自考机电一体化系统设计复习资料Word文档下载推荐.docx
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计算机在机电一体化系统中的应用仅仅是讣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。
7.模拟式传感器信号处理过程包括哪些环节？
对传感器输出的电信号进行放大、运算、转换、记录、指示、显示等处理。
8.检测系统由哪几部分组成，说明各部分的作用？
（1）敏感元件：
是一种能够将被测量转换成易于测量的物理量的预变换装置：
（2）传感元件：
是将敏感元件输岀的非电物理量转换成电信号（如电阻、电感、电容等）形式：
（3）基本转换电路：
将电信号量转换成便于测量的电：
⅛,如电压、电流、频率等。
9.传感器静态特性的主要技术指标是什么？
传感器变换的被测量的数值处在稳泄状态时，传感器的输入/输出关系称为传感器的静态特性。
描述传感器静态特性的主要技术指标是：
线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率和零漂。
10.为什么机电一体化系统中的测试过程往往要进行非线性补偿？
试说明非线性补偿常采用哪些方法。
很多检测元件如热敏电阻、光敏管、应变片等具有不同程度的非线性特性，这使较大范围的动态检测存在着很大的误差，因此必须进行非线性补偿。
方法有以下三种：
（1）计算法：
当输岀电信号与传感器的参数之间有确立的数字表达式时，就可采用计算法进行非线性补偿。
即在软件中编制一段完成数字表达式讣算的程序，被测参数经过采样、滤波和标度变换后直接进入讣算机程序进行计算，计算后的数值即为经过线性化处理的输出参数。
（2）查表法：
把事先计算或测得的数据按一宦顺序编制成表格，查表程序的任务就是根据被测参数的值或者中间结果，査岀最终所需要的结果。
（3）插值法计算法：
依据传感器输出的特性曲线列出插值计算公式，利用这个公式求取传感器输出信号与被测物理量之间的关系。
11.说明电阻应变片测量外力的原理。
英灵敏系数及其物理意义是什么，受哪两个因素影响？
电阻应变式传感器的工作原理是电阻应变效应。
导体或半导体材料在外力作用下产生机械形变时，其电阻值随着发生变化的现象，称为电阻应变效应。
分析如下：
一段电阻丝的阻值为：
R=PL/A
当金属丝受拉时，长度变化为面积变化为AA,则电阻的
△/?
_S十ΔLAA~R^~ρ~LT
因^JA=πd2/A所以—=2-
Ad
Δ∕?
ΔL、M∆p∕pΔL
ΔL∕LL
—=—（1+2“）+—=（1+2“+）—=KQ£
RLPΔL∕LL
上式中KO为金属电阻丝的应变灵敏度系数，它表示单位应变所引起的电阻相对变化，其影响因素包括两个：
（1）几何尺寸：
（2）材料的电阻率。
12・说明光电式转速传感器的测量原理。
光电式转速传感器是一种角位移传感器，由装在被测轴（或与被测轴相连接的输入轴）上的带缝隙圆盘、光源、光电器件和指示缝隙盘组成，如图所示。
光源发生的光通过缝隙圆盘和指示缝隙照射到光电器件上。
当缝隙圆盘随被测轴转动时，由于圆盘上的缝隙间距与指示缝隙的间距相同，因此圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲，根据测量单位时间内的脉冲数N,则可测出转速。
13・说明电容式传感器的工作原理。
设两极板相互覆盖的有效而枳为A,两极板间的距离为d,极板间介质的介电常数为£
在忽略极板边缘影响的条件下，平板电容器的电容C为:
电容式传感器分为三种：
改变极板面积的变而积式：
改变极板距离的变间隙式：
改变介电常数的变介
电常数
它结构简单、灵敏度髙，动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大、价格便宜，一般可用于测量压力、力、位移、振动、液位等。
14.说明加速度传感器的测量原理。
加速度传感器的工作原理是利用惯性质量受加速度所产生的惯性力而造成的各种物理效应，进一步转化成电量，间接度量被测加速度。
最常用的有应变式、压电式、电磁感应式等。
15.热电偶冷端的温度补偿方法有哪些？
由于热电偶实际使用中给出的分度表里，热电势和温度的对应值是以冷端为零度时来制左的。
