第六章 机电一体化系统设计试题汇总

第一篇：第六章 机电一体化系统设计试题汇总

第六章

10.一般说来，如果增大幅值穿越频率ωc的数值，则动态性能指标中的调整时间ts(B)A.增大 B.减小 C.不变 D.不定 11.已知f(t)=a+bt，则它的拉氏变换式为(B)A.as+b B.asbs2 C.bsas2 D.asbs3

11.复合控制器必定具有（D)

A.顺序控制器

B.CPU

C.正反馈

D.前馈控制器 13.一般说来，如果增大幅值穿越频率ωc的数值，则动态性能指标中的调整时间ts(B)A.产大

B.减小

C.不变

D.不定

10.一般来说，引入微分负反馈将使系统动态性能指标中的最大超调量(B)A.增加

B.减小

C.不变

D.不定

11.在采样—数据系统中，执行实时算法程序所花费的时间总和最好应小于采样周期的（A)A.0.B.0.2

C.0.5

D.0.8 6.步进电机一般用于（A）控制系统中。A.开环

A.比例 B.闭环

C.半闭环

D.前馈

11.PD称为（B）控制算法。

B.比例微分

C.比例积分

D.比例积分微分

13.如果增加相位裕量υm，则动态性能指标中的最大超调量σ%为（C）。A.增大

B.不变 C.减小

D.不能确定

10．若考虑系统抑制干扰的能力，选择采样周期的一条法则是：采样速率应选为闭环系统通频带的【 D 】

A．5倍 B．8倍 C．10倍 D．10倍以上 11．在数控系统中，软伺服系统的系统增益Ka为【 B 】

A．(2～5)1／s

B．(8～50)1／s

C．(50～100)1／s

D．(120～150)1／s

10．若考虑对系统响应速度的影响，采样－数据系统中的采样周期应选为系统最小时间常数的 【 A 】

A．(O.1～1)倍 B．2倍 C．5倍 D．10倍 11．在串联校正的比例－积分－微分(PID)控制器中，I的作用是 【 C 】 A．改善稳定性B．加快系统响应速度 C．提高无静差度 D．增大相位裕量

10.在最佳阻尼比条件下，伺服系统的自然频率wn唯一取决于

【

C

】

A.速度环开环增益

B.电动机机电时间常数

C.速度环开环增益与电动机机电时间常数之比

D.速度环开环增益与电动机机电时间常数之积

11在伺服系统中，若要提高系统无静差度，可采用串联

【 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．降低系统稳态误差 B．增加系统稳定性 C．提高系统无静差度 D．减小系统阻尼

7．采样一数据系统中，若考虑系统的抑制干扰能力时，采样速率应为闭环系统通频带的【 A 】

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

【 D 】 A.前馈

B.微分

C.积分

D.比例(2011 07)9.在软伺服系统中，一般认为速度环的闭环增益最好为系统的 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．提高系统误差精度 B．增加系统通频带 C．加快系统调整时间 D．减小系统伺服刚度 2.要求系统响应应以零稳态误差跟踪输入信号可采用（C）A.前馈控制器 B.PI控制器

C.复合控制器

D.反馈控制器

3.一般说来，如果增大自然频率ωn的数值，则动态性能指标中的调整时间ts将(B)A.增大

B.减小

C.不变

D.不定

4.在伺服系统中，若要提高系统无静差度，可采用串联

【

A 】

A.PI校正

B.P校正

C.PD校正

D.D校正 5.伺服系统的输入可以为

A.模拟电流

A.换向结构 B.模拟电压

C.控制信号

D.反馈信号

6.伺服系统一般包括控制器、受控对象、比较器和（D）等部分

B.转化电路

C.存储电路

D.反馈测量装置

（）

D.工业机器人 7.下列那一项是反馈控制系统

A.顺序控制系统

B.伺服系统

C.数控机床

（B）

8.PD称为（B）控制算法。A.比例

B.比例微分

C.比例积分 D.比例积分微分 9.已知f(t)=δ（t）+3，则它的拉氏变换式为

A.1+ 3s

(A)

B.1s3s

C.1s

D.1s3

(B)D.不起作用

10.位置环采用PI控制器,伺服系统对参考输入做到了

A.一阶无静差

B.二阶无静差

C.三阶无静差

二、简答题

1、按照系统信号传递方式，伺服系统有哪几种类型?（2011）

答：模拟式伺服系统、参考脉冲系统、采样——数据系统（计算机闭环控制系统）（模拟电压、参考脉冲信号、二进制数字信号）

2、闭环伺服系统由哪几部分组成?(2011)答: 控制器、受控对象、比较器和反馈测量装置等部分 3．半闭环控制系统的定义及特点是什么? 答:（1）伺服系统中，当位置传感器安装在伺服电动机轴上，用以间接测量工作台的位移时，这种间接测量的系统称为半闭环系统。

（2）特点：可以避免传动机构非线性引起系统产生极限环和爬行振荡，比全闭环系统容易实现，可节省投资。

4．在实际系统中，数字PID控制器的两种实现方式是什么?

