從自動控制理論的角度來分析，伺服控制系統一般包括控制器、被控對象、執行環節、檢測環節、比較環節等五部分。

2、機電一體化系統的伺服驅動有哪幾種形式?各有什么特點？

（1）、按被控量參數特性分類

按被控量不同，機電一體化系統可分為位移、速度、力矩等各種伺服系統。其它系統還有溫度、濕度、磁場、光等各種參數的伺服系統（2）、按驅動元件的類型分類

按驅動元件的不同可分為電氣伺服系統、液壓伺服系統、氣動伺服系統。電氣伺服系統根據電機類型的不同又可分為直流伺服系統、交流伺服系統和步進電機控制伺服系統。（3）、按控制原理分類

按自動控制原理，伺服系統又可分為開環控制伺服系統、閉環控制伺服系統和半閉環控制伺服系統。

3、機電一體化對伺服系統的技術要求是什么？

機電一體化伺服系統要求具有精度高、響應速度快、穩定性好、負載能力強和工作頻率范圍大等基本要求，同時還要求體積小、重量輕、可靠性高和成本低等。

4、試分析直流伺服電機的結構與工作原理。

直流伺服電動機主要由磁極、電樞、電刷及換向片結構組成（如圖6-3所示）。其中磁極在工作中固定不動，故又稱定子。定子磁極用于產生磁場。在永磁式直流伺服電動機中，磁極采用永磁材料制成，充磁后即可產生恒定磁場。在他勵式直流伺服電動機中，磁極由沖壓硅鋼片疊成，外繞線圈，靠外加勵磁電流才能產生磁場。電樞是直流伺服電動機中的轉動部分，故又稱轉子，它由硅鋼片疊成，表面嵌有線圈，通過電刷和換向片與外加電樞電源相連。

圖 6-3 直流伺服電動機基本結構

圖6-4 電樞等效電路

直流伺服電動機是在定子磁場的作用下，使通有直流電的電樞（轉子）受到電磁轉矩的驅使，帶動負載旋轉。通過控制電樞繞組中電流的方向和大小，就可以控制直流伺服電動機的旋轉方向和速度。當電樞繞組中電流為零時，伺服電動機則靜止不動。

直流伺服電動機的控制方式主要有兩種：一種是電樞電壓控制，即在定子磁場不變的情況下，通過控制施加在電樞繞組兩端的電壓信號來控制電動機的轉速和輸出轉矩；另一種是勵磁磁場控制，即通過改變勵磁電流的大小來改變定子磁場強度，從而控制電動機的轉速和輸出轉矩。

采用電樞電壓控制方式時，由于定子磁場保持不變，其電樞電流可以達到額定值，相應的輸出轉矩也可以達到額定值，因而這種方式又被稱為恒轉矩調速方式。而采用勵磁磁場控制方式時，由于電動機在額定運行條件下磁場已接近飽和，因而只能通過減弱磁場的方法來改變電動機的轉速。由于電樞電流不允許超過額定值，因而隨著磁場的減弱，電動機轉速增加，但輸出轉矩下降，輸出功率保持不變，所以這種方式又被稱為恒功率調速方式

5、試分析直流伺服電機與交流伺服電機在控制上有什么不同？

直流伺服電機具有良好的調速特性，較大的啟動轉矩和相對功率，易于控制及響應快等優點。盡管其結構復雜，成本較高，在機電一體化控制系統中還是具有較廣泛的應用。

6、常用的變流技術是什么？各有什么用途？

交流調壓器——把固定交流電壓變成可調的交流電壓。

7、比較直流伺服電動機和交流伺服電動機的適用環境差別。

直流伺服電機具有良好的調速特性，較大的啟動轉矩和相對功率，易于控制及響應快等優點。盡管其結構復雜，成本較高，在機電一體化控制系統中還是具有較廣泛的應用。

與直流伺服電動機比較，交流伺服電動機不需要電刷和換向器，因而維護方便和對環境無要求；此外，交流電動機還具有轉動慣量、體積和重量較小，結構簡單、價格便宜等優點；尤其是交流電動機調速技術的快速發展，使它得到了更廣泛的應用。