但在实际中冷端往往不为零度，这就要对冷端进行处理，方法包括：
（1）冰点法精度最髙，将冰水混合物放在保温瓶中，再把细玻璃试管插入冰水化合物中，在试管底部注入适量油类或水银，热电偶的参比端就放在这里。
（2）热电势修正法在没有条件实现冰点法时，可以设法把参比端程于稳泄的恒温条件中，再根据中间温度泄律公式，来汁算实际温度。
（3）冷端补偿器法许多工业生产的过程中以上两个条件都无法满足，所以在电偶回路中接入补偿器来自动补偿。
冷端补偿器是一个不平衡电桥，英中多数电阻温度系数都趋于零，有一个电阻为热敏电阻，随温度改变阻值改变。
实际上补偿电桥与热电偶回路的热电曲线不同，所以在任意温度下都完全补偿是不太现实的。
所以实际上只有在平衡点温度和讣算点温度下可以得到完全补偿，其它温度下都只能得到近似的补偿，即附加误差。
（4）补偿导线法用补偿导线把热电偶的冷端移到离被测介质较远温度比较稳左的场合。
16.某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm变到5.Omm时，位移测量仪的输出电压由3.5v减至2.5v,求该仪器的灵敏度。
S=dy∕dx=（2.5-3.5）/（5.0-1.5）V∕≡=-2V∕mm
17.某光栅传感器的刻线数为100线,j≡,设细分时测得莫尔条纹数为400,试讣算光栅位移是多少亳米？
若四倍细分后，记数脉冲仍为400,则光栅的位務是多少？
测量分辨率是多少？
（1）光栅此时的位移：
细分前400/100二4mm：
细分后：
（400÷
4）/IOO=Imm
（2）测量分辨率：
细分前1/100=0.01mm∕线；
细分后：
1/400=0.0025mm/线
第4一一5章
1.什么是伺服控制？
机电一体化的伺服控制系统的结构和类型繁多，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、执行环仔、检测环盯、比较环Yj等五部分。
2.机电一体化系统的伺服驱动有哪几种形式？
（1）按被控虽:
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。
英它系统还有温度、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髙、响应速度快、稳左性好、负载能力强和工作频率范用大等基本要求，同时还要求体枳小、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（如图所示）。
其中磁极在工作中固左不动，故又称左子。
左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。
电枢是宜流伺服电动机中的转动部分，故又称转子，它由硅钢片叠成，表而嵌有线圈，通过电刷和换向片与外加电枢电源相连。
（a）直流伺服电动机基本结构（b）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，即在左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左子磁场强度，从而控制电动机的转速和输岀转矩。
采用电枢电压控制方式时，由于左子磁场保持不变，其电枢电流可以达到额左值，相应的输出转矩也可以达到额泄值，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，由于电动机在额泄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左值，因而随着磁场的减弱，电动机转速增加，但输出转矩下降，输岀功率保持不变，所以这种方式又被称为恒功率调速方式。
5.试比较直流伺服电动机和交流伺服电动机的特点及应用范围。
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。
尽管英结构复杂，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疑、体积和重疑较小，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。
6.什么是PWM?