答 ：（1）在双传感器系统中，PI由微处理器位置控制器实现，D的作用由测速机负反馈实现；

（2）在单个位置传感器的系统中，PID由微型机单独实现。5．全闭环控制系统的定义及特点是什么?

答：伺服系统中，当位置传感器安装于输出轴（工作台）上时，传感器直接测量工作台移动，这种直接测量的系统统称为全闭环系统。

特点：对输出进行直接控制，可以获得十分良好的控制精度。但受机械传动部件的非线性影响严重，只有在要求高精度的场合，才使用全闭环系统。

2002 6.复合控制器

答：在反馈控制器的基础上附加一个前馈控制器，二者的组合称为复合控制器。它的作用是使系统能以零稳定误差跟踪已知的输入信号。7.伺服系统的刚度

答：伺服系统的刚度定义为输出轴的单位位置误差做承受的负载转矩。8．闭环技术

答：将反馈控制技术与传感器相结合，可构成闭环测量系统。9.半闭环伺服系统

19．采样——数据系统

答：采样——数据系统是指计算机参与闭环控制的伺服系统，其输入往往是由上位机生成并经过精插补的参考指令，输出是转轴的角位移或工作台的线位移。

三、计算题

1、解：

（2011）

2.最小相位系统的开环对数幅频渐近特性如图所示。试求开环传递函数G(s)。解：由对数幅频渐近特性可知：

22某直流电机伺服系统结构如题22图所示，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时，系统的稳态误差θessT；

（2）伺服刚度KR。

r（s）e(s)KpRaT（ds）KvKt（s）1Kt1sTms1（s）

22．某伺服系统结构如题22图所示，已知：Kp=60V／rad，Kf=O.24V²s／rad，Kn=2.5³10V／V，Kt=7.1N²m／A 求：(1)系统增益Kv：(2)伺服刚度KR。

330．已知系统结构图如题30图所示。

(1)若K1=25，Kf=0，求阶跃响应的最大超调量％(定义：％=e

调节时间ts(取△=±0．05)．

‘

（2）当K1=25，欲使系统为最佳阻尼，确定Kf的值。

12100%)和

四、简单应用题

答：

五、综合应用题

1、（2011）

解：

P208

26．某位置反馈系统如题26图所示，已知：电动机时间常数T=0.2s，K1=0.1V／()，K2=400(r／min)／V，K3=0．5。／(r．min1.s)，求：。

(1)=0时,系统的最大超调量%和调整时间ts(按△=±2％计算)；(2)欲使系统具有最佳阻尼比，增设转速负反馈校正，确定的值；(3)校正后，系统的开环增益K及单位速度输入时的稳态误差。

26．控制系统的结构图如题26图所示，已知G(s)=，Gc(s)=Ts+l(1)当T=0时，试确定系统的自然频率ωn，阻尼比ξ和最大超调量σ%；(2)欲希望系统成为最佳阻尼比状态，试确定T值；

(3)校正后，系统的开环增益和单位速度输人时的稳态误差essv。

2005

2004

2003 26.某伺服系统的结构图如图所示，其中Kp、Ti均为正数，试确定使闭环系统稳定，Kp、Ti取值的条件。

30.已知控制系统结构图如下图所示。

①选择K1和K2，使系统性能满足：σ％≤20%和ts=1.8s。②求系统的静态误差系数Kp、Kv和Ka。

32.设单位反馈系统如图所示，已知T1=0.5s,T2=0.05s，为使系统获得最大的相应裕量υm，试确定此时的K值及相应的υm值。

浙江省2003

23.二阶系统结构图如图所示： 设k1=0.4,k2=1.0,T1=1 1）求系统固有频率，阻尼比； 2）求系统增益ks； 3）求系统灵敏度k。

26.绘出由感应同步器等组成的工作台闭环伺服系统框图。

2002 32.某控制系统结构图如图所示，图中GC(s)=Kp(1+Tds),Gp(s)=

K1s(Ts+1)2 =

2S(0.1s+1)2

(1)确定Kp和Td的值，以使系统性能同时满足：

在单位抛物线(恒加速度)函数作用下的稳态误差essa≤0.2，幅值穿越(截止)频率ωc=5

s1(2)计算系统在上述取值条件下的相位裕量m。32.(1)开环传函

G(s)=Gc(s)Gp(s)=(2)确定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时，|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)相应的m

tg1Tdctg1Tctg11.15tg10.1579.726.653.1

30.二阶系统结构图如图所示。

设K1=0.1, K2=10,T1=0.5s(1)求系统对r(t)的阶跃响应的最大超调量σ%及调节时间ts(取△=±5%);(2)求系统增益Ks及伺服刚度KR;(3)求r(t)=1+t及n(t)=0.1共同作用下系统的稳态误差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)性能指标