8、了解伺服電動機的機械特性有什么意義，習、、慣性稱呼機械特性硬的含義是什么？

如果直流伺服電動機的機械特性較平緩，則當負載轉矩變化時，相應的轉速變化較小，這時稱直流伺服電動機的機械特性較硬。

9、有一脈沖電源，通過環形分配器將脈沖分配給五相十拍通電的步進電機定子勵磁繞組，測得步進電機的轉速為100r/min，已知轉子有24個齒，求： 1）步進電機的步距角； 2）脈沖電源的頻率。

10、三相變磁阻式步進電動機，轉子齒數Z=100,雙拍制通電，要求電動機轉速為120r/min，輸入脈沖頻率為多少?步距角為多少?

11、簡述交流電動機變頻調速控制方案。

（１）開環控制

（2）無速度傳感器的矢量控制

（3）帶速度傳感器矢量控制

（4）永磁同步電動機開環控制

12、試分析三相SPWM的控制原理。

在PWM型逆變電路中，使用最多的是圖6-43a的三相橋式逆變電路，其控制方式一般都采用雙極性方式。U、V和W三相的PWM控制通常公用一個三角波載波uc，三相調制信號U ru

, U rv 和, U rw的相位依次相差1200。U、V和W各相功率開關器件的控制規律相同，現以U相為例來說明。當Uru > uc時，給上橋臂晶體管V1以導通信號，給下橋臂晶體管V4以關斷信號，則U相相對于直流電源假想中點N’的輸出電壓UUN’= Ud/2。當Uru < uc時，給V4以導通信號，給V1以關斷信號，則UUN’=Ud／2。V1和V4的驅動信號始終是互補的。當給V1（V4）加導通信號時，可能是V1（V4）導通，也可能二極管VD1（VD4）續流導通，這要由感性負載中原來電流的方向和大小來決定，和單相橋式逆變電路雙極性SPWM控制時的情況相同。V相和W相的控制方式和U相相同。UUN’、UVN’和Uwn’ 的波形如圖6-43b所示。可以看出，這些波形都只有±Ud兩種電平。像這種逆變電路相電壓（uUN’、uVN’和uWN’）只能輸出兩種電平的三相橋式電路無法實現單極性控制。圖中線電壓UUV的波形可由UUN’ ― UVN’得出。可以看出，當臂1和6導通時，UUV = Ud，當臂3和4導通時，UUV =―Ud，當臂1和3或4和6導通時，Uuv=0，因此逆變器輸出線電壓由+Ud、-Ud、0三種電平構成。負載相電壓UUN可由下式求得

uUN?uUN’?UUN'?UVN'?UWN'

3（6-18）

從圖中可以看出，它由（±2/3）Ud，（±1/3）Ud和0共5種電平組成。

(a)

(b)

圖6-43三相SPWM逆變電路及波形

在雙極性SPWM控制方式中，同一相上下兩個臂的驅動信號都是互補的。但實際上為了防止上下兩個臂直通而造成短路，在給一個臂施加關斷信號后，再延遲△t時間，才給另一個臂施加導通信號。延遲時間的長短主要由功率開關器件的關斷時間決定。這個延遲時間將會給輸出的PWM波形帶來影響，使其偏離正弦波。

13、分析影響直流伺服電機的影響因素。

（1）驅動電路對機械特性的影響

（2）直流伺服電動機內部的摩擦對調節特性的影響（3）負載變化對調節特性的影響

14、變流技術有哪幾種應用形式？舉出各種變流器的應用實例。

變流技術按其功能應用可分成下列幾種變流器類型：

整流器——把交流電變為固定的（或可調的）直流電。

逆變器——把固定直流電變成固定的（或可調的）交流電。

斬波器——把固定的直流電壓變成可調的直流電壓。

交流調壓器——把固定交流電壓變成可調的交流電壓。

周波變流器——把固定的交流電壓和頻率變成可調的交流電壓和頻率。

15、什么是PWM？直流PWM調壓比其它調壓方式有什么優點？

斬波器調壓控制直流伺服電機速度的方法又稱為脈寬調制（Pulse Width Modulation）直流調速。如圖所示為脈寬調速原理示意圖。

將圖6-31a中的開關S周期性地開關，在一個周期T內閉合的時間為τ，則一個外加的固定直流電壓U被按一定的頻率開閉的開關S加到電動機的電樞上，電樞上的電壓波形將是一列方波信號，其高度為U、寬度為?，如圖6-31b所示。電樞兩端的平均電壓為：

