02245机电一体化系统设计2013年4 月试题及答案

第一篇：02245机电一体化系统设计2013年4 月试题及答案

2013年4月高等教育自学考试全国统一命题考试

机电一体化系统设计 试题

课程代码：02245

本试卷满分100分，考试时间150分钟 考生答题注意事项：

1.本卷所有试卷必须在答题卡上作答。答在试卷和草稿纸上的无效。

2.第一部分为选择题。必须对应试卷上的题号使用2B铅笔将“答题卡”的相应代码涂黑。3.第二部分为非选择题。必须注明大、小题号，使用0.5毫米黑色字迹笔作答。4.合理安排答题空间，超出答题区域无效。

第一部分

选择题

一、单项选择题(本大题共10小题，每小题1分，共10分)在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其选出并将“答题卡”的相应代码涂黑。未涂、错涂或多涂均无分。

1．利用预先决定的指令控制一系列加工作业的系统称为 A．自动引导车 B.伺服系统 C．工业机器人 D．数控系统

2．齿轮副的间隙会造成齿轮传动的回差，属于柔性消隙法的结构是 A．压簧消隙结构 B．选择装配法 C．带锥度齿轮法 D.调整中心距法

3．某伺服电动机最高转速为1500 r／min，通过联轴器直接带动滚珠丝杠旋转，且丝杠螺母带动工作台移动，若丝杠导程为6mm，则工作台移动的最大速度为 A．900 mm／min B．1500 mm／min C．3000mm／min D．9000 mm／min 4．当金属或半导体薄片置于磁场中，有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生

电动势。这种物理现象称为 A．压阻效应 B．压电效应 C.电阻效应 D．霍尔效应

5．在易燃易爆的工业环境中不宜使用的电动机是 A．直流电动机 B．永磁同步电动机 C．无刷电动机 D．超声波电动机

6．在PWM放大器中，能够实现开通延迟的方法是 A.晶体管驱动级加延迟 B．脉宽凋制器中减小死区 C.采用熔断器保护

D．晶体管饱和导通压降检测保护 7．提高伺服系统刚度的方法是

A.增大电枢回路电阻Ra B．增大系统增益Kv C．减小系统增益Kv

D.减小电机反电势系数Ke

8.在具有位置环的全闭环交流伺服系统中，速度环的反馈通常取自与伺服电动机同轴安

装的

A．光栅尺 B．磁栅尺 C．感应同步器 D．光电编码器

9．适用于自动检测、监测及控制的西门子S7系列超小型的PLC是 A．SIMATIC S7—200PLC B．SIMATIC NET C．SIMATIC S7—300PLC D．SIMATIC S7—400PLC 10．助记符语句AND NOT 0.00的含义是 A．载入一个动合触点0．00 B．并联一个动合触点0．00 C．串联一个动断触点0．00 D．串联一个动合触点0．00

第二部分

非选择题

二、简答题(本大题共8小题，每小题4分，共32分)请在答题卡上作答。11.什么是非线性时变系统? 12．简述机械受控模块的定义及功能。

13.简述液体静压支承与液体动压支承的工作原理。

14．PWM的控制回路是一个电压——脉冲变换装置，简称脉宽调制器，它是由哪些信号和部

件组成的? 15.简述永磁式步进电动机的工作原理及其特点。16．何谓步进电动机的启动频率?影响它的因素有哪些? 17．比较半闭环和全闭环系统的优缺点。

18．简述数据采样插补采用时间分割法进行插补运算的工作原理。

三、计算题(本大题共4小题，每小题5分，共20分)请在答题卡上作答。

19．题19图所示为某机床X向进给系统减速器的总速比要求为30／7，取两级减速，试按最佳速比分配条件确定各齿轮的齿数。

20．题20图所示，用每转1000条刻线的增量编码器测电动机转速。已知：时钟脉冲为 2MHz，在10个编码器脉冲间隔的时间里，计数器共计数20000个时钟脉冲，试用测量码盘脉冲周期法求电动机转速。

