机电一体化第3章 伺服系统(2步进电动机及其驱动控制2)
伺服控制系统(设计)
第一章伺服系统概述伺服系统是以机械参数为控制对象的自动控制系统。
在伺服系统中，输出量能够自动、快速、准确地尾随输入量的变化，因此又称之为随动系统或者自动跟踪系统。
机械参数主要包括位移、角度、力、转矩、速度和加速度。
近年来，随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术、现代控制技术、材料技术的快速发展以及机电创造工艺水平的逐步提高，伺服技术已迎来了新的发展机遇，伺服系统由传统的步进伺服、直流伺服发展到以永磁同步机电、感应电机为伺服机电的新一代交流伺服系统。
目前，伺服控制系统不仅在工农业生产以及日常生活中得到了广泛的应用，而且在许多高科技领域，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路创造、办公自动化设备、卫星姿态控制、雷达和各种军用武器随动系统、柔性创造系统以及自动化生产线等领域中的应用也迅速发展。
1.1 伺服系统的基本概念1.1.1 伺服系统的定义“伺服系统”是指执行机构按照控制信号的要求而动作，即控制信号到来之前，被控对象时静止不动的；接收到控制信号后，被控对象则按要求动作；控制信号消失之后，被控对象应自行住手。
伺服系统的主要任务是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能灵便方便的控制。
1.1.2 伺服系统的组成伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。
它由检测部份、误差放大部份、部份及被控对象组成。
1.1.3 伺服系统性能的基本要求1 )精度高。
伺服系统的精度是指输出量能复现出输入量的精确程度。
2 )稳定性好。
稳定是指系统在给定输入或者外界干扰的作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。
3 )快速响应。
响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。
4)调速范围宽。
调速范围是指生产机械要求机电能提供的最高转速和最低转速之比。
5 )低速大转矩。
在伺服控制系统中，通常要求在低速时为恒转矩控制，电机能够提供较大的输出转矩；在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。
【DOC】第3章机电一体化技术与系统中微型计算机控制系统及接
第3章：机电一体化技术与系统中微型计算机控制系统及接口设计 3.1 控制系统的一般设计思路3.1.1专用与通用、硬件与软件的权衡与抉择1. 专用与通用的抉择 专用控制系统：适合于大批量生产的而且较成熟的机电一体化产品。
通用控制系统：适合还在不断改进，结构还不十分稳定的产品。
2. 硬件与软件的权衡根据经济性和可靠性的标准权衡决定。
例：分立元件组成硬件------软件 利用LSI 芯片组成电路-----软件3.1.2 控制系统的一般设计思路 设计步骤为：确定系统整体控制方案；确定控制算法；选用微型计算机；系统总体设计；软件设计等。
1、确定系统整体控制方案（1）应了解被控对象的控制要求，构思控制系统的整体方案。
（2）考虑执行元件采用何种方式。
（3）要考虑是否有特殊控制要求。
（4）考虑微机在整个控制系统中的作用，是设定计算、直接控制还是数据处理，微机应承担哪些任务，为完成这些任务，微机应具备哪些功能，需要哪些输入/输出通道、配备哪些外围设备。
（5）应初步估算其成本。
2、确定控制算法建立该系统的数学模型，确定其控制算法。
数学模型：就是系统动态特性的数学表达式。
它反映了系统输入、内部状态和输出之间的数量和逻辑关系。
控制算法：所谓计算机控制，就是按照规定的控制算法进行控制，因此，控制算法的正确与否直接影响控制系统的品质，甚至决定整个系统的成败。