Ud?T1T0??Udt?TU??U

（6-17）

式中

?=?/T=Ud/U，(0

?為導通率（或稱占空比）。

當T不變時，只要改變導通時間?，就可以改變電樞兩端的平均電壓Ud。當?從0~T改變時，Ud由零連續增大到U。實際電路中，一般使用自關斷電力電子器件來實現上述的開關作用，如GTR、MOSFET、IGBT等器件。圖6-3中的二極管是續流二極管，當S斷開時，由于電樞電感的存在，電動機的電樞電流可通過它形成續流回路。

16、交流變頻調速有哪幾種類型，各有什么特點？

（１）開環控制

開環控制的通用變頻器三相異步電動機變頻調速系統控制框圖如圖6-25所示。

圖6-25 開環異步電動機變頻調速

VVVF-通用變頻器 IM-異步電動機

該控制方案結構簡單，可靠性高。但是，由于是開環控制方式，其調速精度和動態響應特性并不是十分理想。尤其是在低速區域電壓調整比較困難，不可能得到較大的調速范圍和較高的調速精度。異步電動機存在轉差率，轉速隨負荷力矩變化而變動，即使目前有些變頻器具有轉差補償功能及轉矩提升功能，也難以達到0.5%的精度，所以采用這種V/F控制的通用變頻器異步機開環變頻調速適用于一般要求不高的場合，例如風機、水泵等機械。

圖6-26 矢量控制變頻器的異步電動機變頻調速

VVVF-矢量變頻器

（2）無速度傳感器的矢量控制

無速度傳感器的矢量控制變頻器異步電機變頻調速系統控制框圖如圖6-26所示。對比圖6-25圖，兩者的差別僅在使用的變頻器不同。由于使用無速度傳感器矢量控制的變頻器，可以分別對異步電動機的磁通和轉矩電流進行檢測、控制，自動改變電壓和頻率，使指令值和檢測實際值達到一致，從而實現了矢量控制。雖說它是開環控制系統，但是大大提升了靜態精度和動態品質。轉速精度約等于0.5%，轉速響應也較快。

如果生產要求不是十分高的情形下，采用矢量變頻器無傳感器開環異步電機變頻調速是非常合適的，可以達到控制結構簡單，可靠性高的實效。

（3）帶速度傳感器矢量控制

帶速度傳感器矢量控制變頻器的異步電機閉環變頻調速系統控制框圖如圖6-27所示。

圖6-27 異步電機閉環控制變頻調速

PG-速度脈沖發生器

矢量控制異步電機閉環變頻調速是一種理想的控制方式。它具可以從零轉速起進行速度控制，即甚低速亦能運行，因此調速范圍很寬廣，可達100:1或1000:1；可以對轉矩實行精確控制；系統的動態響應速度甚快；電動機的加速度特性很好等優點

17、什么是SPWM？SPWM信號是數字信號形式還是模擬信號形式？

在PWM型逆變電路中，使用最多的是圖6-43a的三相橋式逆變電路，其控制方式一般都采用雙極性方式。U、V和W三相的PWM控制通常公用一個三角波載波uc，三相調制信號U ru