21．用步进电动机控制工作台的运动。

(1)设步距角1.8°，滚珠丝杠导程4mm，进给脉冲频率2KHz，求进给速度v(m／min)。(2)若在工作台抵达目标(停止)点前0．4mm将速度减半，求减速段电机运行的时间。22．伺服系统如题22图所示。

(1)选择时间常数T的值，使阻尼比ξ=0．5。(2)计算系统的伺服刚度KR。

四、简单应用题(本大题共3小题，每小题6分，共18分)请在答题卡上作答。

23．试设计一个典型二阶高通滤波器的电路原理图。

24．一台直流伺服电动机在额定负载转矩下运行。当控制电压为210V，电枢回路的总电阻

为1OOΩ时，电机的转速为2000r／min，电枢电流为0．1A。试求当控制电压升高为 220V，同时电枢回路的总电阻增加至200Ω时，电机稳定运行时的转速和电枢电流。25．有一个4轴的运动控制系统，起始坐标为(0，3，-2，4)，终点坐标为(4，8，-4，-8)，设各轴容许的最大速度相同，各轴容许的最大加速度也相同。利用三次多项式样条函数生成点位控制指令，在保证所有各轴的速度和加速度都不超过容许值的情况下，协调运动的容许时间小于5，试求各轴容许的最大速度和最大加速度的最小值。

五、综合应用题(本大题共2小题，每小题10分，共20分)请在答题卡上作答。

27．设计二台电动机联动的PLC控制系统。要求：按起动按钮后，电动机M1起动，10s后电动机M2自动起动；按停止按钮后，M2停止，20s后M1再停止。试完成设计任务：(1)列出PLC系统资源分配表。(2)画出梯形图程序。

第二篇：机电一体化系统设计试题及答案

机电一体化系统设计试题

课程代码：02245

一、单项选择题(本大题共14小题，每小题1分，共14分)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。

1.受控变量是机械运动的一种反馈控制系统称()A.顺序控制系统 B.伺服系统 C.数控机床 D.工业机器人 2.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 3.滚珠丝杠螺母副结构类型有两类：外循环插管式和()A.内循环插管式 B.外循环反向器式 C.内、外双循环 D.内循环反向器式

4.某光栅的条纹密度是100条/mm，光栅条纹间的夹角θ=0.001孤度，则莫尔条纹的宽度是()A.100mm B.20mm C.10mm D.0.1mm 5.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 6.电压跟随器的输出电压()输入电压。

A.大于 B.大于等于 C.等于 D.小于

7.某4极交流感应电动机，电源频率为50Hz，当转差率为0.02时，其转速为()A.1450［r/min］ B.1470［r/min］ C.735［r/min］ D.2940［r/min］ 8.右图称()A.直流伺服电动机调节特性 B.直流伺服电动机机械特性 C.直流伺服电动机动态特性 D.直流伺服电动机调速特性

9.计算步进电动机转速的公式为()

A.B.Tsmcos C.D.180°-

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()

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()A.+b B.C.D.12.连续路径控制类中为了控制工具沿任意直线或曲线运动，必须同时控制每一个轴的()使得它们同步协调到达目标点。

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.图示利用继电器触点实现的逻辑函数为()A.(A+ B.A²)²(+ +B)²B +)C.(A+B)²（D.A²B+ ²

14.累计式定时器工作时有()A.1个条件 B.2个条件 C.3个条件 D.4个条件

二、名词解释题(本大题共5小题，每小题2分，共10分)

15.机电一体化 16.轴系的动特性

17.灵敏度(测量)18.永磁同步电动机 19.复合控制器

三、简答题(本大题共4小题，每小题4分，共16分)20.机电一体化系统设计指标大体上应包括哪些方面? 21.步进电动机常用的驱动电路有哪几种类型?其中哪种电路适于永磁式步进电动机? 22.步进电动机数控系统和参考脉冲伺服系统的输入信号是什么?输出轴的转速、转向、位置各自与哪些因素有关? 23.什么是PLC的扫描工作制?