例如：机床控制中常使用的逐点比较法的控制算法和数字积分法的控制算法；直线算法：a a xy yx F -= 或K x y T T ee Y X==∆∆ 圆弧算法：222R Y X F i i i -+= 或yxT T Y X =∆∆ 直接数字控制系统中常用的PID 调节的控制算法；位置数字伺服系统中常用的实现最少拍控制的控制算法；另外，还有各种最优控制的控制算法、随机控制和自适应控制的控制算法。
3、选择微型计算机 （1）较完善的中断系统 （2）足够的存储容量（3）完备的输入／输出通道和实时时钟（4）特殊要求：字长、速度、指令4、系统总体设计设计中主要考虑硬件与软件功能的分配与协调、接口设计、通道设计、操作控制台设计、可靠性设计等问题。
机电一体化系统设计课后习题
机电一体化系统设计课后习题
第一章绪论作业
1、简述机电一体化系统的基本功能要素。
第二章机械系统设计作业
1、图所示为一进给工作台。
电动机M、制动器B、工作台A、齿轮G1~G4以及轴1、丝杠轴的数据如表所示。
试求：此装置换算至电动机轴的等效转动惯量。
2、机电一体化系统对机械传动系统的基本要求是什么？
3、齿轮传动链的级数和各级传动比确定的三个基本原则是什么？如何选择？
第三章传感器检测及其接口电路作业
1、传感器的性能指标有哪两大类，各包括那些内容？
2、传感器的选用原则是什么
3、为什么差动变极距型电容位移传感器的精度是普通的变极距电容传感器的2倍？
4、光栅位移传感器主要由哪几部分构成？产生的莫尔条纹最主要的作用是什么？
5、感应同步器的测量方式有几种类型？写出励磁方式和输出信号的表达式。
6、已知光电脉冲编码器的周脉冲数Z=1200，在t=10s的时间内测轴的脉冲数N=6000，则光电脉冲编码器测得的角位移是多少？轴的转速是多少？
第四章控制电机及其选择计算作业
1、机电一体化系统的伺服驱动有哪几种形式?各有什么特点？
2、步进电动机的选用原则是什么？
3、直流PWM调压比其它调压方式有什么优点？
4、交流变频调速有哪几种类型。
机电一体化技术(伺服系统)
3.1 步进电动机驱动及其控制 1. 步进电动机的特点：
① ②
③
④ ⑤
步进电动机是将电脉冲信号转换成角位移（或线位移） 的一种机电式数模转换器。 转角与脉冲，速度与频率成正比，运动方向与通电顺序 相关。 定位精度高，且无累积误差。 转换速度慢，毫秒级 与一般的伺服电机比较：可以直接实现数字控制，在开 环系统中可以达到高精度的定位和调速，位置误差不会 累积。
j max
Mjmax为最大静态力矩，曲线A和B的交点Mq 是电机运行状态的最大启动力矩。
4. 步进电动机控制驱动
步进电机控制信号的产生
步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机 （或计算机）产生，其基本控制作用如下： • 控制换相顺序（也称脉冲分配） • 控制转向（正反序通电） • 控制速度（由单片机发出的脉冲频率的大小决定） 硬件环分 + 功率驱动 软件环分
5. 步进电动机自动升降速控制 由于步进电机转子本身惯量大，尤其带了负 载后，启动频率将会大大下降。为使步进电 机能在较高的频率下工作，可对其升降速度 进行控制，使脉冲信号能按一定的规律升频 和降频。
工作原理： 设Pa为控制脉冲，其频率为fa，Pb为实 际送入电机的工作脉冲，其频率为fb。 Pa和Pb都经同步器送入可逆计数器。同 步器的作用在于保证不丢失Pa和Pb ，并 使Pa送入可逆计数器时作加法，Pb送入 可逆计数器时作减法，可逆计数器记下 的是控制脉冲与实际脉冲之差N，将此 数通过数字电位器转换成电阻值R的变 化，进而改变振荡频率。
②
高低压驱动（用得广泛）
如图，则在t1~t2时间内，VT1、VT2均饱和导 通，+80V的电源经VT1、VT2管加到电机绕组 L上，使其电流迅速上升，当时间达到t2， VT2截止，电机绕组电流由+12V经VT1维持， 此时电机电流下降到额定值，直到t3 ， VT1截 止，绕组电流经高压源E1，地，E2，V2放电， 下降到零。 优点：功耗小，启动力矩大，工作频率高。 缺点：大功率管数量多，增加驱动电源成本。