, U rv 和, U rw的相位依次相差1200。U、V和W各相功率開關器件的控制規律相同，現以U相為例來說明。當Uru > uc時，給上橋臂晶體管V1以導通信號，給下橋臂晶體管V4以關斷信號，則U相相對于直流電源假想中點N’的輸出電壓UUN’= Ud/2。當Uru < uc時，給V4以導通信號，給V1以關斷信號，則UUN’=Ud／2。V1和V4的驅動信號始終是互補的。當給V1（V4）加導通信號時，可能是V1（V4）導通，也可能二極管VD1（VD4）續流導通，這要由感性負載中原來電流的方向和大小來決定，和單相橋式逆變電路雙極性SPWM控制時的情況相同。V相和W相的控制方式和U相相同。UUN’、UVN’和Uwn’ 的波形如圖6-43b所示。可以看出，這些波形都只有±Ud兩種電平。像這種逆變電路相電壓（uUN’、uVN’和uWN’）只能輸出兩種電平的三相橋式電路無法實現單極性控制。圖中線電壓UUV的波形可由UUN’ ― UVN’得出。可以看出，當臂1和6導通時，UUV = Ud，當臂3和4導通時，UUV =―Ud，當臂1和3或4和6導通時，Uuv=0，因此逆變器輸出線電壓由+Ud、-Ud、0三種電平構成。負載相電壓UUN可由下式求得

uUN?uUN’?UUN'?UVN'?UWN'

318、用SPWM進行交流變頻調速所對應的傳統方法有哪些？各有什么特點？

實施SPWM的基本要求

1、單極性SPWM法]（1)調制波和載波：曲線①是正弦調制波，其周期決定于需要的調頻比kf，振幅值決定于ku,曲線②是采用等腰三角波的載波，其周期決定于載波頻率，振幅不變，等于ku=1時正弦調制波的振幅值，每半周期內所有三角波的極性均相同(即單極性)。

調制波和載波的交點，決定了SPWM脈沖系列的寬度和脈沖音的間隔寬度，每半周期內的脈沖系列也是單極性的。

（2)單極性調制的工作特點：每半個周期內，逆變橋同一橋臂的兩個逆變器件中，只有一個器件按脈沖系列的規律時通時通時斷地工作，另一個完全截止；而在另半個周期內，兩個器件的工況正好相反，流經負載ZL的便是正、負交替的交變電流。

2、雙極性SPWM法(1)調制波和載波：

調制波仍為正弦波，其周期決定于kf，振幅決定于ku,中曲線①，載波為雙極性的等腰三角波，其周期決定于載波頻率，振幅不變，與ku=1時正弦波的振幅值相等。

調制波與載波的交點決定了逆變橋輸出相電壓的脈沖系列，此脈沖系列也是雙極性的，但是，由相電壓合成為線電壓(uab=ua-ub;ubc=ub-uc;uca=uc-ua)時，所得到的線電壓脈沖系列卻是單極性的。

(2)雙極性調制的工作特點：逆變橋在工作時，同一橋臂的兩個逆變器件總是按相電壓脈沖系列的規律交替地導通和關斷，毫不停息，而流過負載ZL的是按線電壓規律變化的交變電流。

19、步進電動機是什么電機？它的驅動電路的功能是什么？

伺服電機。環形分配，對控制信號進行功率放大。

20、試分析半橋逆變電路的工作原理

半橋逆變電路原理如圖6-36a所示，它有兩個導電臂，每個導電臂由一個可控元件和一個反并聯二極管組成。在直流側接有兩個相互串聯的足夠大的電容，使得兩個電容的聯結點為直流電源的中點。

設電力晶體管Vl和V2 基極信號在一個周期內各有半周正偏和反偏，且二者互補。當負載為感性時，其工作波形如圖6-36b所示。輸出電壓波形u0 為矩形波，其幅值為Um =Ud /2輸出電流i0 波形隨負載阻抗角而異。設t2 時刻以前V1 導通。t2 時刻給V1關斷信號，給V2 導通信號，但感性負載中的電流i0 不能立刻改變方向，于是VD2 導通續流。當t3時刻i0 降至零時VD2 截止，V2 導通，i0 開始反向。同樣，在t4 時刻給V2 關斷信號，給V1 導通信號后，V2 關斷，VD1 先導通續流，t5 時刻V1 才導通。