12 %e100%0.7074.3%

ts=3n313s

(3)系统增益与伺服刚度 Ks=Kv=K1K2=1，KR=K1=0.1

（4）essr= essn=-

26.某二阶系统如图所示

(1)求系统对r(t)阶跃响应的最大超调量σ%和调节时间ts。

(2)求r(t)=1+t,n(t)=0.1共同作用下的稳态误差ess。

26.(1)求闭环传函及误差表达式 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

二阶系统ai>0闭环稳定 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.某二阶系统如图所示：

1)求该系统的固有频率ωn，阻尼比ζ；

2)求系统对r(t)为单位阶跃响应时的最大超调量σ%和调节时间ts

1.已知一阶系统H(s)=

100.1s1，试绘出如图输入时，系统的输出示意图。

1.某单位负反馈系统，受控对象为G(s)=

GC(s)=kp(1+1s8(s2)(s4)，今加入PI串联控制器)，欲使系统满足截止频率ωc=1弧度/s，相位裕量Φm=90°，试确定kp,τ值。

第二篇：10机电一体化系统设计 试题

2010学年第二学期《机电一体化设计》期末考试试卷

姓名：

年级： 级 专业 成绩： 函授站 ：珠海函授站

所读学校： □首大、□昆工

层次：□高起专

□专升本

速度。

10．步进电动机是把输入的电脉冲信号，转换成（）的控制电机。11．步进电机控制步进频率和电脉冲数获得所需转速，改变（）得到所需的转向。12．步进电机接受一个电脉冲,转子转过相应的角度叫（）。

13．步进电机转过角度与输入脉冲频率成正比，电机转速与拍数成（）比。

14． PWM功率放大器的基本原理是：利用大功率器件的开关作用，将直流电压转换成一定

一、单项选择题。在每小题列出的四个选项中只有一个选项是符合题目要求的，请将正确选项前的字母填在题后的括号内。（每小题1分，共10分）1.齿轮传动的总等效惯量随传动级数()。

A.增加而减小 B.增加而增加 C.减小而减小 D.变化而不变

2．机电一体化系统中，根据控制信息和指令完成所要求的动作这一功能的是()。

A．机械本体

B．动力部分

C．控制器

D．执行机构 3．将脉冲信号转换成角位移的执行元件是()。

A．旋转变压器

B．交流伺服电动机

C．步进电动机

D．光电编码盘

4．在下列电机中，()既可通过闭环实现速度或位置控制，又可作步进方式运行，且电机转速不受负载影响，稳定性高。

A．步进电机

B.直流伺服电机

C．交流同步伺服电机

D．笼型交流异步电机

5．如果三相步进电动机绕组为U、V、W，其通电顺序为UVVWWUUV，则这种分配方式为()。

A．三相三拍

B．三相四拍

C．三相六拍

D．双三拍

6．某三相反应式步进电动机转子有40个磁极，采用三相单三拍供电，步距角为()。

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

7．一台三相磁阻式步进电动机，采用三相单三拍方式通电时，步距角为 1.50，则其转子齿数为()。

A.40 B.60 C.80 D．100 8.直流测速发电机输出的是与转速()。

A.成正比的交流电压 B.成反比的交流电压 C.成正比的直流电压 D.成反比的直流电压 9.某光栅的条纹密度是100条/mm，光栅条纹间的夹角=0.001弧度，则莫尔条纹的宽度是()。

A.100mm B.20mm C.10mm D.0.1mm 10．在工业控制计算机中，控制总线的功能是()。

A.确切指定与之通信的外部硬件

B．确定总线上信息流的时序

C．在计算机内部传输数据

D.连接控制电源

二、填空题（每小题1分，共15分）

1．机电一体化技术是机械技术和（）技术相互融合的产物。

2.无论传递功率大小如何，按“等效转动惯量最小”原则来确定的各级传动比，从高速级到低速级，其传动比是逐级增大的，而且级数越多，总等效惯量越（）。

3．在多级传动中，为了减小传动误差，传动比的分配应遵守（）原则。

4．在小功率传动链中，为使总的质量最小，各级传动比分配应遵守（）原则。5.谐波齿轮传动是利用行星轮系传动原理，组成它的三个基本构件是柔轮、刚轮和（）。6．摩擦对伺服系统的影响主要有：引起动态滞后、降低系统的响应速度、导致系统误差和（）。

7．对于执行装置，选择较大的传动比可使系统的（）增大，有利于系统的稳定性。8．电气伺服驱动装置包括（）、交流伺服电机和直流伺服电机。

9．在伺服系统中，通常采用（）原则选择总传动比，以提高伺服系统的响应

（）的方波电压，通过对方波脉冲的控制，改变输出电压的平均值。15．交流异步电动机的转速与电源频率、磁极对数和（）有关。

三、简答题（共10题，每小题3分，共30分）1．为什么采用机电一体化技术可以提高系统的精度?