机电一体化复习题附答案定稿版
机电一体化复习题附答案精编W O R D版IBM system office room 【A0816H-A0912AAAHH-GX8Q8-GNTHHJ8】机电一体化复习题一、名词解释1机电一体化 2伺服控制 3闭环控制系统 4逆变器 5 SPWM 6单片机 7 I/O接口8 I/O通道 9 串行通信 10直接存储器存取（DMA）二、判断题：1 在计算机接口技术中I/O通道就是I/O接口。
（×）2 滚珠丝杆不能自锁。
（√）3 无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是高于检测装置的精度。
（×）4 异步通信是以字符为传输信息单位。
（√）5 同步通信常用于并行通信。
（×）6 无条件I/O方式常用于中断控制中。
（×）7从影响螺旋传动的因素看，判断下述观点的正确或错误（1）影响传动精度的主要是螺距误差、中径误差、牙型半角误差（√）（2）螺杆轴向窜动误差是影响传动精度的因素（√）（3）螺杆轴线方向与移动件的运动方向不平行而形成的误差是影响传动精度的因素（√）（4）温度误差是影响传动精度的因素（√）三、单项选择题1. 步进电动机，又称电脉冲马达，是通过（ B ）决定转角位移的一种伺服电动机。
A 脉冲的宽度B 脉冲的数量C 脉冲的相位D 脉冲的占空比2. 对于交流感应电动机，其转差率s的范围为（B）。
A.1<s<2B.0<s 1C.-1<s<1D.-1<s<03.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.在数控系统中，复杂连续轨迹通常采用（ A ）方法实现。
A.插补B.切割C.画线D.自动四、填空题1. 在计算机和外部交换信息中，按数据传输方式可分为：串行通信和并行通信。
2. 微机控制系统中的输入与输出通道一般包括模拟量输入通道模拟量输出通道、数字量输入通道数字量输出通道四种通道。
《机电一体化技术与系统》各章作业答案
第二部分各章作业答案第一章绪论★1、机电一体化的基本概念和涵义是什么？★机电一体化的英文名词如何拼合？(P1) 【参考答案】机电一体化是从系统的观点出发，将机械技术、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合，实现整个机械系统最佳化而建立起来的一门新的科学技术。
机电一体化在国外被称为Mechatronics是日本人在20世纪70年代初提出来的，它是用英文Mechanics的前半部分和Electronics的后半部分结合在一起构成的一个新词，意思是机械技术和电子技术的有机结合。
★2、机电一体化的发展趋势包括哪几个方面？(P2)【参考答案】机电一体化的发展趋势可概况为以下三个方面：(4-3-2)（1）性能上，向高精度、高效率、高性能、智能化的方向发展；（2）功能上，向小型化、轻型化、多功能方向发展；（3）层次上，向系统化、复合集成化的方向发展。
★3、一个较完善的机电一体化系统包括哪几个基本要素？★其核心部分是什么？（P4-P5) 【参考答案】一个较完善的机电一体化系统应包括以下几个基本要素：机械本体、动力部分、检测部分、执行机构、控制器和接口。
其核心部分是控制器。
★4、什么是接口？接口的功能有哪些？(P5)【参考答案】为实现各子系统或要素之间物质、能量或信息交换而进行的连接就是接口。
接口的基本功能有交换、放大、传递。
5、机电一体化的相关技术有哪些？(P2-P4)【参考答案】机械技术、检测传感技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服传动技术、系统总体技术。
第二章机械传动与支承技术1、熟练掌握以数控机床进给传动为例说明机械传动系统建模的步骤、方法。
重点在传动惯量折算的推导过程。
(P13-P15)★【举例说明】在图1所示的数控机床进给传动系统中，电动机通过两级减速齿轮Z1、Z2、Z3、Z4及丝杠螺母副驱动工作台作直线运动。