四、计算题(本大题共4小题，每小题5分，共20分)24.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。如图

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。

25.已知某一线性电位器的测量位移原理如图所示。若电位器的总电阻R=2kΩ，电刷位移为X时的相应电阻Rx=1kΩ，电位器的工作电压Vi=12V,负载电阻为RL。

(1)已测得输出电压Vo=5.8V,求RL。(2)试计算此时的测量误差。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。27.三相变磁阻式步进电动机，转子80个齿。

(1)要求电动机转速为60r/min,单双拍制通电，输入脉冲频率为多少?

(2)要求电动机转速为100r/min，单拍制通电，输入脉冲频率为多少?

五、简单应用题(本大题共4小题，每小题6分，共24分)28.已知一阶低通有源滤波器电路如图所示。要求：(1)一阶低通滤波器现存在什么弱点?

(2)将其改进为二阶低通滤波器，画出电路图；(3)画出二阶低通的幅频特性示意图。

29.三相交流感应电动机，电源频率50Hz，空载转速为1450r/min。

(1)该电动机为几极，空载转差率是多少?(2)堵转时定子、转子绕组电势频率各为多少?(3)空载时，定子、转子绕组电势频率各为多少? 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。

31.考虑x-y平面上的直线运动路径，源点坐标(5，-2)，终点坐标为(1，-1)。设两轴最大加速度限制：αxmax=αymax=±2。试设计三次多项式样条函数点位控制指令。

六、综合应用题(本大题2小题，每小题8分，共16分)32.某控制系统结构图如图所示，图中GC(s)=Kp(1+Tds),Gp(s)= =

(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

(2)计算系统在上述取值条件下的相位裕量 m。33.采用PLC设计二台电动机A、B工作的系统。

（1）按钮X1为A电动机起动，按钮X2为A电动机停止（输出Y1）；（2）按钮X3为B电动机起动，按钮X4为B电动机停止（输出Y2）；（3）只有A电动机在工作中，B电动机才能工作。

要求：画出梯形图，写出助记符指令程序。

机电一体化系统设计试题参考答案

课程代码：02245

一、单项选择题(本大题共14小题，每小题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、名词解释题(本大题共5小题，每小题2分，共10分)15.机械与电子的集成技术。

16.指轴系抵抗冲击、振动、噪声的特性。

17.输出变化量与对应的输入(被测量)变化量的比值。有时称为增量增益或标度因子。18.以电子换向取代了传统直流电动机的电刷换向，又称无刷电动机。

19.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。

三、简答题(本大题共4小题，每小题4分，共16分)20.应包括系统功能、性能指标、使用条件、经济效益。

21.主要有：单极性驱动电路、双极性驱动电路、高低压驱动电路、斩波驱动电路、细分电路。其中双极性驱动电路适于永磁式步进电动机。

22.(1)参考脉冲序列。

转速与参考脉冲频率成正比。

(2)输出轴

转向由转向电平决定。

位置由参考脉冲数决定。

23.PLC的扫描工作制，即检测输入变量、求解当前控制逻辑以及修正输出指令。重复进行。

四、计算题(本大题共4小题，每小题5分，共20分)

24.（1）刚轮固定时：

（2）柔轮固定时

n1=-

25.V0=

(1)当V01=5.8时，5.8=

5.8=

(２)空载时ＲＬ＝

设测量出5.8Ｖ输出电压时的测量误差

则

26.(1)求闭环传函及误差表达式

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

(2)求

ts=

(3)求ess

二阶系统ai>0闭环稳定

R(s)=

Ess= 27.(1)