2．影响机电一体化系统传动机构动力学特性的主要因素有哪些？

3．转动惯量对传动系统有哪些影响？

4．为减小机械系统的传动误差，可采用哪些结构措施？

5．简述伺服机械传动系统的主要要求。

6．如何提高伺服系统的响应速度？

7．伺服电动机的作用是什么？伺服电动机应具备的基本要求是什么？

8．试述直流电机伺服系统中脉宽调制放大器的基本工作原理。

9．步进电机是如何实现速度控制的？

10．简述A／D、D／A接口的功能。

四、分析题。（共两小题，共15分）

1．如图所示的开环步进电机位置控制伺服系统，试分析齿轮减速器的传动误差对工作台输出精度的影响。（7分）

6．试分析比较液压马达和直流电机实现转动输出驱动的不同特点。（8分）

五、计算题（共3小题，每小题10分，共30分）

1.如图，已知双波谐波齿轮的柔轮齿数Z1=200, 刚轮齿数Z2=202，波发生器的转速nH=600r/min。试求：(1)刚轮固定时柔轮的转速n1；(2)柔轮固定时刚轮的转速n2。

2．如图所示电机驱动系统，已知工作台的质量为m=50kg负载力为F1＝1000N，最大加速度为10m/s2，丝杠直径为d＝20mm，导程t＝4mm，齿轮减速比为i=5，总效率为=30％，忽略丝杠惯量的影响，试计算电机的驱动力矩。

3．如图所示的开环步进电机位置控制系统，已知负载为F＝1000N，工作台长L=500mm，往复精度为±0．0lmm，丝杠导程ts=8mm，直径d＝20mm，步进电机的步距角为1.8。，试确定齿轮减速比i。

第三篇：机电一体化系统设计

机电一体化系统设计

1、动力系统（动力源）、传感检测系统（传感器）、执行元件系统（如电动机）等五个子系统组成。

2、系统必须具有以下三大“目的功能”：①变换（加工、处理）功能；②传递（移动、输送）功能；③储存（保持、积蓄、记录）功能。

3的变换、调整功能，可将接口分成四种：1）零接口；2）无源接口；3）有源接口；4）智能接口。

4、机电一体化系统设计的考虑方法通常有：机电互补法、结合（融合）法和结合法。

5擦、低惯量、高强度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。

6、为达到上述要求，主要从以下几个方面采取措施：

1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件，如采用滚珠丝杠副、滚动导向支承、动（静）压导向支承等。

2如用加预紧的方法提高滚珠丝杠副和滚动导轨副的传动和支承刚度；采用大扭矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副连接以减少中间传动机构；丝杠的支承设计中采用两端轴向预紧或预拉伸支承结构等。

3的等效动惯量，尽可能提高加速能力。

5如选用复合材料等来提高刚度和强度，减轻重量、缩小体积使结构紧密化，以确保系统的小型化、轻量化、高速化和高可靠性化。

第四篇：机电一体化系统设计(试题和答案)

一、填空题1．滚珠丝杆中滚珠的循环方式有、两种。2．机电一体化系统，设计指标和评价标准应包括、、、3．在伺服系统中，在满足系统工作要求的情况下，首先应保证系统的，并尽量高伺服系统的响应速度。

4．.实现步进电动机通电环形分配的三种常用方法是、、。5．抑制电磁干扰的常用方法有屏蔽、、、、合理布局和软件抗干扰技术。6．机电一体化系统一般由______________、_____________、接口、__________________、_____________、______________等部分组成。

7．机电一体化系统（产品）设计类型大致可分为________________、适应性设计、________________。

二、简答题

1、机电一体化系统中的计算机接口电路通常使用光电耦合器，光电耦合器的作用有哪些？

2、什么是三相六拍通电方式？

3、简述PWM脉宽调速原理。

4、简述香农采样定理。

5、什么叫传感器？它是由哪几部分组成的？

6、步进电动机常用驱动电路中功率放大电路有哪几种类型?

