电大复习题Word格式文档下载.docx
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5．步进电机的驱动电源由___________、__________和 __________组成。
6．由矩频特性曲线可知，步进电机的_________小于最大静转矩，并随着脉冲频率的升高而____________。
7．当前，广泛采用的直流伺服电机的驱动电路有___________和__________两种。
8．交流异步电动机的转速与__________、_________和___________有关。
9．液压系统的伺服控制元件主要有____________和___________。
10．评定定位系统的主要性能指标是____________和___________。
二、简答题
1．如何提高伺服系统的响应速度？
2．步进电机是如何实现速度控制的？
3．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。
4．交流伺服电机有哪些类型？
交流伺服驱动的主要特点是什麽？
三、分析题
1．如图所示的系统，试分析传感器的误差对输出精度的影响。
图1 电机驱动直线伺服系统
2．如图所示的伺服系统，试分析齿轮减速器的传动误差对工作台输出精度的影响。
图2 开环步进电机位置控制系统
四、计算题
1．如图1所示的电机驱动直线伺服系统，已知工作台的质量为50kg，工作台与导轨间的摩擦系数f＝0.1，负载力为1000N，丝杠直径为16mm，导程为4mm，齿轮减速比为5，工作台的最大线速度为0.05m/s，试求：
（1）折算到电机轴上的负载力矩；
（2）电机轴的转速；
（3）电机所需功率。
2．如图2所示的开环步进电机位置控制系统，已知负载力F=2000N，工作台长L=400mm，往复精度为
mm，丝杠导程6mm，直径d＝32mm，步进电机的步距角为α＝
，试确定齿轮减速比i。
《机电一体化系统》复习题（三）
一、填空题
1．计算机的系统总线（信号线）有___________、__________和_________等三类。
2．第一条标准微机总线是_________总线，而
__________总线可支持多CPU并行工作。
3．开关量输入/输出模板的典型接口由
___________、__________和
__________所组成。
4．典型开关量I/O模板的I/O电气接口的主要功能有__________、__________、
___________和___________
5．一般的多路A/D转换模板由
___________、___________、_________和_________所组成。
6．选择A/D模板的主要依据是
_________、__________和
__________。
7．与A/D转换模板不同，在多路D/A转换模板中，需要多个
_________，各通道D/A的有效数据由____________产生的信号来决定。
8．在工业过程控制系统中，计算机的指令进行D/A转换后，须经过
___________环节才能驱动执行机构。
1．试述可编程序控制器的功能及组成。
2．开放式体系结构的主要特点是什麽？
3．采用STD总线的工业控制机有哪几种工作模式？
4．简述STD总线微机控制系统的主要特点。
5．STD总线系统的I/O子系统有哪些主要功能？
6．A/D、D/A接口的功能是什麽？
1．画图说明工业控制机与普通信息处理计算机的主要区别是什么？
2．画图说明8路输入、8路输出STD总线开关量接口模板的组成原理。
3．试分析比较工业控制PC计算机与可编程序控制器的主要区别。
《机电一体化系统》复习题（四）
1．通常，传感器由____________、____________和____________所组成。
2．传感器的分类方法主要有____________、___________、___________、_________、
___________、和 ___________。
3.传感器的主要静态特性指标有__________、__________、__________和__________。
4．数字式传感器的动态特性是输入量变化的___________。
5．传感器输入特性的主要参数是___________或________。
6．位移传感器是把位移转换成____________或____________的传感器。
7．常用编码器式位置传感器有_____________和____________两种。
8．速度传感器主要包括___________和__________两类。