當V1 或 V2 導通時，負載電流和電壓同方向，直流側向負載提供能量；而當VD1 或 VD2導通時，負載電流和電壓反方向，負載中電感的能量向直流側反饋，既負載將其吸收的無功能量反饋回直流側。反饋回的能量暫時儲存在直流側電容中，直流側電容起到緩沖這種無功能量的作用。二極管VD1、VD2是負載向直流側反饋能量的通道，同時起到使負載電流連續的作用，VD1、VD2被稱為反饋二極管或續流二極管。

第四篇：機電一體化系統設計試題及答案

機電一體化系統設計試題

課程代碼：02245

一、單項選擇題(本大題共14小題，每小題1分，共14分)在每小題列出的四個選項中只有一個選項是符合題目要求的，請將正確選項前的字母填在題后的括號內。

1.受控變量是機械運動的一種反饋控制系統稱()A.順序控制系統 B.伺服系統 C.數控機床 D.工業機器人 2.齒輪傳動的總等效慣量隨傳動級數()A.增加而減小 B.增加而增加 C.減小而減小 D.變化而不變 3.滾珠絲杠螺母副結構類型有兩類：外循環插管式和()A.內循環插管式 B.外循環反向器式 C.內、外雙循環 D.內循環反向器式

4.某光柵的條紋密度是100條/mm，光柵條紋間的夾角θ=0.001孤度，則莫爾條紋的寬度是()A.100mm B.20mm C.10mm D.0.1mm 5.直流測速發電機輸出的是與轉速()A.成正比的交流電壓 B.成反比的交流電壓 C.成正比的直流電壓 D.成反比的直流電壓 6.電壓跟隨器的輸出電壓()輸入電壓。

A.大于 B.大于等于 C.等于 D.小于

7.某4極交流感應電動機，電源頻率為50Hz，當轉差率為0.02時，其轉速為()A.1450［r/min］ B.1470［r/min］ C.735［r/min］ D.2940［r/min］ 8.右圖稱()A.直流伺服電動機調節特性 B.直流伺服電動機機械特性 C.直流伺服電動機動態特性 D.直流伺服電動機調速特性

9.計算步進電動機轉速的公式為()

A.B.Tsmcos C.D.180°-

10.一般說來，如果增大幅值穿越頻率ωc的數值，則動態性能指標中的調整時間ts()

A.增大 B.減小 C.不變 D.不定

11.已知f(t)=a+bt，則它的拉氏變換式為()A.+b B.C.D.12.連續路徑控制類中為了控制工具沿任意直線或曲線運動，必須同時控制每一個軸的()使得它們同步協調到達目標點。

A.位置和加速度 B.速度和加速度 C.位置和速度 D.位置和方向

13.圖示利用繼電器觸點實現的邏輯函數為()A.(A+ B.A2)2(+ +B)2B +)C.(A+B)2（D.A2B+ 2

14.累計式定時器工作時有()A.1個條件 B.2個條件 C.3個條件 D.4個條件

二、名詞解釋題(本大題共5小題，每小題2分，共10分)

15.機電一體化 16.軸系的動特性

17.靈敏度(測量)18.永磁同步電動機 19.復合控制器

三、簡答題(本大題共4小題，每小題4分，共16分)20.機電一體化系統設計指標大體上應包括哪些方面? 21.步進電動機常用的驅動電路有哪幾種類型?其中哪種電路適于永磁式步進電動機? 22.步進電動機數控系統和參考脈沖伺服系統的輸入信號是什么?輸出軸的轉速、轉向、位置各自與哪些因素有關? 23.什么是PLC的掃描工作制?