即

（2）单拍制

]R(s)-

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

即： f=

五、简单应用题（本大题共4小题，每小题6分，共24分）28．（1）一阶低通滤波器存在过渡区域衰减缓慢的弱点。

2）二阶低通有源滤波器电路图(3)低通滤波幅频率特性示意图。29．（1）

即该电动机为四级

空载时转差率为：S=

（2）堵转时：S＝１

定子绕组电势频率f1=50Hz,转子绕组电势频率f2=Sf1=50Hz(3)空载时：

定子绕阻电势频率f1＝50Hz,转子绕组电势频率：

f2= 30.(1)G(s)= 1型 Ｋv=

Ｋp=

(2)性能指标

ts=

(3)系统增益与伺服刚度

Ks=Kv=K1K2=1，KR=K1=0.1（4）essr= essn=-

31.所以协调运动先设计x轴，再利用下列直线方程变换成y轴控制指令

y(t)=-

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

y(t)=-2+

六、综合应用题（本大题共２小题，每小题８分，共１６分）32.(1)开环传函

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

(2)确定Kp和Td

由essa=

取Kp=2.5

在

1+25T

(3)相应的

33.(1)梯形图：

（２）助记符指令程序：

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

第三篇：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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第四篇：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。

第五篇：机电一体化系统设计试题_1答案

习题一答案

1、什么是机电一体化？

机电一体化技术综合应用了机械技术、微电子技术、信息处理技术、自动控制技术、检测技术、电力电子技术、接口技术及系统总体技术等群体技术，在高质量、高精度、高可靠性、低能耗意义上实现多种技术功能复合的最佳功能价值的系统工程技术。

2、什么是机电一体化的变参数设计？

在设计方案和结构原理不变的情况下，仅改变部分结构尺寸和性能参数，使之适用范围发生变化的设计方式。例如，同一种产品不同规格型号的相同设计。1-

3、机电一体化技术与传统机电技术的区别。

传统机电技术的操作控制主要以电磁学原理的各种电器来实现，如继电器、接触器等，在设计中不考虑或很少考虑彼此间的内在联系。机械本体和电气驱动界限分明，整个装置是刚性的，不涉及软件和计算机控制。机电一体化技术以计算机为控制中心，在设计过程中强调机械部件和电器部件间的相互作用和影响，整个装置在计算机控制下具有一定的智能性。

4、试分析机电一体化技术的组成及相关关系。

机电一体化系统是多学科技术的综合应用，是技术密集型的系统工程。其技术组成包括：机械技术、检测技术、伺服传动技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术和系统总体技术等。现代的机电一体化产品甚至还包含了光、声、化学、生物等技术等应用。

5、一个典型的机电一体化系统，应包含哪些几个基本要素？

机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。我们将这些部分归纳为：结构组成要素、动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、智能组成要素；这些组成要素内部及其之间，形成通过接口耦合来实现运动传递、信息控制、能量转换等有机融合的一个完整系统。

6、试简述机电一体化系统的设计方法。

机电一体化系统的设计过程中，一直要坚持贯彻机电一体化技术的系统思维方法，要从系统整体的角度出发分析研究各个组成要素间的有机联系，从而确定系统各环节的设计方法，并用自动控制理论的相关手段，进行系统的静态特性和动态特性分析，实现机电一体化系统的优化设计。

7、机电一体化系统（产品）开发的类型。

机电一体化系统（产品）开发的类型依据该系统与相关产品比较的新颖程度和技术独创性，可分为开发性设计、适应性设计和变参数设计。

8、机电一体化的智能化趋势体现在哪些方面。

（1）诊断过程的智能化、（2）人一机接口的智能化、（3）自动编程的智能化、（4）加工过程的智能化

9、机电一体化的发展趋势体现在哪些方面。

高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展

10、机电一体化系统中的接口的作用。

接口主要完成电平转换、信号隔离、放大、滤波、速度匹配等

11、为什么说机电一体化技术是其它技术发展的基础？举例说明。

机电一体化技术是其他高新技术发展的基础，机电一体化的发展依赖于其他相关技术的发展，可以预料，随着信息技术、材料技术、生物技术等新兴学科的高速发展，在数控机床、机器人、微型机械、家用智能设备、医疗设备、现代制造系统等产品及领域，机电一体化技术将得到更加蓬勃的发展。

12、试分析机电一体化系统设计与传统的机电产品设计的区别。

机电一体化系统设计方法与用经验公式、图表和手册为设计依据的传统方法不同，它是以计算机为手段，其设计步骤通常如下：设计预测一→信号分析一→科学类比一→系统分析设计一→创造设计一→选择各种具体的现代设计方法（如相似设计法、模拟设计法、有限元法、可靠性设计法、动态分析法、优化设计法、模糊设计法等）一→机电一体化系统设计质量的综合评价