三、计算题（共20分）（将本题答案写在答题纸上）

（一）、（10分）三相变磁阻式步进电动机，转子齿数Z=100,双拍制通电，要求电动机转速为120r/min，输入脉冲频率为多少?步距角为多少?

（二）、(10分)光栅传感器，刻线数为100线/mm，设细分时测得莫尔条纹数为400，试计算光栅位 移是多少毫米？若经四倍细分后，记数脉冲仍为400，则光栅此时的位移是多少？测量分辨率是多少？

四、综合分析题（共30分）

（一）、分析、说明如图所示计算机控制系统中信号变换与传输的过程、原理。

（二）、伺服控制系统一般包括哪几个部分？每部分能实现何种功能？

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一、填空题（每空1分，共20分）

1、内循环、外循环

2、性能指标

系统功能

使用条件

经济效益

3、稳定性4、1）采用计算机软件分配器

2）小规模集成电路搭接的硬件分配器

3）专用模块分配器

5、隔离

滤波 接地

6、机械本体 动力与驱动

执行机构

传感器检测部分

控制及处理部分

7、开发性设计

变参数设计

二、简答（每题5分，共30分）

1.（1）能保护系统元件不受高共模电压的损害，防止高压对低压信号系统的损坏。（2）泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须提供偏流返回通路。

（3）共模抑制比高，能对直流和低频信号(电压或电流)进行准确、安全的测量。2.如果步进电动机通电循环的各拍中交替出现单、双相通电状态，这种通电方式称为单双相轮流通电方式。如A→ AB→ B→ BC→C → CA→…

3.在一个周期T内闭合的时间为τ，则一个外加的固定直流电压U被按一定的频率开闭的开关S加到电动机的电枢上，电枢上的电压波形将是一列方波信号，其高度为U、宽度为，如右图所示。电枢两端的平均电压为：

UdT1T0UdtTUU

式中

=/T=Ud/U，(0<<1)

为导通率（或称占空比）。

当T不变时，只要改变导通时间，就可以改变电枢两端的平均电压Ud。当从0~T改变时，Ud由零连续增大到U。

4.采样频率大于2倍的信号频率，才能正确复现原信号。

5．传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的，便于应用的某种物理量 的测量装置。敏感元件、转换元件、基本电路。

6.单电压、双电压、斩波恒流、恒流源

三、计算题（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四细分：400：1=400：x=1mm分辨率：1÷400=2.5(μm)

四、综合分析题（30分）

（一）（15分）采样过程是用采样开关（或采样单元）将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过程。因采样后得到的离散模拟信号本质上还是模拟信号，未数量化，不能直接送入计算机，故还需经数量化，变成数字信号才能被计算机接受和处理。

量化过程（简称量化）就是用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号，由于计算机的数值信号是有限的，因此用数码来逼近模拟信号是近似的处理方法。信号进入计算机后经其处理经D/A转换后输出。

D/A转换器是将数字量转换成模拟量的装置。模拟量输出主要由D/A转换器和输出保持器组成。它们的任务是把微机输出的数字量转换成模拟量。多路模拟量输出通道的结构形式，主要取决于输出保持器的结构形式。保持器一般有数字保持方案和模拟保持方案两种。这就决定了模拟量输出通道的两种基本结构形式。

（二）（15分）略

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第五篇：机电一体化系统设计试题_6答案

习题六答案

1、什么是伺服控制？为什么机电一体化系统的运动控制往往是伺服控制？

伺服控制系统是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度及动力输出的自动控制系统.机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。

2、机电一体化系统的伺服驱动有哪几种形式?各有什么特点？

（1）、按被控量参数特性分类

按被控量不同，机电一体化系统可分为位移、速度、力矩等各种伺服系统。其它系统还有温度、湿度、磁场、光等各种参数的伺服系统（2）、按驱动元件的类型分类

按驱动元件的不同可分为电气伺服系统、液压伺服系统、气动伺服系统。电气伺服系统根据电机类型的不同又可分为直流伺服系统、交流伺服系统和步进电机控制伺服系统。（3）、按控制原理分类

按自动控制原理，伺服系统又可分为开环控制伺服系统、闭环控制伺服系统和半闭环控制伺服系统。

3、机电一体化对伺服系统的技术要求是什么？

机电一体化伺服系统要求具有精度高、响应速度快、稳定性好、负载能力强和工作频率范围大等基本要求，同时还要求体积小、重量轻、可靠性高和成本低等。

4、试分析直流伺服电机的结构与工作原理。

直流伺服电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向片结构组成（如图6-3所示）。其中磁极在工作中固定不动，故又称定子。定子磁极用于产生磁场。在永磁式直流伺服电动机中，磁极采用永磁材料制成，充磁后即可产生恒定磁场。在他励式直流伺服电动机中，磁极由冲压硅钢片叠成，外绕线圈，靠外加励磁电流才能产生磁场。电枢是直流伺服电动机中的转动部分，故又称转子，它由硅钢片叠成，表面嵌有线圈，通过电刷和换向片与外加电枢电源相连。