四、計算題(本大題共4小題，每小題5分，共20分)24.已知雙波諧波齒輪的柔輪齒數Z1=200, 剛輪齒數 Z2=202，波發生器的轉速nH=600r/min。如圖

試求：(1)剛輪固定時柔輪的轉速n1;(2)柔輪固定時剛輪的轉速n2。

25.已知某一線性電位器的測量位移原理如圖所示。若電位器的總電阻R=2kΩ，電刷位移為X時的相應電阻Rx=1kΩ，電位器的工作電壓Vi=12V,負載電阻為RL。

(1)已測得輸出電壓Vo=5.8V,求RL。(2)試計算此時的測量誤差。26.某二階系統如圖所示

(1)求系統對r(t)階躍響應的最大超調量σ%和調節時間ts。(2)求r(t)=1+t,n(t)=0.1共同作用下的穩態誤差ess。27.三相變磁阻式步進電動機，轉子80個齒。

(1)要求電動機轉速為60r/min,單雙拍制通電，輸入脈沖頻率為多少?

(2)要求電動機轉速為100r/min，單拍制通電，輸入脈沖頻率為多少?

五、簡單應用題(本大題共4小題，每小題6分，共24分)28.已知一階低通有源濾波器電路如圖所示。要求：(1)一階低通濾波器現存在什么弱點?

(2)將其改進為二階低通濾波器，畫出電路圖；(3)畫出二階低通的幅頻特性示意圖。

29.三相交流感應電動機，電源頻率50Hz，空載轉速為1450r/min。

(1)該電動機為幾極，空載轉差率是多少?(2)堵轉時定子、轉子繞組電勢頻率各為多少?(3)空載時，定子、轉子繞組電勢頻率各為多少? 30.二階系統結構圖如圖所示。設K1=0.1, K2=10,T1=0.5s(1)求系統對r(t)的階躍響應的最大超調量σ%及調節時間ts(取△=±5%);(2)求系統增益Ks及伺服剛度KR;(3)求r(t)=1+t及n(t)=0.1共同作用下系統的穩態誤差ess。

31.考慮x-y平面上的直線運動路徑，源點坐標(5，-2)，終點坐標為(1，-1)。設兩軸最大加速度限制：αxmax=αymax=±2。試設計三次多項式樣條函數點位控制指令。

六、綜合應用題(本大題2小題，每小題8分，共16分)32.某控制系統結構圖如圖所示，圖中GC(s)=Kp(1+Tds),Gp(s)= =

(1)確定Kp和Td的值，以使系統性能同時滿足：

在單位拋物線(恒加速度)函數作用下的穩態誤差essa≤0.2，幅值穿越(截止)頻率ωc=5

(2)計算系統在上述取值條件下的相位裕量 m。33.采用PLC設計二臺電動機A、B工作的系統。

（1）按鈕X1為A電動機起動，按鈕X2為A電動機停止（輸出Y1）；（2）按鈕X3為B電動機起動，按鈕X4為B電動機停止（輸出Y2）；（3）只有A電動機在工作中，B電動機才能工作。

要求：畫出梯形圖，寫出助記符指令程序。

機電一體化系統設計試題參考答案

課程代碼：02245

一、單項選擇題(本大題共14小題，每小題1分，共14分)1.B 2.A 3.D 4.C 5.C 6.C 7.B 8.B 9.C 10.B 11.B 12.C 13.A 14.B

二、名詞解釋題(本大題共5小題，每小題2分，共10分)15.機械與電子的集成技術。

16.指軸系抵抗沖擊、振動、噪聲的特性。

17.輸出變化量與對應的輸入(被測量)變化量的比值。有時稱為增量增益或標度因子。18.以電子換向取代了傳統直流電動機的電刷換向，又稱無刷電動機。

19.在反饋控制器的基礎上附加一個前饋控制器，二者的組合稱為復合控制器。它的作用是使系統能以零穩定誤差跟蹤已知的輸入信號。

三、簡答題(本大題共4小題，每小題4分，共16分)20.應包括系統功能、性能指標、使用條件、經濟效益。

21.主要有：單極性驅動電路、雙極性驅動電路、高低壓驅動電路、斬波驅動電路、細分電路。其中雙極性驅動電路適于永磁式步進電動機。

22.(1)參考脈沖序列。

轉速與參考脈沖頻率成正比。

(2)輸出軸

轉向由轉向電平決定。

位置由參考脈沖數決定。

23.PLC的掃描工作制，即檢測輸入變量、求解當前控制邏輯以及修正輸出指令。重復進行。

四、計算題(本大題共4小題，每小題5分，共20分)

