机电一体化系统设计第3阶段测试题

江南大学现代远程教育第三阶段测试卷

考试科目:《机电一体化系统设计》第五章至第七章（总分100分）

时间：90分钟

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专业：学号：身份证号：

姓名：得分：

一、单项选择题（本题共10小题，每小题1分，共10分。）

1、直流伺服电机的速度数字控制方法通常是（）。

A、脉宽调制

B、频率调制

C、幅值调制

D、相位调制

2、伺服系统的稳定性仅和系统的（）有关。

A、输入信号

B、输出信号

C、干扰信号

D、固有参数

3、在半闭环位置伺服系统中常用光电编码盘测量电机转速和（）。

A、扭矩

B、电流

C、温升

D、角位移

4. 在开环伺服系统中，传动系统的间隙会带来（）。

A、不稳定

B、死区误差

C、超调

D、阻尼

5、系统的刚度越大、惯量越小，则该系统的固有频率（）。

A、越高

B、越低

C、不变

D、不定

6、控制器中的微机目前常用的有可编程控制器、（）和工控机。

A、PC

B、单片机

C、PLC

D、IPC

7、脉冲传递函数是用于描述（）的数学模型。

A、线性系统

B、离散系统

C、非线性系统

D、镇定系统

8、步进电机的启动转矩随启动频率升高而（）。

A、增大

B、不变

C、降低

D、不定

9、关于半闭环和全闭环控制，以下说法正确的

是（）。

A、两者区别在于传感器检测位置不同

B、前者精度高，后者精度低

C、两者没有区别

D、前者难以实现，后者易实现

10、关于步进电机驱动器，以下说法正确的是（）。

A、斩波限流驱动电路往往采用较低的单电源供电

B、高低压驱动电路效率高

C、斩波限流驱动电路出力大、功耗小、效率高

D、单电源驱动电路出力大、功耗小

二、多项选择题(本题共5小题，每小题2分，共10分。多选、少选、错选均不得分。)

1、伺服系统的误差有（）。

A、稳态误差

B、静态误差

C、随机误差

D、动态误差

2、步进电机的控制要考虑（）。

A．启动过程升速控制Ｂ．低转速控制Ｃ．停止过程降速控制Ｄ．使电机连续工作

3、直流伺服电机的动态特性主要受（）的影响。

A、动态误差

B、机械惯量

C、跟

踪误差 D、电磁惯量

4、采用冗余技术提高控制装置的可靠性，常用冗余系统结构有（）。

A、混联结构

B、并联结构

C、后备结构

D、串联结构

5、进行机电一体化设计的充分条件是（）。

A、可选择性

B、灵活性

C、互补性

D、等效性

三、判断题（本题共5小题，每小题1分，共5分。你认为对的打“√”，错的“×”，不需要改错。）1、一个节拍的控制脉冲控制步进电机使得执行器获得的相应运动量称为步距角。（）

2、在伺服系统中负载等效惯量大于执行元件的惯量才能获得较好的动态特性。（）

3、系统总体技术是系统工程在机电一体化技术中的具体应用。（）

4、步进电机单双相轮流通电时电机具有较大负载能力。（）

5、性能指标对产品结构有影响，但对设计方法没有影响。（）

四、填空题（本题共10小题，每空1分，共10分）

1、伺服系统按控制方式可分为开环控制系统和系统。

2、机电一体化系统对伺服系统的要求是稳定性、精度和。

3、开环伺服系统中无元件、结构简单，但精度低；闭环伺服系统直接对输出量检测和反馈，精度高，但结构复杂、成本高。

4、离散系统的脉冲传递函数又称为。

5、假如反馈控制系统中各环节都是理想的，没有惯性、、刚度为无穷大，则系统

为一阶系统。 6、步进电机的斩波限流驱动电路的恒流原理是对电机绕组闭环控制。 7、系统的越小，响应速度越快，但振荡趋势越大，系统稳定性变差。 8、由丝杆螺母机构的综合拉压刚度的变化引起的的误差称作。 9、设计闭环伺服系统首先要保证系统的。 10、选择电动机的主要依据参数是负载。

五、简答题(本题共6小题，每小题5分，共30分) 1、步进电机常用哪几种驱动电路？试比较性能。 2、请画出采用直流伺服电机驱动的数控工作台半闭环伺服系统的系统框图。 3、何谓镇定控制系统、随动系统和程序控制系统？ 4、简述伺服电机选择的基本步骤。 5、一个五相步进电机，其转子齿数为100，当采用单相双相轮流通电时，步距角是多少？ 6、试画出微型机控制系统基本框图。

