第一篇：第六章 機電一體化系統設計試題匯總

第六章

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(B)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(B)A.as+b B.as?bs2 C.bs?as2 D.as?bs3

11.復合控制器必定具有（D)

A.順序控制器

B.CPU

C.正反饋

D.前饋控制器 13.一般說來，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(B)A.產大

B.減小

C.不變

D.不定

10.一般來說，引入微分負反饋將使系統動態性能指標中的最大超調量(B)A.增加

B.減小

C.不變

D.不定

11.在采樣—數據系統中，執行實時算法程序所花費的時間總和最好應小于采樣周期的（A)A.0.B.0.2

C.0.5

D.0.8 6.步進電機一般用于（A）控制系統中。A.開環

A.比例 B.閉環

C.半閉環

D.前饋

11.PD稱為（B）控制算法。

B.比例微分

C.比例積分

D.比例積分微分

13.如果增加相位裕量υm，則動態性能指標中的最大超調量σ%為（C）。A.增大

B.不變 C.減小

D.不能確定

10．若考慮系統抑制干擾的能力，選擇采樣周期的一條法則是：采樣速率應選為閉環系統通頻帶的【 D 】

A．5倍 B．8倍 C．10倍 D．10倍以上 11．在數控系統中，軟伺服系統的系統增益Ka為【 B 】

A．(2～5)1／s

B．(8～50)1／s

C．(50～100)1／s

D．(120～150)1／s

10．若考慮對系統響應速度的影響，采樣－數據系統中的采樣周期應選為系統最小時間常數的 【 A 】

A．(O.1～1)倍 B．2倍 C．5倍 D．10倍 11．在串聯校正的比例－積分－微分(PID)控制器中，I的作用是 【 C 】 A．改善穩定性B．加快系統響應速度 C．提高無靜差度 D．增大相位裕量

10.在最佳阻尼比條件下，伺服系統的自然頻率wn唯一取決于

【

C

】

A.速度環開環增益

B.電動機機電時間常數

C.速度環開環增益與電動機機電時間常數之比

D.速度環開環增益與電動機機電時間常數之積

11在伺服系統中，若要提高系統無靜差度，可采用串聯

【 A

】

A.PI校正

B.P校正

C.PD校正

D.D校正 7．PID控制器中，P的作用是 【 A 】

A．降低系統穩態誤差 B．增加系統穩定性 C．提高系統無靜差度 D．減小系統阻尼

7．采樣一數據系統中，若考慮系統的抑制干擾能力時，采樣速率應為閉環系統通頻帶的【 A 】

A.10倍以上 B．5倍 C.2倍 D.(0.1～1)倍 8．PID控制器中，P的含義是

【 D 】 A.前饋

B.微分

C.積分

D.比例(2011 07)9.在軟伺服系統中，一般認為速度環的閉環增益最好為系統的 A.0.1倍

B.2～4倍

C.5倍

D.10倍

【 】

1．PID控制器中，I的作用是 【 A 】

A．提高系統誤差精度 B．增加系統通頻帶 C．加快系統調整時間 D．減小系統伺服剛度 2.要求系統響應應以零穩態誤差跟蹤輸入信號可采用（C）A.前饋控制器 B.PI控制器

C.復合控制器

D.反饋控制器

3.一般說來，如果增大自然頻率ωn的數值，則動態性能指標中的調整時間ts將(B)A.增大

B.減小

C.不變

D.不定

4.在伺服系統中，若要提高系統無靜差度，可采用串聯

【

A 】

A.PI校正

B.P校正

C.PD校正

D.D校正 5.伺服系統的輸入可以為

A.模擬電流

A.換向結構 B.模擬電壓

C.控制信號

D.反饋信號

6.伺服系統一般包括控制器、受控對象、比較器和（D）等部分

B.轉化電路

C.存儲電路

D.反饋測量裝置

（）

D.工業機器人 7.下列那一項是反饋控制系統

A.順序控制系統

B.伺服系統

C.數控機床

（B）

8.PD稱為（B）控制算法。A.比例

B.比例微分

C.比例積分 D.比例積分微分 9.已知f(t)=δ（t）+3，則它的拉氏變換式為

A.1+ 3s

(A)

B.1s?3s

C.1s

D.1s3

(B)D.不起作用

10.位置環采用PI控制器,伺服系統對參考輸入做到了

A.一階無靜差

B.二階無靜差

C.三階無靜差

二、簡答題

1、按照系統信號傳遞方式，伺服系統有哪幾種類型?（2011）

答：模擬式伺服系統、參考脈沖系統、采樣——數據系統（計算機閉環控制系統）（模擬電壓、參考脈沖信號、二進制數字信號）

2、閉環伺服系統由哪幾部分組成?(2011)答: 控制器、受控對象、比較器和反饋測量裝置等部分 3．半閉環控制系統的定義及特點是什么? 答:（1）伺服系統中，當位置傳感器安裝在伺服電動機軸上，用以間接測量工作臺的位移時，這種間接測量的系統稱為半閉環系統。

（2）特點：可以避免傳動機構非線性引起系統產生極限環和爬行振蕩，比全閉環系統容易實現，可節省投資。

4．在實際系統中，數字PID控制器的兩種實現方式是什么?