设J l为轴I部件和电动机转子构成的转动惯量；J 2、J 3为轴Ⅱ、Ⅲ部件构成的转动惯量；K1、K2、K3分别为轴I、Ⅱ、Ⅲ的扭转刚度系数；K为丝杠螺母副及螺母底座部分的轴向刚度系数；m为工作台质量；C为工作台导轨粘性阻尼系数：T1、T2、T3分别为轴I、Ⅱ、Ⅲ的输入转矩。
机电一体化系统第三章执行元件
一、 特点
1、稳定性好 2、可控性好 3、响应迅速 4、控制功率低，损耗小 5、转矩大
补偿绕组(c)
励磁绕组 (f) ia
Fr Ua Fc Uf
电枢绕组(a)
直流伺服电动机的结构与一般的电机结构相似，也是 由定子、转子和电刷等部分组成，在定子上有励磁绕组 和补偿绕组，转子绕组通过电刷供电。由于转子磁场和 定子磁场始终正交，因而产生转矩使转子转动。
步进电机驱动电源
Hale Waihona Puke 四、步进电动机的功率放大1．单电压功率放大电路
此电路的优点是电路结构简单，不足 之处是Rc消耗能量大，电流脉冲前后 沿不够陡，在改善了高频性能后，低 频工作时会使振荡有所增加，使低频 特性变坏。
2．高低电压功率放大电路
电源U1为高电压，电源大约为80～150V， U2为低电压电源，大约为5～20V。在绕组 指令脉冲到来时，脉冲的上升沿同时使VT1 和VT2导通。由于二极管VD1的作用，使绕组 只加上高电压U1，绕组的电流很快达到规定 值。到达规定值后，VT1的输入脉冲先变成 下降沿，使VT1截止，电动机由低电压U2供 电，维持规定电流值，直到VT2输入脉冲下 降沿到来VT2截止。 不足之处是在高低压衔接处的电流波形在顶 部有下凹，影响电动机运行的平稳性。
步进电机驱动电源总结
作用：对控制脉冲进行功率放大，以使步进电机获 得足够大的功率驱动负载运行。 1、步进电机是用脉冲供电，且按一定工作方式轮 流作用于各相励磁线圈上。 2、步进电机正反转是靠给各相励磁线圈通电顺序 变化来实现的。 3、速度控制是靠改变控制脉冲的频率实现的。 4、在通电脉冲内使励磁线圈的电流能快速建立， 而在断电时电流能快速消失。
伺服电机控制方式
伺服电机比较
机电一体化概论
计算机辅助工程（CAE）是采用CAE技术以 及有限元分析发，可实现对质量、体积、
惯性力矩、强度等计算分析；对产品的运 动精度，动、静态特征等的性能分析；对 产品的应力、变形等的结构分析。
五、并行工程
并行工程是集成地、并行地设计产品及其 部件和相关各种过程的一种系统工作模式。
律、分析方法和自控系统的构造等。 三、机电一体化技术的特点 机电一体化技术具有以下特点： 1、体积小、重量轻
2、速度快、精度高 3、可靠性高 4、柔性好
由于机电一体化技术的上述特点，使其机 电一体化产品具有节能、高质、高效、低 成本的共性，从而产生一系列过去不可想 象的新产品。
管理信息系统（MIS）、物料需求计划（MRP） 制造资源计划(MRP)等。
从狭义上来讲，先进制造是指各种计算机辅助制 造设备和计算机集成制造系统。
生产过程中机电一体化所包括的内容： 一、计算机的辅助设计
计算机的辅助设计是在计算机硬件与软件的支撑 下，通过对产品的描述、造型、系统分析、优化、 仿真和图形处理的研究，使计算机辅助完成产品 的全部设计过程，最后输出满意的设计结果和产 品图形。
为系统提供能量和动力。使系统正常运行。 （4）传感器（检测要素） 传感器是将被测对象的状态、性质等信息
转换为一定的物理量或者化学量。 （5）计算机控制装置（控制要素） 为达到一定的目的而实行的适当的操作成
为控制。
6、接口
机电一体化系统由许多要素或子系统构成， 各子系统之间必须能顺利进行物质、能量 和信息的传递与交换，为此各要素或子系 统相接处必须具备一定的联系部件，这个 部件称为接口，其基本功能主要有三个：1、 交换，需要进行信息交换和传输之间，2、 放大，在两个信息强度相差悬殊的环节间， 经接口放大，达到能量的匹配；
机电一体化复习题(附答案)[2]
![机电一体化复习题(附答案)[2]](https://img.taocdn.com/s3/m/71a8b2c019e8b8f67c1cb95c.png)