图 6-3 直流伺服电动机基本结构

图6-4 电枢等效电路

直流伺服电动机是在定子磁场的作用下，使通有直流电的电枢（转子）受到电磁转矩的驱使，带动负载旋转。通过控制电枢绕组中电流的方向和大小，就可以控制直流伺服电动机的旋转方向和速度。当电枢绕组中电流为零时，伺服电动机则静止不动。

直流伺服电动机的控制方式主要有两种：一种是电枢电压控制，即在定子磁场不变的情况下，通过控制施加在电枢绕组两端的电压信号来控制电动机的转速和输出转矩；另一种是励磁磁场控制，即通过改变励磁电流的大小来改变定子磁场强度，从而控制电动机的转速和输出转矩。

采用电枢电压控制方式时，由于定子磁场保持不变，其电枢电流可以达到额定值，相应的输出转矩也可以达到额定值，因而这种方式又被称为恒转矩调速方式。而采用励磁磁场控制方式时，由于电动机在额定运行条件下磁场已接近饱和，因而只能通过减弱磁场的方法来改变电动机的转速。由于电枢电流不允许超过额定值，因而随着磁场的减弱，电动机转速增加，但输出转矩下降，输出功率保持不变，所以这种方式又被称为恒功率调速方式

5、试分析直流伺服电机与交流伺服电机在控制上有什么不同？

直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动转矩和相对功率，易于控制及响应快等优点。尽管其结构复杂，成本较高，在机电一体化控制系统中还是具有较广泛的应用。

6、常用的变流技术是什么？各有什么用途？

交流调压器——把固定交流电压变成可调的交流电压。

7、比较直流伺服电动机和交流伺服电动机的适用环境差别。

直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动转矩和相对功率，易于控制及响应快等优点。尽管其结构复杂，成本较高，在机电一体化控制系统中还是具有较广泛的应用。

与直流伺服电动机比较，交流伺服电动机不需要电刷和换向器，因而维护方便和对环境无要求；此外，交流电动机还具有转动惯量、体积和重量较小，结构简单、价格便宜等优点；尤其是交流电动机调速技术的快速发展，使它得到了更广泛的应用。

8、了解伺服电动机的机械特性有什么意义，习、、惯性称呼机械特性硬的含义是什么？

如果直流伺服电动机的机械特性较平缓，则当负载转矩变化时，相应的转速变化较小，这时称直流伺服电动机的机械特性较硬。

9、有一脉冲电源，通过环形分配器将脉冲分配给五相十拍通电的步进电机定子励磁绕组，测得步进电机的转速为100r/min，已知转子有24个齿，求： 1）步进电机的步距角； 2）脉冲电源的频率。

10、三相变磁阻式步进电动机，转子齿数Z=100,双拍制通电，要求电动机转速为120r/min，输入脉冲频率为多少?步距角为多少?

11、简述交流电动机变频调速控制方案。

（１）开环控制

（2）无速度传感器的矢量控制

（3）带速度传感器矢量控制

（4）永磁同步电动机开环控制

12、试分析三相SPWM的控制原理。

在PWM型逆变电路中，使用最多的是图6-43a的三相桥式逆变电路，其控制方式一般都采用双极性方式。U、V和W三相的PWM控制通常公用一个三角波载波uc，三相调制信号U ru

, U rv 和, U rw的相位依次相差1200。U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同，现以U相为例来说明。当Uru > uc时，给上桥臂晶体管V1以导通信号，给下桥臂晶体管V4以关断信号，则U相相对于直流电源假想中点N’的输出电压UUN’= Ud/2。当Uru < uc时，给V4以导通信号，给V1以关断信号，则UUN’=Ud／2。V1和V4的驱动信号始终是互补的。当给V1（V4）加导通信号时，可能是V1（V4）导通，也可能二极管VD1（VD4）续流导通，这要由感性负载中原来电流的方向和大小来决定，和单相桥式逆变电路双极性SPWM控制时的情况相同。V相和W相的控制方式和U相相同。UUN’、UVN’和Uwn’ 的波形如图6-43b所示。可以看出，这些波形都只有±Ud两种电平。像这种逆变电路相电压（uUN’、uVN’和uWN’）只能输出两种电平的三相桥式电路无法实现单极性控制。图中线电压UUV的波形可由UUN’ ― UVN’得出。可以看出，当臂1和6导通时，UUV = Ud，当臂3和4导通时，UUV =―Ud，当臂1和3或4和6导通时，Uuv=0，因此逆变器输出线电压由+Ud、-Ud、0三种电平构成。负载相电压UUN可由下式求得

uUNuUN’UUN'UVN'UWN'