答 ：（1）在雙傳感器系統中，PI由微處理器位置控制器實現，D的作用由測速機負反饋實現；

（2）在單個位置傳感器的系統中，PID由微型機單獨實現。5．全閉環控制系統的定義及特點是什么?

答：伺服系統中，當位置傳感器安裝于輸出軸（工作臺）上時，傳感器直接測量工作臺移動，這種直接測量的系統統稱為全閉環系統。

特點：對輸出進行直接控制，可以獲得十分良好的控制精度。但受機械傳動部件的非線性影響嚴重，只有在要求高精度的場合，才使用全閉環系統。

2002 6.復合控制器

答：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。7.伺服系統的剛度

答：伺服系統的剛度定義為輸出軸的單位位置誤差做承受的負載轉矩。8．閉環技術

答：將反饋控制技術與傳感器相結合，可構成閉環測量系統。9.半閉環伺服系統

19．采樣——數據系統

答：采樣——數據系統是指計算機參與閉環控制的伺服系統，其輸入往往是由上位機生成并經過精插補的參考指令，輸出是轉軸的角位移或工作臺的線位移。

三、計算題

1、解：

（2011）

2.最小相位系統的開環對數幅頻漸近特性如圖所示。試求開環傳遞函數G(s)。解：由對數幅頻漸近特性可知：

22某直流電機伺服系統結構如題22圖所示，已知：TM?JRaKvKtKf=0.05s，Ra=4Ω，KvKt=0.1N2m／A，Kf=O.1V2s／rad，Kp=10V／rad，求：（1）Td=0.002 N2m時，系統的穩態誤差θessT；

（2）伺服剛度KR。

?r（s）???e(s)Kp?Ra?T（ds）KvKt?（s）?1Kt1sTms?1?（s）

22．某伺服系統結構如題22圖所示，已知：Kp=60V／rad，Kf=O.24V2s／rad，Kn=2.5310V／V，Kt=7.1N2m／A 求：(1)系統增益Kv：(2)伺服剛度KR。

330．已知系統結構圖如題30圖所示。

???(1)若K1=25，Kf=0，求階躍響應的最大超調量?％(定義：?％=e

調節時間ts(取△=±0．05)．

‘

（2）當K1=25，欲使系統為最佳阻尼，確定Kf的值。

1??2?100%)和

四、簡單應用題

答：

五、綜合應用題

1、（2011）

解：

P208

26．某位置反饋系統如題26圖所示，已知：電動機時間常數T=0.2s，K1=0.1V／()，K2=400(r／min)／V，K3=0．5。／(r．min?1.s)，求：。

(1)?=0時,系統的最大超調量?%和調整時間ts(按△=±2％計算)；(2)欲使系統具有最佳阻尼比，增設轉速負反饋校正，確定?的值；(3)校正后，系統的開環增益K及單位速度輸入時的穩態誤差。

26．控制系統的結構圖如題26圖所示，已知G(s)=，Gc(s)=Ts+l(1)當T=0時，試確定系統的自然頻率ωn，阻尼比ξ和最大超調量σ%；(2)欲希望系統成為最佳阻尼比狀態，試確定T值；