1．简述电位器式位移传感器的工作原理和主要特点。
2．简述光电编码器式位置传感器的工作原理和主要特点。
3．选择传感器应主要考虑哪几方面的因素？
4．应变片式力传感器的主要特点是什么？
1．试分析比较测速发电机和光电编码器做转速测量的特点。
2．分析比较例6.2三种方案的有优缺点。
四、计算题
已知某工作台采用直流电机丝杠螺母机构驱动，已知工作台的行程L=250mm,丝杠导程t=4mm,齿轮减速比为i=5,要求工作台位移的测量精度为0.005mm，采用高速端测量方法，试确定旋转编码器的每转脉冲数。
（忽略齿轮和丝杠的传动误差）
机电一体化系统复习题解答
（一）
1．控制计算机控制软件硬件接口电路
2．民用机电一体化办公机电一体化产业机电一体化
3．质量目标管理实行可行性设计进行设计质量评审
4．定期预测定量预测
5．精度稳定性快速响应性
6．前小后大
7．转子惯量
8．传动误差回程误差
机电一体化系统中传感测试部分的作用是对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，变为可识别的信号，传输到信息处理单元，经分析处理后产生控制信息。
机电一体化产品设计的工程路线（主要步骤）：
拟定产品开发目标和技术规范；
收集资料，市场分析，可行性分析和技术经济性分析；
总体方案设计；
总体方案的评审和评价；
详细设计；
详细设计方案的评审和评价；
试制样机；
样机实验，测试；
技术评价与审定；
小批量生产；
试销；
正常生产；
销售。
机电一体化技术使机械传动部分减少，因而使机械磨损，配合间隙及受力变形等所引起的误差大大减少，同时由于采用电子技术实现自动检测，控制，补偿和校正因各种干扰因素造成的误差，从而提高精度。
影响系统传动机构动力学特性的主要因素有系统的负载变化；
传动系统的惯性；
传动系统的固有频率；
传动系统中的摩擦与润滑。
在传动系统中，转动惯量增大使机械负载增加，功率消耗大；
使系统相应速度变慢，降低灵敏度；
使系统固有频率下降，容易产生谐振。
减小机械系统的传动误差可采用的结构措施有：
适当提高零部件本身的精度；
合理设计传动链，减小零部件制造、装配误差对传动精度的影响；
采用消隙机构，以减小或消除回程误差。
？
解：
（1）计算各传动件的转动惯量
材料密度
，齿轮的计算直径按分度圆直径计算，丝杠的计算直径取中径。
由
工作台折算到丝杠上的转动惯量为
（2）折算到电机轴上的转动惯量
按照机电一体化系统的基本结构要素，图示数控机床的各个部分归类如下：
（1）控制及信息处理单元：
键盘、计算机、显示
（2）测试传感部分：
光电编码器、信号处理
（3）能源：
电源
（4）驱动部分：
功放、电机
（5）执行机构：
联轴器、齿轮减速器、丝杠螺母机构、工作台
机电一体化系统复习题解答
（二）
1．低频分量高频分量
2．固有频率阻尼能力
3．相对阻尼系数
4．固有频率
5．变频信号源脉冲分配器功率放大器
6．最大动态转矩降低
7．线性直流伺服放大器脉宽调制放大器
8．电源频率磁极对数转差率
9．电液比例阀电液伺服阀
10．定位精度定位时间
1．如何提高伺服系统的响应速度？
伺服系统的响应速度主要取决于系统的频率特性和系统的加速度。
（1）提高系统的固有频率，减小阻尼。
增加传动系统的刚度，减小折算的转动惯量，减小摩擦力均有利于提高系统的响应速度。
（2）提高驱动元件的驱动力可以提高系统的加速度，由此也可提高系统的响应速度。
2．步进电机是如何实现速度控制的？
步进电机的运动是由输入的电脉冲信号控制的，每当电机绕组接收一个脉冲，转子就转过一个相应的角度。
其角位移量与输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步。
因而，只要控制输入脉冲的数量、频率和电机绕组的相序，即可得到所需转动的速度和方向。
3．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。
脉宽调制放大器是直流伺服电机常用的晶体管驱动电路。
利用大功率晶体管的开关作用，将直流电源电压转换成一定频率的方波电压，施加于直流电机的电枢，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，使电机的转速得到调节。
4．交流伺服电机有哪些类型？
交流伺服电机有永磁式交流同步电机和笼型异步电机两类。
交流伺服驱动的主要特点有：
（1）调速范围大；
（2）适合大、中功率伺服系统；
（3）运行平稳，转速不受负载变化的影响；
（4）输出转矩较大，而转矩脉动小。
三、分析题
1．分析传感器的误差对输出精度的影响