3（6-18）

从图中可以看出，它由（±2/3）Ud，（±1/3）Ud和0共5种电平组成。

(a)

(b)

图6-43三相SPWM逆变电路及波形

在双极性SPWM控制方式中，同一相上下两个臂的驱动信号都是互补的。但实际上为了防止上下两个臂直通而造成短路，在给一个臂施加关断信号后，再延迟△t时间，才给另一个臂施加导通信号。延迟时间的长短主要由功率开关器件的关断时间决定。这个延迟时间将会给输出的PWM波形带来影响，使其偏离正弦波。

13、分析影响直流伺服电机的影响因素。

（1）驱动电路对机械特性的影响

（2）直流伺服电动机内部的摩擦对调节特性的影响（3）负载变化对调节特性的影响

14、变流技术有哪几种应用形式？举出各种变流器的应用实例。

变流技术按其功能应用可分成下列几种变流器类型：

整流器——把交流电变为固定的（或可调的）直流电。

逆变器——把固定直流电变成固定的（或可调的）交流电。

斩波器——把固定的直流电压变成可调的直流电压。

交流调压器——把固定交流电压变成可调的交流电压。

周波变流器——把固定的交流电压和频率变成可调的交流电压和频率。

15、什么是PWM？直流PWM调压比其它调压方式有什么优点？

斩波器调压控制直流伺服电机速度的方法又称为脉宽调制（Pulse Width Modulation）直流调速。如图所示为脉宽调速原理示意图。

将图6-31a中的开关S周期性地开关，在一个周期T内闭合的时间为τ，则一个外加的固定直流电压U被按一定的频率开闭的开关S加到电动机的电枢上，电枢上的电压波形将是一列方波信号，其高度为U、宽度为，如图6-31b所示。电枢两端的平均电压为：

UdT1T0UdtTUU

（6-17）

式中

=/T=Ud/U，(0<<1)

为导通率（或称占空比）。

当T不变时，只要改变导通时间，就可以改变电枢两端的平均电压Ud。当从0~T改变时，Ud由零连续增大到U。实际电路中，一般使用自关断电力电子器件来实现上述的开关作用，如GTR、MOSFET、IGBT等器件。图6-3中的二极管是续流二极管，当S断开时，由于电枢电感的存在，电动机的电枢电流可通过它形成续流回路。

16、交流变频调速有哪几种类型，各有什么特点？

（１）开环控制

开环控制的通用变频器三相异步电动机变频调速系统控制框图如图6-25所示。

图6-25 开环异步电动机变频调速

VVVF-通用变频器 IM-异步电动机

该控制方案结构简单，可靠性高。但是，由于是开环控制方式，其调速精度和动态响应特性并不是十分理想。尤其是在低速区域电压调整比较困难，不可能得到较大的调速范围和较高的调速精度。异步电动机存在转差率，转速随负荷力矩变化而变动，即使目前有些变频器具有转差补偿功能及转矩提升功能，也难以达到0.5%的精度，所以采用这种V/F控制的通用变频器异步机开环变频调速适用于一般要求不高的场合，例如风机、水泵等机械。

图6-26 矢量控制变频器的异步电动机变频调速

VVVF-矢量变频器

（2）无速度传感器的矢量控制

无速度传感器的矢量控制变频器异步电机变频调速系统控制框图如图6-26所示。对比图6-25图，两者的差别仅在使用的变频器不同。由于使用无速度传感器矢量控制的变频器，可以分别对异步电动机的磁通和转矩电流进行检测、控制，自动改变电压和频率，使指令值和检测实际值达到一致，从而实现了矢量控制。虽说它是开环控制系统，但是大大提升了静态精度和动态品质。转速精度约等于0.5%，转速响应也较快。

如果生产要求不是十分高的情形下，采用矢量变频器无传感器开环异步电机变频调速是非常合适的，可以达到控制结构简单，可靠性高的实效。

（3）带速度传感器矢量控制

带速度传感器矢量控制变频器的异步电机闭环变频调速系统控制框图如图6-27所示。

图6-27 异步电机闭环控制变频调速

PG-速度脉冲发生器

矢量控制异步电机闭环变频调速是一种理想的控制方式。它具可以从零转速起进行速度控制，即甚低速亦能运行，因此调速范围很宽广，可达100:1或1000:1；可以对转矩实行精确控制；系统的动态响应速度甚快；电动机的加速度特性很好等优点