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（PUISeWidthMOdUIatiOn）直流调速。
如图所示为脉宽调速原理示意图，将图中的开关S周期性地开关，在一个周期T内闭合的时间为T,则一个外加的固左直流电压U被按一泄的频率开闭的开关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，电枢两端的平均电压为：
Ud=^Udt=^U=PU
式中p=r∕T=U√U,（O<
p<
l）。
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。
7.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所示。
3、
•—WVWlf-
该控制方案结构简单，可靠性髙。
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。
尤苴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国和较高的调速精度。
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。
（2）无速度传感器的矢虽控制：
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所示。
3〜
f—w/-→y-Θ
对比上图，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髙的情形下，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，可靠性髙的实效。
（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所示。
矢虽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，因此调速范用很宽广，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。
8.试分析半桥逆变电路的工作原理。
半桥逆变电路原理如图所示，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V=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。
输岀电压波形UO为矩形波，其幅值为U=Ua/2输出电流io波形随负载阻抗角而异。
设ti时刻以前V,导通。
匕时刻给Vl关断信号，给V：
导通信号，但感性负载中的电流I0不能立刻改变方向，于是VD导通续流。
当U时刻i。
降至零时VD截止，V=导通，i0开始反向。
同样，在t1时刻给V：
关断信号，给V,导通信号后，V：
关断，VD’先导通续流，t5时刻V’才导通。
当、；
或V=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VD：
或VD：
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∖D、VD：
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，VD’、VD：
被称为反馈二极管或续流二极管。
9.步进电机是什么类型的电机，其驱动电路的功能是什么？
步进电机是一种伺服电机：
其驱动电路的功能是进行各相环形分配，并对控制信号进行功率放大，以驱动电机绕组。
10.常见
的步进电动机驱动电路有哪三种？
（1）单电源驱动电路：
电路采用单一电源供电，结构简单，成本低，但电流波形差，效率低，输出力矩小，主要用于对速度要求不髙的小型步进电动机的驱动。
（2）双电源驱动电路：
又称高低压驱动电路，采用髙压和低压两个电源供电。
在步进电动机绕组刚接通时，通过髙圧电源供电，以加快电流上升速度，延迟一段时间后，切换到低压电源供电，这种电路使电流波形、输出转矩及运行频率等都有较大改善。
3）斩波限流驱动电路：
这种电路采用单一高压电源供电，以加快电流上升速度，并通过对绕组电流的检测，控制功放管的开和关，使电流在控制脉冲持续期间始终保持在规立值上下，这种电路出力大，功耗小，效率高，目前应用最广。
11.说明步进电动机的使用特性。
（1）步距误差：
步距误差直接影响执行部件的左位精度。
步进电动机单相通电时。
步距误差取决于泄子和转子的分齿精度和各相定子的错位角度的精度。
多相通电时，步距角不仅与加工装配精度有关，还和各相电流的大小、磁路性能等因素有关。
（2）最大静转矩：
是指步进电动机在某相始终通电而处于静止不动状态时，所能承受的最大外加转矩，亦即所能输出的最大电磁转矩，它反映了步进电动机的制动能力和低速步进运行时的负载能力。
（3）启动矩一频特性：
空载时步进电动机由静止突然启动，并不失步地进入稳速运行所允许的最髙频率称为最高启动频率。
启动频率与负载转矩有关。
（4）运行矩频特性：
步进电动机连续运行时所能接受的最髙频率称为最髙工作频率，它与步距角一起决左执行部件的最大运行速度。
最高工作频率决左于负载惯量J.还与立子相数、通电方式、控制电路的功率驱动器等因素有关。