传感器位于反馈通道，误差的低频分量影响系统的输出精度和系统的稳定性，因此传感器应有较高的精度；
而误差的高频分量不影响输出精度，可以允许传感器及放大电路有一定的高频噪声。
2．分析齿轮减速器的传动误差对工作台输出精度的影响。
对于开环步进电机位置控制系统，由于无检测装置，不对位置进行检测和反馈，齿轮减速器的传动误差（误差的高频分量）和回程误差（误差的低频分量）将直接影响工作台的输出精度。
四、计算题
1．如图所示的电机驱动直线伺服系统，已知工作台的质量为m＝50kg，工作台与导轨间的摩擦系数f＝0.1，负载力为FW＝1000N，丝杠直径为D＝16mm，导程为ts＝4mm，齿轮减速比为i＝5，工作台的最大线速度为v＝0.04m/s，试求：
（1）折算到电机轴上的负载力矩；
（2）电机轴的转速；
（3）电机所需功率。
（1）折算到电机轴上的负载力矩
摩擦负载力Ff＝mgf＝50×
10×
0.1＝50N
外负载力Fw＝1000N
电机上的负载力矩为
（2）电机轴的转速
（3）电机所需功率
取系数为2，则
2．如图所示的开环步进电机位置控制系统，已知负载力F=2000N，工作台长L=400mm，往复精度为
步进电机的每转脉冲数
脉冲/转
根据工作台定位精度的要求，选用脉冲当量
δ=0.02mm/脉冲
设传动比为i，每个脉冲对应工作台的位移为
则
机电一体化系统复习题解答（三）
1．数据总线 地址总线 控制总线
2．S－100 Multi（或STD、STE）
3．总线接口逻辑 I/O功能逻辑 I/O电气接口
4．滤波 电平变换 光电隔离 功率驱动
5．多路开关 采样保持器 转换器 总线接口逻辑
6．采样精度 采样速度 成本
7．D/A转换器 通道选择器
8．信号调理
1．试述可编程序控制器的功能和组成。
可编程序控制器可取代继电器控制，完成顺序和程序控制；
可组成闭环系统，实现精确的位置和速度控制；
可构成高速数据采集与分析系统，实现生产过程的完全自动化。
典型的可编程序控制器由电源、微处理器、存贮器、输入输出接口和编程器所组成。
开放式体系结构是近年来在电子工业和计算机工业中流行的一种设计思想，它使得当代计算机测控系统的设计方法与传统方法有了很大区别。
开放式体系结构的主要特点是：
向未来的VLSI开放；
向不同用户层次开放；
向用户的特殊要求开放；
采用模块化结构。
由于STD总线的高度模块化和采用组合方法的特点，STD工业控制机可以灵活地组成各种系统。
其工作模式有三种：
（1）独立工作模式 即采用微机的基本系统与工业用I/O模板单独构成控制系统。
（2）作为前端控制机 STD工业控制机可作为其它微机（工业PC机）的前端控制机，完成实时在线控制，并把采集的数据和执行结果传送给上位机。
（3）构成分布式组合 利用STD控制机的组合方法，可方便地进行各种分布式系统的组合。
STD总线微机控制系统的主要特点：
（1）采用小板结构，高度的模块化，其功能模板结构灵活，可靠性高，硬件冗余小，成本低。
（2）模板设计具有严格的标准和广泛的兼容性。
（3）面向I/O的设计，具有强大的I/O扩展能力，使控制系统非常适合工业控制的应用。
（4）高可靠性。
在计算机工业过程控制系统中，I/O子系统是过程接口，其主要功能有：
（1）开关量的输入输出 用于I/O信号的测量与控制。
（2）模拟量的输入输出 用于外部模拟量的采样及输出模拟量的控制。
（3）脉冲量的输入输出 用于输入脉冲信号的接收、输出脉冲信号的控制；
定时信号的产生及处理；
伺服电机使用的运动控制接口。
在工业系统中，需要测量和控制的参数经常是连续变化的模拟信号，这些物理量经传感器变成连续变化的电压、电流等信号，A/D接口的功能是将这些模拟量再变换成数字量，以便计算机识别。
D/A接口的功能则是将经计算机处理后的数字量转换成模拟电压或信号，输送到执行机构，达到控制过程的目的。
1．画图说明工业PC机与普通信息处理计算机的主要区别是什么？
工业控制机与普通信息处理机的差别在于取消了普通信息处理机的大母板，将其改为功能插板，与普通信息处理机相比较,工业控制机有以下特点：
（1）具有丰富的过程输入输出功能。
（2）良好的时实性，能对生产过程工况变化实时地进行监控。
（3）可靠性高，故障率低，维修时间短，运行效率高。
（4）采用抗干扰电源，密封机箱，具有良好的环境适应性。
（5）丰富的应用软件。
（6）具有良好的技术综合性。
如图所示，STD总线的开关量输入输出模板的典型接口由STD总线接口逻辑、I/O功能逻辑（输入缓冲器和输出锁存器）、I/O电气接口等三部分组成。
输入模板的基本组成为：
外部开关信号→输入信号条理电路→输入缓冲器→输入端口译码控制→STD总线；