17、什么是SPWM？SPWM信号是数字信号形式还是模拟信号形式？

在PWM型逆变电路中，使用最多的是图6-43a的三相桥式逆变电路，其控制方式一般都采用双极性方式。U、V和W三相的PWM控制通常公用一个三角波载波uc，三相调制信号U ru

, U rv 和, U rw的相位依次相差1200。U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同，现以U相为例来说明。当Uru > uc时，给上桥臂晶体管V1以导通信号，给下桥臂晶体管V4以关断信号，则U相相对于直流电源假想中点N’的输出电压UUN’= Ud/2。当Uru < uc时，给V4以导通信号，给V1以关断信号，则UUN’=Ud／2。V1和V4的驱动信号始终是互补的。当给V1（V4）加导通信号时，可能是V1（V4）导通，也可能二极管VD1（VD4）续流导通，这要由感性负载中原来电流的方向和大小来决定，和单相桥式逆变电路双极性SPWM控制时的情况相同。V相和W相的控制方式和U相相同。UUN’、UVN’和Uwn’ 的波形如图6-43b所示。可以看出，这些波形都只有±Ud两种电平。像这种逆变电路相电压（uUN’、uVN’和uWN’）只能输出两种电平的三相桥式电路无法实现单极性控制。图中线电压UUV的波形可由UUN’ ― UVN’得出。可以看出，当臂1和6导通时，UUV = Ud，当臂3和4导通时，UUV =―Ud，当臂1和3或4和6导通时，Uuv=0，因此逆变器输出线电压由+Ud、-Ud、0三种电平构成。负载相电压UUN可由下式求得

uUNuUN’UUN'UVN'UWN'

318、用SPWM进行交流变频调速所对应的传统方法有哪些？各有什么特点？

实施SPWM的基本要求

1、单极性SPWM法]（1)调制波和载波：曲线①是正弦调制波，其周期决定于需要的调频比kf，振幅值决定于ku,曲线②是采用等腰三角波的载波，其周期决定于载波频率，振幅不变，等于ku=1时正弦调制波的振幅值，每半周期内所有三角波的极性均相同(即单极性)。

调制波和载波的交点，决定了SPWM脉冲系列的宽度和脉冲音的间隔宽度，每半周期内的脉冲系列也是单极性的。

（2)单极性调制的工作特点：每半个周期内，逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中，只有一个器件按脉冲系列的规律时通时通时断地工作，另一个完全截止；而在另半个周期内，两个器件的工况正好相反，流经负载ZL的便是正、负交替的交变电流。

2、双极性SPWM法(1)调制波和载波：

调制波仍为正弦波，其周期决定于kf，振幅决定于ku,中曲线①，载波为双极性的等腰三角波，其周期决定于载波频率，振幅不变，与ku=1时正弦波的振幅值相等。

调制波与载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，此脉冲系列也是双极性的，但是，由相电压合成为线电压(uab=ua-ub;ubc=ub-uc;uca=uc-ua)时，所得到的线电压脉冲系列却是单极性的。

(2)双极性调制的工作特点：逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断，毫不停息，而流过负载ZL的是按线电压规律变化的交变电流。

19、步进电动机是什么电机？它的驱动电路的功能是什么？

伺服电机。环形分配，对控制信号进行功率放大。

20、试分析半桥逆变电路的工作原理

半桥逆变电路原理如图6-36a所示，它有两个导电臂，每个导电臂由一个可控元件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，使得两个电容的联结点为直流电源的中点。

设电力晶体管Vl和V2 基极信号在一个周期内各有半周正偏和反偏，且二者互补。当负载为感性时，其工作波形如图6-36b所示。输出电压波形u0 为矩形波，其幅值为Um =Ud /2输出电流i0 波形随负载阻抗角而异。设t2 时刻以前V1 导通。t2 时刻给V1关断信号，给V2 导通信号，但感性负载中的电流i0 不能立刻改变方向，于是VD2 导通续流。当t3时刻i0 降至零时VD2 截止，V2 导通，i0 开始反向。同样，在t4 时刻给V2 关断信号，给V1 导通信号后，V2 关断，VD1 先导通续流，t5 时刻V1 才导通。

当V1 或 V2 导通时，负载电流和电压同方向，直流侧向负载提供能量；而当VD1 或 VD2导通时，负载电流和电压反方向，负载中电感的能量向直流侧反馈，既负载将其吸收的无功能量反馈回直流侧。反馈回的能量暂时储存在直流侧电容中，直流侧电容起到缓冲这种无功能量的作用。二极管VD1、VD2是负载向直流侧反馈能量的通道，同时起到使负载电流连续的作用，VD1、VD2被称为反馈二极管或续流二极管。