机电一体化系统设计试题

考试题型及试卷结构

一、选择题（10题，20分）二、填空题（ 16分）三、简答题（26分）四、设计计算题（4题，38分）              复习可参考作业及上课PPT。

第一部分  选择题(共20分)

一、单项选择题  

1、“机电一体化”含义是     D

A. 以机为主加点电      B. 机械部与电子部合并 

C. 以电淘汰机              D. 机械与电子的集成技术

2、齿轮传动的总等效惯量随传动级数         A

A.增加而减少                     B. 增加而增加    

C. 减少而减少                     D. 变化而不变 

3、PWM指的是（ C ）

A.机器人              B.计算机集成系统   

C.脉宽调制          D.可编程控制器

4、 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

5、某交流感应电动机，实际转速1350r/min，电源频率50Hz，则其磁极对数为       B

A．1                                  B．2            

 C．3                            D．4

6．两级对交流感应电动机，电源频率为50Hz，当转差率为0.02时，其转速为(   D )

   A．1450[r/min]         B．2940  [r/min]  

   C．735[r/min]        D．1470 [r/min]

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．提高系统无静误差

•        D． 减小系统阻尼 

二、填空题

1.机电一体化系统中，机械传动要满足伺服控制在 精度、稳定性和 快速响应 等方面的要求。

2.机械传动系统中，影响系统传动精度的误差可分为 传动误差 和 回程误差 两种。

5.在机电一体化系统的驱动装置中，位于前向通道闭环之内的环节，其误差的 低频分量 对输出精度基本无影响，而误差的 高频分量 影响系统的输出精度。

6.为提高闭环系统的稳定性，应增大执行装置的 固有频率 和系统的 阻尼能力。

7.对于执行装置，选择较大的传动比可使系统的 相对阻尼系数 增大，有利于系统的稳定性。

8.对于线性控制系统，若要求在达到高精度的同时减小定位时间，则必须提高系统的 固有频率 。

三、简答题

1、简述机电一体化系统中机械结构的作用以及设计时的注意事项。

答：在机电一体化系统中，机械结构主要用于执行机构、传动机构和支承部件，用以完成规定的动作；传递功率、运动和信息；起支承连接作用等。通常，它们是微机控制伺服传动系统的有机组成部分。因此，在机械系统设计时，除考虑一般的机械设计要求外，还必须考虑机械结构因素与整个伺服传动系统的性能、电气参数的匹配，以获得良好的伺服性能。

二、解答题

2、PWM脉宽调速原理？

答：脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

4、PID控制原理？PID控制中比例、积分和微分环节的作用

 答：调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节

PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。 

  比例（P）调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少 偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的 不稳定。 

  积分（I）调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。 

  微分（D）调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。 

3、已知数控机床控制系统如图所示，试说明图中的各个部分属于机电一体化系统巾的哪一个基本要素?

答： (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

4 滚珠丝杠螺母副有哪些消除间隙和预紧措施?

答:1.双螺母螺纹预紧调整式,2.双螺母齿差预紧调整式,3.双螺母垫片调整预紧式,4.弹簧式自动调整预紧式,5.单螺母变位导程自顶紧式和但螺母滚珠过盈预紧式, 

四、计算分析题

1、三相交流感应电动机，电源频率50Hz,空载转速为980r/min。

（1）该电动机为几极，空载转差率是多少？

（2）若最大转矩（Tmax）时对应的转差率为0.1，则该电动机稳定运行的转速范围是多少？

（3）最大转矩时，转子绕组电势频率为多少？

解：交流电机的理想转速

f   —— 电源频率；

p  —— 磁极对数；

n  —— 电机的理想转速。

①电动机的极数和转差率

2、有一采用三相三拍驱动方式的步进电机，其转子有160个齿，经一对齿轮减速（Z1=30,Z2=50）带动导程为8mm的滚珠丝杠驱动工作台移动。工作台的最大移动速度Ｖmax＝1.5m/min。试问：电机的步距角、脉冲当量、最大工作频率各为多少？

3、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ŋ=30％，忽略丝杠惯量的影响，试计算电机的驱动力矩。

4、试分析图示传动系统中，齿轮减速器的传动误差对工作台输出精度的影响?

答： 齿轮传动链位于电机之后，前向通道的闭环之外，其传动误差的低频分量和高频分量都不能通过闭环控制来消除，都会影响输出精度。

5、如图所示的系统，试分析传感器的误差对输出精度的影响?

答：  传感器位于闭环之内的反馈通道上，其误差的高频分量(噪声信号)因系统的低通作用得到校正，不影响输出精度;

    传感器误差的低频分量，如静态精度(分辨率等)直接影响输出精度，它决定了系统精度的上限。

复习提纲

第一章绪论

•机电一体化系统的构成（5个子系统）

•工业三大要素（物质、信息、能量）及机电一体化系统三大目的功能（变换、传递、存储）；

•接口的概念及分类（主要分辨零接口、无源接口、有源接口）；

第 二 章

•机械系统部件的设计要求

•丝杆螺母的基本传动形式及其应用的场合（丝杆、螺母的运动方式）

•滚珠丝杆副的基本构成与特点

•滚珠丝杆轴向间隙的调整与预紧

•滚珠丝杆副的支撑方式选择与比较；

•齿轮传动比最佳分配原则（重量最小、输出轴误差最小、等效转动惯量）；

•谐波齿轮结构、工作原理及传动比的计算；

•齿轮传动间隙调整方法

•导轨副设计的基本要求滑动导轨

第 二 章

•滑动导轨的截面形状及其特点分析

•轴系设计的基本要求（旋转精度、刚度、抗振性、热变形及轴上零件的布置）

第 三 章

•对执行元件的基本要求（掌握表征执行元件动力特性的指标角加速度、转动惯量、比功率和比功率密度等的概念）

•脉宽调制（PWM）直流调速原理及双向调速原理

•步进电机静态特性、失调角、矩-角特性；

•步进电机动态特性：动态稳定区、起动转矩、矩-频特性

•步进电机的细分驱动（多路功率开关器件细分原理）

•交流伺服调速控制原理，变频器原理及使用

第 四 章

•硬件与软件、通用与专用的抉择

•微机选用要点

•传感器与微机的基本接口方式

第 六 章

•典型负载分析；

•等效负载计算及执行元件的匹配；

•系统数学模型的建立（传递函数）

•PID调节器及其传递函数