机电一体化复习题一、名词解释1机电一体化 2伺服控制 3闭环控制系统 4逆变器 5 SPWM 6单片机 7 I/O接口8 I/O通道 9 串行通信 10直接存储器存取（DMA）二、判断题：1 在计算机接口技术中I/O通道就是I/O接口。
（×）2 滚珠丝杆不能自锁。
（√）3 无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是高于检测装置的精度。
（×）4 异步通信是以字符为传输信息单位。
（√）5 同步通信常用于并行通信。
（×）6 无条件I/O方式常用于中断控制中。
（×）7从影响螺旋传动的因素看，判断下述观点的正确或错误（1）影响传动精度的主要是螺距误差、中径误差、牙型半角误差（√）（2）螺杆轴向窜动误差是影响传动精度的因素（√）（3）螺杆轴线方向与移动件的运动方向不平行而形成的误差是影响传动精度的因素（√）（4）温度误差是影响传动精度的因素（√）三、单项选择题1. 步进电动机，又称电脉冲马达，是通过（ B ）决定转角位移的一种伺服电动机。
A 脉冲的宽度B 脉冲的数量C 脉冲的相位D 脉冲的占空比2. 对于交流感应电动机，其转差率s的范围为（B）。
A.1<s<2B.0<s 1C.-1<s<1D.-1<s<03.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.在数控系统中，复杂连续轨迹通常采用（ A ）方法实现。
A.插补B.切割C.画线D.自动四、填空题1. 在计算机和外部交换信息中，按数据传输方式可分为：串行通信和并行通信。
2. 微机控制系统中的输入与输出通道一般包括模拟量输入通道模拟量输出通道、数字量输入通道数字量输出通道四种通道。
3. 在伺服系统中，在满足系统工作要求的情况下，首先应保证系统的稳定性和精度并尽量高伺服系统的响应速度。
机电一体化复习题(附答案)
机电一体化复习题一、名词解释1机电一体化2伺服控制3闭环控制系统4逆变器5SPWM6单片机7I/O接口8I/O通道9串行通信10直接存储器存取（DMA）二、判断题：1在计算机接口技术中I/O通道就是I/O接口。
（×）2滚珠丝杆不能自锁。
（√）3无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是高于检测装置的精度。
（×）4异步通信是以字符为传输信息单位。
（√）5同步通信常用于并行通信。
（×）6无条件I/O方式常用于中断控制中。
（×）7从影响螺旋传动的因素看，判断下述观点的正确或错误（1）影响传动精度的主要是螺距误差、中径误差、牙型半角误差（√）（2）螺杆轴向窜动误差是影响传动精度的因素（√）（3）螺杆轴线方向与移动件的运动方向不平行而形成的误差是影响传动精度的因素（√）（4）温度误差是影响传动精度的因素（√）三、单项选择题1.步进电动机，又称电脉冲马达，是通过（B）决定转角位移的一种伺服电动机。
A脉冲的宽度B脉冲的数量C脉冲的相位D脉冲的占空比2.对于交流感应电动机，其转差率s的范围为（B）。
A.1<s<2B.0<s1C.-1<s<1D.-1<s<03.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.在数控系统中，复杂连续轨迹通常采用（A）方法实现。
A.插补B.切割C.画线D.自动四、填空题1.在计算机和外部交换信息中，按数据传输方式可分为：串行通信和并行通信。
2.微机控制系统中的输入与输出通道一般包括模拟量输入通道模拟量输出通道、数字量输入通道数字量输出通道四种通道。
3.在伺服系统中，在满足系统工作要求的情况下，首先应保证系统的稳定性和精度并尽量高伺服系统的响应速度。
4.一般来说，伺服系统的执行元件主要分为电磁式液压式气压式和其它等四大类型。
第三章伺服驱动技术 ppt课件
2020/10/28
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1）可变磁阻(VR-Variable Reluctance)型