六、简单应用题（本题共2题，共15分） 1、二阶系统结构图如图所示，设k 1=4,k 2=10,T=0.001，求系统固有频率，阻尼比。

（8分） 2、在一个机电系统中要求控制器输出一路脉冲作为步进电机基本控制脉冲，1）说明脉冲的产生方

法； 2）说明步进电机变速控制方法。（7分）

七、综合应用题（本题共2题，每题10分，共20分） 1、给出伺服系统设计的一般步骤和要点。 2、如图所示的机电传动系统，减速机构为两级减速箱，已知齿轮齿数之比z 2/z 1=3，z 4/z 3=5，减速机构的效率ηc ＝0.90，各齿轮的惯量分为J1=20kgm 2，J2=70kgm 2，J3=40kgm 2， J4=200kgm 2，电动机的惯量Jm = 300kgm 2，负载惯量JL=450kgm 2，负载转矩T 2=480Nm ，试求：1）折算到电动机轴上的负载转矩Tz ；（5分）2）折算到电动机轴上的系统惯量Jz （5分）

附：参考答案：

一、单项选择题（本题共10小题，每小题1分，共10分）

1、A

2、D

3、D

4、B

5、A

6、B

7、B

8、C

9、A 10、C

二、多项选择题(本题共5小题，每小题2分，共10分。)

1、ABD

2、A C

3、BD

4、B C

5、

三、判断题（本题共5小题，每小题1分，共5分。）

1、×

2、×

3、√

4、√

5、×

四、填空题（本题共10小题，每空1分，共10分）

1、闭环控制

2、快速响应性

3、检测反

馈 4、Z传递函数 5、没有阻尼

6、电流

7、阻尼

8、定位误

差 9、稳定性 10、转矩

五、简答题 (本题共6小题，每小题5分，共30分)

1、步进电机的常用驱动电路有三种：单电源驱动

电路、双电源驱动电路、斩波限流驱动电路。

单电源驱动电路：结构简单、成本低、电流波形

差、效率低、出力小，主要用于速度低的小型步

进电机。双电源驱动电路：和单电源驱动电路相

率高、功耗小、出力大，目前广泛采用。

2、采用直流伺服电机驱动的数控工作台半闭环伺服系统是一个位置伺服系统，组成环节有比较器、控制器K1 、驱动器K2 、直流电机G1（s）、G2（s）、转速测量反馈环节Kw、位置测量反馈环节Kp，检测元件检测电机轴，因此闭环内不包含其它机械系统。其系统框图如下：

3、镇定控制系统、随动系统和程序控制系统是控制系统按系统输出类型分类的三种控制系统。镇定控制系统的输出为常量，在外界干扰作用下控制输出保持常量的系统，比如恒温、恒压控制系统。随动系统的输出可大范围跟随输入或反馈的指令变化，如雷达系统，位置、力等伺服系统等。程序控制系统的输出按预定程序变化，如机床数控系统，输入按零件加工工艺编制的加工程序，机床的工作即按程序被控制。

4、伺服电机选择的基本步骤：首先根据作用在电机轴上的转矩初选电机，然后验算功率、匹配转动惯量。

载转矩Td，二是启动或加速时作用于电机轴端的惯性转矩Tg，Tm=（Td+Tg）/η，η为传动效率，Tg=(Jm+Jd) ε，Jd是传动或执行机构等效到电机轴端的等效转动惯量，Jm是电机转动惯量，ε是电机角加速度。

惯量匹配按1/4≤ Jd/Jm≤1原则匹配。

5、一个五相步进电机，其转子齿数为100，当采用单相双相轮流通电时，步距角α=360/ZKM，Z转子齿数，K通电系数：单相双相轮流通电时为2，M为电机相数。因此根据已知条件计算步距角为0.36度。

6、微型机控制系统基本框图：

进入、输出计算机的量需要经A/D（转换为数字量）、D/A（转换成模拟量），控制器是以软件为主的数字控制器。

六、简单应用题（本题共2题，共15分）

1、解：由图可知系统传递函数为：

S K T K S K T K s R s C 21211S 11S )()(?++?+=（2分）

将上式换成标准形式：

212

1)()(K K S TS K K s R s C ++= 分子、分母除以T 得：

T K K T S S T K K s R s C ///)()(2

1++=（2分）从式中：固有频率T K K n 21=ω

=200（2分）阻尼比T K K 2112

=ξ=2.5 (2分)

2、解：（1）如从8031的P1.0口输出脉冲（如图）（2分）

脉冲信号产生方法：采用8031内部定时器，定时使P1.0口线轮流置“1”清“0”，置位和清

零P1.0口线由定时器中断服务程序完成（2分）（2）调节脉冲频率就可调节步进电机转速，脉冲频率调节依靠改变定时器的定时时间常数来完成。

（3分）

七、综合应用题（本题共2题，每题10分，共20分）

1、解：

（1）设计要求分析，系统方案设计（要点：选择控制方式、传动系统、初选执行元件、传感器等）

（2分）

（2）系统性能分析（要点：对方案进行分析，例如稳定性精度、快速响应性分析）（2分）（3）执行元件及传感器的选择（要点：根据负载的精度等、等效负载）（2分）

（4）机械系统设计（要点：消除传动间隙、稳定精度、减小摩擦）（2分）

（5）控制系统设计（1分）

（6）系统性能重查（1分）

（7）系统测试实验

（8）系统设计定案

2、解：

Tz——折算到电动机轴上的负载转矩

Jz——折算到电动机轴上的系统惯量