（5）最大相电压和最大相电流分別是指步进电动机每相绕组所允许施加的最大电源电压和流过的最大电流。
实际应用的相电压或相电流如果大于允许值，可能会导致步进电动机绕组被击穿或因过热而饶毁，如果比允许值小得太多，步进电动机的性能又不能充分发挥岀来。
因而设计或选择步进电动机的驱动电源时，应充分考虑这两个电气参数。
12.说明数字调节器的控制过程。
首先通过模拟量输入通道对控制参数进行采样，并将其转换成数字量：
然后计算机按一立控制算法进行运算处理，运算结果由模拟量输出通道输岀，并通过执行机构去控制生产过程。
13.用数字控制器代替模拟调节器的原因是什么？
（1）模拟调肖器调Yj能力有限，数字控制器则能实现复杂的控制规律：
（2）讣算机具有分时控制能力，可实现多回路控制：
（3）数字控制器具有灵活性，通过改变控制程序可以实现控制参数和控制方式的修改；
（4）计算机除实现数字控制外，还能实现监控、数据采集、数字显示等功能。
14.什么是数字PlD控制？
在连续生产控制过程中,常采用比例（PrOPOrtiOnaI）X积分（Integral）、微分（DeriVatiVe）控制方式，简称为PlD控制方式。
现在模拟PID控制算法所积累的经验，用到微机数字控制系统中来，形成了微机数字PlD控制方式。
15.常用的两种数字PlD控制算法是什么？
通常依据控制器输出与执行机构的对应关系,将基本数字PlD算法分为位置式PID和增量式PlD两种。
（1）位置式PlD控制算法：
计算机的输岀u（k）直接控制执行机构（如阀门），u（k）的值与执行机构的位宜（如阀门开度）一一对应。
位置式PID控制算法的缺点是当前采样时刻的输出与过去的各个状态有关,汁算时要对e（k）进行累加，运算量大；
而且控制器的输岀u（k）对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，u（k）的大幅度变化会引起执行机构位苣的大幅度变化。
吩）=疋泸仗）十0十瓦W（⅛）-处-1）］
（2）增量式PID控制算法：
增量式PlD是指数字控制器的输出只是控制量的增⅛∆u（k）o采用增量式算法时，汁算机输出的控制⅛∆u（k）对应的是本次执行机构位苣的增量，而不是对应执行机构的实际位宜，因此要求执行机构必须具有对控制量增量的累积功能，才能完成对被控对象的控制操作。
险优）二班幻-u（k-1）二+疋冶伉）+疋CjMtΛ）-Mk-1）］
第6章
1.机电一体化对机械系统的基本要求是什么？
机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，除要求较髙的制造精度外，还应具有良好的动态响应特性，即快速响应和良好的稳左性。
2.机电一体化系统中机械传动的功能是什么？
机电一体化机械系统是由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械及机电部件相互联系的系统。
其核心是由计算机控制的，包括机械、电力、电子、液压、光学等技术的伺服系统。
它的主要功能是完成一系列机械运动，每一个机械运动可单独由控制电动机、传动机构和执行机构组成的子系统来完成，而这些子系统要由汁算机协调和控制，以完成其系统功能要求。
机电一体化机械系统的设讣要从系统的角度进行合理化和最优化设计。
机电一体化系统的机械结构主要包括执行机构、传动机构和支承部件。
在机械系统设计时，除考虑一般机械设汁要求外，还必须考虑机械结构因素与整个伺服系统的性能参数、电气参数的匹配，以获得良好的伺服性能。
3.机电一体化机械系统的三大主要机构是什么？
（1）传动机构；
（2）导向机构：
（3）执行机构。
4.机电一体化传动系统有哪几种类型，务有什么作用？
（1）齿轮传动是机电一体化系统中常用的传动装苣，它在伺服运动中的主要作用是实现伺服电机与执行机构间的力矩匹配和速度匹配，还可以实现直线运动与旋转运动的转换。
（2）螺旋传动是机电一体化系统中常用的一种传动形式。
它是利用螺杆与螺母的相对运动，将旋转运动变为直线运动。
（3）滑动摩擦导轨直线运动导轨的作用是用来支承和引导运动部件按给定的方向作往复直线运动滚动摩擦导轨是在运动件和承导件之间放宜滚动体（滚珠、滚柱、滚动轴承等），使导轨运动时处于滚动摩擦状态。
5.机械一体化系统中伺服机构的作用是什么？
机械传动是一种把动力机产生的运动和动力传递给执行机构的中间装巻，是一种扭矩和转速的变换器，其目的是在动力机与负载之间使扭矩得到合理的匹配，并可通过机构变换实现对输出的速度调∖,i0在机电一体化系统中，伺服电动机的伺服变速功能在很大程度上代替了传统机械传动中的变速机构，只有当伺服电机的转速范围满足不了系统要求时，才通过传动装置变速。
6.传动间隙对系统性能的影响有哪些？
（1）闭环之外的齿轮齿隙，对系统稳定性无影响，但影响伺服精度。
由于齿隙的存在，在传动装宜逆运行时造成回程误差，使输出轴与输入轴之间呈非线性关系，输出滞后于输入，影响系统的精度。
（2）闭环之内传递动力的齿轮齿隙，对系统静态精度无彫响，这是因为控制系统有自动校正作用。
又由于齿轮副的啮合间隙会造成传动死区，若闭环系统的稳左裕度较小，则会使系统产生自激振荡，因此闭环之内动力传递齿轮的齿隙对系统的稳左性有影响。
（3）反馈回路上数据传递齿轮齿隙既影响稳泄性，又影响精度。
7.如何消除齿轮传动间隙引起的系统误差？
（1）偏心轴
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