24.（1）剛輪固定時：

（2）柔輪固定時

n1=-

25.V0=

(1)當V01=5.8時，5.8=

5.8=

(２)空載時ＲＬ＝

設測量出5.8Ｖ輸出電壓時的測量誤差

則

26.(1)求閉環傳函及誤差表達式

E(s)=R(s)-C(s)=[1-

(2)求

ts=

(3)求ess

二階系統ai>0閉環穩定

R(s)=

Ess= 27.(1)

即

（2）單拍制

]R(s)-

C(s)=CR(s)+CN(s)=

即： f=

五、簡單應用題（本大題共4小題，每小題6分，共24分）28．（1）一階低通濾波器存在過渡區域衰減緩慢的弱點。

2）二階低通有源濾波器電路圖(3)低通濾波幅頻率特性示意圖。29．（1）

即該電動機為四級

空載時轉差率為：S=

（2）堵轉時：S＝１

定子繞組電勢頻率f1=50Hz,轉子繞組電勢頻率f2=Sf1=50Hz(3)空載時：

定子繞阻電勢頻率f1＝50Hz,轉子繞組電勢頻率：

f2= 30.(1)G(s)= 1型 Ｋv=

Ｋp=

(2)性能指標

ts=

(3)系統增益與伺服剛度

Ks=Kv=K1K2=1，KR=K1=0.1（4）essr= essn=-

31.所以協調運動先設計x軸，再利用下列直線方程變換成y軸控制指令

y(t)=-

x(t)=5+3(1-5)()2-2(1-5)()3=5-t2+

y(t)=-2+

六、綜合應用題（本大題共２小題，每小題８分，共１６分）32.(1)開環傳函

G(s)=Gc(s)Gp(s)=

(2)確定Kp和Td

由essa=

取Kp=2.5

在

1+25T

(3)相應的

33.(1)梯形圖：

（２）助記符指令程序：

STR X1 OR Y1 AND NOT X2 OUT Y1 STR X3 OR Y2 AND NOT X4 AND Y1 OUT Y2

第五篇：10機電一體化系統設計 試題

2010學年第二學期《機電一體化設計》期末考試試卷

姓名：

年級： 級 專業 成績： 函授站 ：珠海函授站

所讀學校： □首大、□昆工

層次：□高起專

□專升本

速度。

10．步進電動機是把輸入的電脈沖信號，轉換成（）的控制電機。11．步進電機控制步進頻率和電脈沖數獲得所需轉速，改變（）得到所需的轉向。12．步進電機接受一個電脈沖,轉子轉過相應的角度叫（）。

13．步進電機轉過角度與輸入脈沖頻率成正比，電機轉速與拍數成（）比。

14． PWM功率放大器的基本原理是：利用大功率器件的開關作用，將直流電壓轉換成一定

一、單項選擇題。在每小題列出的四個選項中只有一個選項是符合題目要求的，請將正確選項前的字母填在題后的括號內。（每小題1分，共10分）1.齒輪傳動的總等效慣量隨傳動級數()。