该类电动机由定子绕组产生的反 应电磁力吸引用软磁钢制成的齿 形转子作步进驱动，其定子1与 转子2由铁心构成，没有永久磁 铁，定子上嵌有线圈，转子朝定 子与转子之间磁阻最小方向转动， 并由此而得名可变磁型。
主要用于：机械设备位置、速度的动态控制。
2020/10/28
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伺服系统的结构组成及分类
伺服系统的结构组成：
输入 ＋ －
控制器
驱动元件
被控对象
输出
检测装置 伺服系统的组成
2020/10/28
5
伺服系统的结构组成及分类
控制器
根据输入信号和反馈信号决定控制策略。
驱动元件 将输入能量转化为机械能，驱动被控对象
第三章
伺服驱动技术
伺服系统的结构组成及分类 典型驱动元件及其控制 功率驱动接口
2020/10/28
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CP
伺服驱动技术
2020/10/28
伺第 服一 系节 统 的 结 构 组 成 及 分 类
2
精品资料
伺服驱动技术
根据控制指令信息，控制驱 动元件，使机械系统的运动部件 按照指令要求运动的一种控制技 术。
2通020运/10/输28 机械。
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关于伺服电动机
电气伺服系统的执行元件，把电信号转换为机械运动。
对伺服电动机的要求： 具有较宽而平滑的调速范围； 具有较硬的机械特性和良好的调节特动机
2020/10/28
步进电动机 直流伺服电动机 交流伺服电动机
第3章 机电一体化系统的执行元件的选择与设计
二、对执行元件的基本要求
1. 惯量小、动力大
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2.体积小、重量轻 既要缩小执行元件的体积、减轻重量，同时又要增大其动力，故通常用
执行元件的单位重量所能达到的输出功率或比功率，即用功率密度 或比功 率密度来评价这项指标。设执行元件的重量为G，则
当t=T/6时，U相电流为正，由U1端流向U2端，V相电流为负，由V2端 流向V1端，W相电流为零所形成的磁场，也是一个两极磁场，但N、S极的 轴线在空间顺时针方向转了60°。
转子转动
直流电
同 步 电 机
永磁型（SM）
励磁型（IM）
同步电机将永磁体或励磁线圈装在转子上，定子上装有绕组。三相 交流电流通过定子绕组，在定子上产生旋转磁场。旋转磁场与转子磁场 相互作用驱动转子转动。
12
第二节 常用的控制用电动机
电动式的执行元件由于 其操作简单、编程容易、易 于实现计算机控制，因此电 动机在机电一体化中应用的 最为广泛。
一、 电动机的种类、特点及选用
在机电一体化系统(或产品)中使用两类电动机,一类为一般的动力 用电动机,如感应式异步电动机和同步电动机等；另一类为控制用电动 机,如力矩电动机、脉冲电动机、开关磁阻电动机、变频调速电动机和 各种AC/DC电动机等，下图为常用电动机的适用范围。
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此类电动机的转子结构简单、转子直径小，有利于高速响应。由于VR型 步进电机的铁心无极性，故不需改变电流极性，因此多为单极性励磁。
43
2)永磁型(PM-Permanent Magnet)
永磁（PM）型步进电机的转子2 采用永久磁铁、定子1采用软磁钢 制成，绕组3轮流通电，建立的磁 场与永久磁铁的恒定磁场相互吸引 与排斥产生转矩。其结构如右图所 示。这种电动机由于采用了永久磁 铁，即使定子绕组断电也能保持一 定转矩，故具有记忆能力，可用做 定位驱动。PM型电动机的特点是励 磁功率小、效率高、造价低，因此 需要量也大。由于转子磁铁的磁化 间距受到限制，难于制造，故步距 角较大。与VR型相比转矩大，但转 子惯量也较大。
机电一体化复习题附答案分析