13、试简述机电一体化技术与并行工程的区别。

机电一体化技术将机械技术、微电子技术、计算机技术、控制技术和检测技术在设计和制造阶段就有机结合在一起，十分注意机械和其他部件之间的相互作用。而并行工程是将上述各种技术尽量在各自范围内齐头并进，只在不同技术内部进行设计制造，最后通过简单叠加完成整体装置。

14、机电一体化技术与自动控制技术的区别。

自动控制技术的侧重点是讨论控制原理、控制规律、分析方法和自动系统的构造等。机电一体化技术是将自动控制原理及方法作为重要支撑技术，将自控部件作为重要控制部件。它应用自控原理和方法，对机电一体化装置进行系统分析和性能测算。1-

15、试分析家用洗衣机脱水系统的工作原理，如何体现机电一体化技术的。

16、机电一体化技术与计算机应用技术的区别。

机电一体化技术只是将计算机作为核心部件应用，目的是提高和改善系统性能。计算机在机电一体化系统中的应用仅仅是计算机应用技术中一部分，它还可以作为办公、管理及图象处理等广泛应用。机电一体化技术研究的是机电一体化系统，而不是计算机应用本身。

17、试简述机电一体化系统的设计步骤。

计步骤通常如下：设计预测一→信号分析一→科学类比一→系统分析设计一→创造设计一→选择各种具体的现代设计方法（如相似设计法、模拟设计法、有限元法、可靠性设计法、动态分析法、优化设计法、模糊设计法等）一→机电一体化系统设计质量的综合评价。

18、试分析机电一体化技术在打印机中的应用。

打印机是典型的光机电一体化产品，材料、电子、光学、机械等领域的新技术都会很快地反映在打印机产品中，并推动打印机向自动化、人性化、多样化及更好地满足用户多种需求的方向发展。平推式走纸通道技术减少了由于纸张弯曲、卡纸造成的打印偏差，也使打印存折等复杂介质成为可能；平推式走纸还使纸张的进退纸速度加快，提高了柜台业务处理速度；而利用传感器 判断纸张边界的纸张定位技术使打印内容的定位更加准确，使用户只需将纸张放入打印机即可，不必再调整纸张进纸位置——这些技术促进了平推式票据打印机的发展。

引入LCD显示技术使打印机面板不再单调，液晶屏可以显示打印机状态、版本信息等内容，便于进行参数设置，使人机交流更加轻松，操作更加简单；Flash下载技术使打印机可以直接通过主机下载升级程序，改变了以往需要专业工程师拆机更换芯片的麻烦，升级更加方便、快捷，甚至用户都可以自己动手过一把“下载升级”的瘾；一些打印机厂商还根据用户的需要开发出了双用户模式，使打印机可以同时使用串口和并口进行打印，达到一机多用、一机多联的功能；部分高档的存折打印机还配备有磁条读写模块，使打印机不仅能够打印，还具有自动读取存折磁条信息的功能——存折进入打印机后，读写磁条信息、打印存折内容一气呵成，使柜台打印业务处理更高效，且保密性更好。

借助磁码打印技术（需特殊色带和打印装置）可使打印输出既具有可读性，又具有防伪、机读等特性，加强了系统的安全性、保密性、高效性。

安装了网卡的打印机可以实现多机共享、远程控制、远程管理、远程诊断功能；安装了无线网卡就可实现无线操作；再加上自动翻页装置就可实现自助补登功能。

安装了扫描头的打印机可以同时进行扫描工作，使打印机具有了输入设备的功能，而配备IC卡读写器的打印机还可以同时进行IC卡的读写工作，这就大大节省了柜台的宝贵空间。

19、如何保证机电一体化系统的高性能？

高性能化一般包含高速化、高精度、高效率和高可靠性。

1-20、列举各行业机电一体化产品的应用实例，并分析各产品中相关技术应用情况。

见题15、18题