(3)校正后，系統的開環增益和單位速度輸人時的穩態誤差essv。

2005

2004

2003 26.某伺服系統的結構圖如圖所示，其中Kp、Ti均為正數，試確定使閉環系統穩定，Kp、Ti取值的條件。

30.已知控制系統結構圖如下圖所示。

①選擇K1和K2，使系統性能滿足：σ％≤20%和ts=1.8s。②求系統的靜態誤差系數Kp、Kv和Ka。

32.設單位反饋系統如圖所示，已知T1=0.5s,T2=0.05s，為使系統獲得最大的相應裕量υm，試確定此時的K值及相應的υm值。

浙江省2003

23.二階系統結構圖如圖所示： 設k1=0.4,k2=1.0,T1=1 1）求系統固有頻率，阻尼比； 2）求系統增益ks； 3）求系統靈敏度k。

26.繪出由感應同步器等組成的工作臺閉環伺服系統框圖。

2002 32.某控制系統結構圖如圖所示，圖中GC(s)=Kp(1+Tds),Gp(s)=

K1s(Ts+1)2 =

2S(0.1s+1)2

(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

s1(2)計算系統在上述取值條件下的相位裕量?m。32.(1)開環傳函

G(s)=Gc(s)Gp(s)=(2)確定Kp和Td

2Kp(1?Tds)s(Ts?1)2?2Kp(1?Tds)S(0.1s?1)2

由essa=1Ka?12Kp?0.2?Kp?2.5 取Kp=2.5

51?（5Td）251?(0.5)22 在?c?5?1/s時，|Gc(j?c)||Gp(j?c)|?1即 1+25T2d??1

25(1?0.25)?Td?1.1s

.s)

?Gc(s)?Kp(1?TdS)?2.5(1?11(3)相應的?m

?tg?1Td?c?tg?1T?c?tg?11.1?5?tg?10.1?5?79.7?26.6???53.1?

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。30.(1)G(s)=pK1K2s(T1S?1)1型 Ｋv=limsG(s)?K1K2?1,Ｋ

s?0=limG(s)??，s?02n2n ?(s)?G(s)1?G(s)?T1sK1K22?s?2

?s?K1K2?2??ns?? ??n?K1K2T1?2 ??1/T12?n?22

(2)性能指標

???1??2 ?%?e?100%??0.707?4.3%

ts=3??n?31?3s

(3)系統增益與伺服剛度 Ks=Kv=K1K2=1，KR=K1=0.1

（4）essr= essn=-

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。

26.(1)求閉環傳函及誤差表達式 CR(s)R(s)??(s)?0.2?10s(s?2)?0.2?10?s22.11?Kp?1Kv?0?1

0.1K1??0.10.1??1?ess?essr?essn?1?1?0

?s?n22?2s?2?2??ns??2n??n?2,??22

CN(s)N(s)??N(s)?10(s?2)s2?2s?2 C(s)=CR(s)+CN(s)=?(s)R(s)??N(s)N(s)

?ss(s?2)2 E(s)=R(s)-C(s)=[1-?(s)]R(s)-?N(s)N(s)(2)求?%及ts

???1??2R(s)?10(s?2)s2N(s)

?2s?2?2s?2?0.707?1?0.7072 ?% ts=?e?100%?e?100%?4.3%

3??n?3s

(3)求ess

二階系統ai>0閉環穩定 R(s)=1s?1s2,N(s)?0.1s

Ess=lim

1110(s?2)0.1?(?)?lims???1?1?02ss2ss?0s2?2s?2s?0s?2s?2ss(s?2)3.某二階系統如圖所示：

1)求該系統的固有頻率ωn，阻尼比ζ；

2)求系統對r(t)為單位階躍響應時的最大超調量σ%和調節時間ts

1.已知一階系統H(s)=

100.1s?1，試繪出如圖輸入時，系統的輸出示意圖。

1.某單位負反饋系統，受控對象為G(s)=

GC(s)=kp(1+1?s8(s?2)(s?4)，今加入PI串聯控制器)，欲使系統滿足截止頻率ωc=1弧度/s，相位裕量Φm=90°，試確定kp,τ值。

第二篇：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。

第三篇：機電一體化系統設計

機電一體化系統設計

1、動力系統（動力源）、傳感檢測系統（傳感器）、執行元件系統（如電動機）等五個子系統組成。

2、系統必須具有以下三大“目的功能”：①變換（加工、處理）功能；②傳遞（移動、輸送）功能；③儲存（保持、積蓄、記錄）功能。

3的變換、調整功能，可將接口分成四種：1）零接口；2）無源接口；3）有源接口；4）智能接口。

4、機電一體化系統設計的考慮方法通常有：機電互補法、結合（融合）法和結合法。

5擦、低慣量、高強度、高諧振頻率、適當的阻尼比等要求。

6、為達到上述要求，主要從以下幾個方面采取措施：

1）采用低摩擦阻力的傳動部件和導向支承部件，如采用滾珠絲杠副、滾動導向支承、動（靜）壓導向支承等。

2如用加預緊的方法提高滾珠絲杠副和滾動導軌副的傳動和支承剛度；采用大扭矩、寬調速的直流或交流伺服電機直接與絲杠螺母副連接以減少中間傳動機構；絲杠的支承設計中采用兩端軸向預緊或預拉伸支承結構等。

3的等效動慣量，盡可能提高加速能力。

5如選用復合材料等來提高剛度和強度，減輕重量、縮小體積使結構緊密化，以確保系統的小型化、輕量化、高速化和高可靠性化。

第四篇：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？

共

頁

第 1 頁

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

共

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第五篇：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。