机电一体化复习题一、名词解释1机电一体化 2伺服控制 3闭环控制系统 4逆变器 5 SPWM 6单片机 7 I/O接口8 I/O通道 9 串行通信 10直接存储器存取〔DMA〕二、判断题：1 在计算机接口技术中I/O通道就是I/O接口。
〔×〕2 滚珠丝杆不能自锁。
〔√〕3 无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是高于检测装置的精度。
〔×〕4 异步通信是以字符为传输信息单位。
〔√〕5 同步通信常用于并行通信。
〔×〕6 无条件I/O方式常用于中断控制中。
〔×〕7从影响螺旋传动的因素看，判断下述观点的正确或错误〔1〕影响传动精度的主要是螺距误差、中径误差、牙型半角误差〔√〕〔2〕螺杆轴向窜动误差是影响传动精度的因素〔√〕〔3〕螺杆轴线方向与移动件的运动方向不平行而形成的误差是影响传动精度的因素〔√〕〔4〕温度误差是影响传动精度的因素〔√〕三、单项选择题1. 步进电动机，又称电脉冲马达，是通过〔 B 〕决定转角位移的一种伺服电动机。
A 脉冲的宽度B 脉冲的数量C 脉冲的相位D 脉冲的占空比2. 对于交流感应电动机，其转差率s的范围为〔B〕。
A.1<s<2B.0<s 1C.-1<s<1D.-1<s<03.PWM指的是〔C〕。
4. PD称为〔 B 〕控制算法。
5.在数控系统中，复杂连续轨迹通常采用〔 A 〕方法实现。
四、填空题1. 在计算机和外部交换信息中，按数据传输方式可分为：串行通信和并行通信。
2. 微机控制系统中的输入与输出通道一般包括模拟量输入通道模拟量输出通道、数字量输入通道数字量输出通道四种通道。
3. 在伺服系统中，在满足系统工作要求的情况下，首先应保证系统的稳定性和精度并尽量高伺服系统的响应速度。
4. 一般来说，伺服系统的执行元件主要分为电磁式液压式气压式和其它等四大类型。
5. 在SPWM变频调速系统中，通常载波是等腰三角波，而调制波是正弦波6.异步交流电动机变频调速：a)基频〔额定频率〕以下的恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。
机电一体化应用技术与实践项目1 机电一体化中的伺服传动控制技术与实践
【任务知识点】
3.交流伺服电动的控制方式 位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲 的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定 转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度 和位移进行赋值。 度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行 转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速 度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直 接负载的位置信号给上位反馈做运算用。
【任务知识点】
1.交流伺服电动机结构与工作原理 伺服一词源于希腊语“奴隶”的意思。“伺服电机” 可以理解为绝对服从控制信号指挥的电机；
图1-19 交流伺服电机结构图
【任务知识点】
2.交流伺服电动机分类 （1）异步型交流伺服电动机。异步型交流伺服电动 机指的是交流感应电动机。它有三相和单相之分，也有 鼠笼式和线绕式，通常多用鼠笼式三相感应电动机。 （2）同步型交流伺服电动机。同步型交流伺服电动 机虽较感应电动机复杂，但比直流电动机简单。它的定 子与感应电动机一样，都在定子上装有对称三相绕组。 而转子却不同，按不同的转子结构又分电磁式及非电磁 式两大类。
图1-5脉冲序列图解
【任务知识点】
2.单片机控制步进电动机的控制原理 （1）脉冲序列的生成脉冲周期的实现
图1-5脉冲序列图解
【任务知识点】
2.单片机控制步进电动机的控制原理
（2）方向控制旋转方向与内部绕组的通电顺序有关， 步进电动机方向信号指定各相导通的先后次序，用以改 变步进电动机旋转方向。