输出模板的基本组成为：
STD总线信号→输出端口译码控制→输出锁存器→输出信号条理电路→负载。
工业控制PC计算机与可编程序控制器以较强的输出带负载能力、良好的抗干扰能力和可靠性，在工业现场控制系统中得到了广泛的应用。
但两者在系统组成、功能以及程序语言等方面有所不同。
工业控制PC计算机的基本系统与普通PC机大体相同，但备有各种控制模板，一般不需要再作硬件开发，在结构上进行了模块化；
系统具备完整的控制功能，软件丰富，执行速度快，适用于需要作大量数据处理的测控系统。
在程序语言方面，工业控制计算机以使用高级语言为主，也可使用汇编语言。
可编程序控制器（PLC）结构小巧，适应性强，可按照使用要求选购相应产品组成控制系统，可编程序控制器的控制功能以逻辑控制为主，小型PLC适用于实现各种逻辑控制和开关量控制，大中型的PLC为模块化结构，按用户所需的功能选配模块，可组成规模较大、精度较高的闭环控制系统。
PLC的控制功能由软件实现，但信号的输入输出采用周期性的扫描方式，这一点与工业控制PC机存在重要的区别。
此外，在程序语言方面PLC的编程语言多采用梯形图，大型PLC控制系统可使用高级语言。
机电一体化系统复习题解答（四）
1．敏感元件转换元件基本转换电路
2．按被测物理量按工作原理按转换能量的情况按工作机理
按转换过程的可逆与否按输出形式
3.灵敏度线性度重复性迟滞
4．临界速度
5．广义输入阻抗静态刚度
6．模拟电量数字量
7．光电式磁电式
8．模拟式数字式
1．简述电位器式位移传感器的工作原理和主要特点。
电位器式位移传感器是通过电位器元件将机械位移转换成与之成确定关系的电压输出。
其测量原理是：
电位器的可动电刷与被测物体相连，物体的位移引起电位器移动端电阻的变化，电阻值的变化量反映了位移的量值，而电阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。
特点是：
结构简单，成本较低，测量精度高，输出量是测量轴的绝对位置，一般与A/D接口配合，可用与小于3400的角位置测量或直线位移测量。
2．简述光电编码器式传感器的工作原理和主要特点。
光电编码器式传感器主要由旋转孔盘和光电器件组成。
它的输出是与孔盘转角或转角增量成正比例关系的脉冲信号，通过对脉冲信号计数，即可测定孔盘转过的角度。
光电编码器式传感器又分为绝对式和增量式，前者转角范围小于360º
用于低速端角位置测量；
后者无转角范围限制，可用于高速端角位置测量或转速测量。
光电编码器式传感器的主要特点是测量精度高；
输出量为脉冲信号，抗干扰能力强；
可以同时用于位置和速度的测量，使用方便；
但高精度的光电编码器价格比较贵，成本高。
3．选择传感器应主要考虑哪几方面的因素？
选择传感器的主要依据是传感器的性能指标：
（1）基本参数量程、灵敏度、静态精度和动态特性。
（2）环境参数环境温度、湿度、冲击、振动；
抗干扰能力。
（3）可靠性工作寿命、平均无故障时间。
（4）使用条件电源、外形尺寸、安装方式。
（5）经济性价格和价格性能比。
此外，选择传感器时还必须考虑其输入输出特性。
4．应变片式力传感器的主要特点是什么？
测量范围大，测力范围可从几牛顿到几万牛顿；
测量精度高，线性度高达0.01％；
动态特性好；
输出信号幅度小，需专门的信号放大调理电路；
可以用于力及力矩的测量。
1．试分析比较直流测速发电机和光电编码器做转速测量的特点。
直流测速发电机由永久磁铁与感应线圈组成，用电枢获取速度信号。
它具有灵敏度高、结构简单等特点，常用于高精度低速伺服系统，也可与永磁式直流电动机组成低速脉宽调速系统。
直流测速发电机的输出信号是与输入轴的转速成正比的直流电压信号，信号幅度大，信号调理电路简单。
由于输出电压信号有波纹，一般需要配置滤波电路。
光电编码器（增量式）主要由旋转孔盘和光电器件组成。
它具有体积小、使用方便、测量精度高等特点，常与直流电机配合使用构成脉宽调速系统。
增量式光电编码器输出的是与转角成比例的增量脉冲信号，可以通过脉冲计数获得角位置信号，也可以定时取样脉冲数的增量实现角速度测量。
因此，可以同时测量转角和转速。
2．见P201页。
已知某工作台采用直流电机丝杠螺母机构驱动，已知工作台的行程L=250mm,丝杠导程t=4mm,齿轮减速比为i=5,要求工作台位移的测量精度为0.005mm，采用高速端测量方法，试确定旋转编码器的每转脉冲数。
设传感器的每转脉冲数为ns，每个脉冲对应工作台的位移为
选取n=200光电编码器，则测量精度为
满足题目要求。
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