A.增加而減小 B.增加而增加 C.減小而減小 D.變化而不變

2．機電一體化系統中，根據控制信息和指令完成所要求的動作這一功能的是()。

A．機械本體

B．動力部分

C．控制器

D．執行機構 3．將脈沖信號轉換成角位移的執行元件是()。

A．旋轉變壓器

B．交流伺服電動機

C．步進電動機

D．光電編碼盤

4．在下列電機中，()既可通過閉環實現速度或位置控制，又可作步進方式運行，且電機轉速不受負載影響，穩定性高。

A．步進電機

B.直流伺服電機

C．交流同步伺服電機

D．籠型交流異步電機

5．如果三相步進電動機繞組為U、V、W，其通電順序為UV?VW?WU?UV，則這種分配方式為()。

A．三相三拍

B．三相四拍

C．三相六拍

D．雙三拍

6．某三相反應式步進電動機轉子有40個磁極，采用三相單三拍供電，步距角為()。

A.1.50 B.30 C.60 D.90

7．一臺三相磁阻式步進電動機，采用三相單三拍方式通電時，步距角為 1.50，則其轉子齒數為()。

A.40 B.60 C.80 D．100 8.直流測速發電機輸出的是與轉速()。

A.成正比的交流電壓 B.成反比的交流電壓 C.成正比的直流電壓 D.成反比的直流電壓 9.某光柵的條紋密度是100條/mm，光柵條紋間的夾角?=0.001弧度，則莫爾條紋的寬度是()。

A.100mm B.20mm C.10mm D.0.1mm 10．在工業控制計算機中，控制總線的功能是()。

A.確切指定與之通信的外部硬件

B．確定總線上信息流的時序

C．在計算機內部傳輸數據

D.連接控制電源

二、填空題（每小題1分，共15分）

1．機電一體化技術是機械技術和（）技術相互融合的產物。

2.無論傳遞功率大小如何，按“等效轉動慣量最小”原則來確定的各級傳動比，從高速級到低速級，其傳動比是逐級增大的，而且級數越多，總等效慣量越（）。

3．在多級傳動中，為了減小傳動誤差，傳動比的分配應遵守（）原則。

4．在小功率傳動鏈中，為使總的質量最小，各級傳動比分配應遵守（）原則。5.諧波齒輪傳動是利用行星輪系傳動原理，組成它的三個基本構件是柔輪、剛輪和（）。6．摩擦對伺服系統的影響主要有：引起動態滯后、降低系統的響應速度、導致系統誤差和（）。

7．對于執行裝置，選擇較大的傳動比可使系統的（）增大，有利于系統的穩定性。8．電氣伺服驅動裝置包括（）、交流伺服電機和直流伺服電機。

9．在伺服系統中，通常采用（）原則選擇總傳動比，以提高伺服系統的響應

（）的方波電壓，通過對方波脈沖的控制，改變輸出電壓的平均值。15．交流異步電動機的轉速與電源頻率、磁極對數和（）有關。

三、簡答題（共10題，每小題3分，共30分）1．為什么采用機電一體化技術可以提高系統的精度?

2．影響機電一體化系統傳動機構動力學特性的主要因素有哪些？

3．轉動慣量對傳動系統有哪些影響？

4．為減小機械系統的傳動誤差，可采用哪些結構措施？

5．簡述伺服機械傳動系統的主要要求。

6．如何提高伺服系統的響應速度？

7．伺服電動機的作用是什么？伺服電動機應具備的基本要求是什么？

8．試述直流電機伺服系統中脈寬調制放大器的基本工作原理。

9．步進電機是如何實現速度控制的？

10．簡述A／D、D／A接口的功能。

四、分析題。（共兩小題，共15分）

1．如圖所示的開環步進電機位置控制伺服系統，試分析齒輪減速器的傳動誤差對工作臺輸出精度的影響。（7分）

6．試分析比較液壓馬達和直流電機實現轉動輸出驅動的不同特點。（8分）

五、計算題（共3小題，每小題10分，共30分）

1.如圖，已知雙波諧波齒輪的柔輪齒數Z1=200, 剛輪齒數Z2=202，波發生器的轉速nH=600r/min。試求：(1)剛輪固定時柔輪的轉速n1；(2)柔輪固定時剛輪的轉速n2。

2．如圖所示電機驅動系統，已知工作臺的質量為m=50kg負載力為F1＝1000N，最大加速度為10m/s2，絲杠直徑為d＝20mm，導程t＝4mm，齒輪減速比為i=5，總效率為?=30％，忽略絲杠慣量的影響，試計算電機的驅動力矩。

3．如圖所示的開環步進電機位置控制系統，已知負載為F＝1000N，工作臺長L=500mm，往復精度為±0．0lmm，絲杠導程ts=8mm，直徑d＝20mm，步進電機的步距角為??1.8?。，試確定齒輪減速比i。