（3）转速控制周期决定了步进电动机的转速，如果给 步进电动机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个 脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电 动机就转得越快。
机电一体化应用技术 与实践
《机电一体化技术(专科)》阶段练习答案
《机电一体化技术（专科）》阶段练习答案（第3章—第4章）一、判断题1、√2、×3、×4、√5、√二、名词解释1 开环控制系统—无反馈的控制系统。
2. 逆变器—把固定的直流电变成固定或可调的交流电的DC/AC变流器。
3. 以电子换向取代了传统的直流电动机的电刷换向的电动机。
4 灵敏度即为传感器在静态标准条件下输入变化对输出变化的比值。
三、填空题1、计算法、查表法和插值法。
2、许多传感器的转换原理里非线性的、采用的测量电路也是非线性的。
3、N= 8-16 、N= 4 。
4、运算放大器、测量放大器、程控测量放大器、隔离放大器。
5、带动控制对象按指定规律作机械运动。
6、分析法和实验法。
7、所能达到的位置精度越高。
8、PWM 调速驱动系统和可控硅直流调速驱动系统。
9、Y电机的状态、X电机的状态。
10、位置控制，速度调节。
四、简答题1.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?答：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。
2. 伺服系统的组成包括：1) 比较环节；2) 控制器；3) 执行环节；4) 被控对象；5) 检测环节3. 测试传感部分的作用是什么?答：测试传感部分的作用：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，传输到信息处理单元，经分析处理后产生控制信息。
五、计算分析题1 答：三相交流感应电动机，电源频率50Hz，空载转速为1450r/min。
(1) 4极，空载转差率n=(1500-1450)/1500=3.3%(2) 50Hz(3) 50Hz 16.5 Hz2 答：光栅此时的位移细分前4mm, 细分后1mm测量分辨率:细分前0.01 mm/线细分后:0.025。
《机电一体化技术》课程读书笔记
第一章绪论1．机电一体化包括哪六大共性关键技术（相关技术）？p1答:机电一体化包括六大共性关键技术:（1）精密机械技术，（2)伺服传动技术，(3）检测传感技术，（4）信息处理技术，（5)自动控制技术，（6）系统总体技术。
2．一个较完善的机电一体化系统，应具有哪六个基本功能要素？p2答：机电一体化系统应具有以下六个基本功能要素：（1）机械本体，（2)动力部分,（3）传感检测部分，（4）执行机构，(5）驱动部分，(6）控制及信息处理、各要素和环节之间相联系的接口.3．何谓机电一体化系统中的接口?接口的作用和基本功能是什么？p3答：机电一体化系统中的接口,是机电一体化系统中各子系统之间进行物质、能量和信息传递与交换的联系部件。
接口的作用使各要素或子系统联接成为一个有机整体，使各个功能环节有目的地协调一致运动，从而形成机电一体化的系统工程。
接口的基本功能主要有三个：一是交换，通过接口完成使各要素或子系统之间信号模式或能量的统一;二是放大,在两个信号强度相差悬殊的环节间,经接口放大，达到能量的匹配；三是传递，变换和放大后的信号在环节间可靠、快速、精确地交换，必须遵循协调一致的时序、信号格式和逻辑规范。
接口具有保证信息传递的逻辑控制功能，使信息按规定模式进行传递。
4．简述执行部分的功能和分类。
P3答：执行机构的功能是根据控制信息和指令完成所要求的动作。
执行部分是运动部件，一般采用机械、电磁、电液等机构。
它将输入的各种形式的能量转换为机械能。
5．何谓机械本体？P2答：机械本体包括机械传动装置和机械结构装置。
其主要功能是使构造系统的各子系统、零部件按照一定的空间和时间关系安置在一定位置上。
6．何谓动力部分？p2答:部分动力部分的功能是按照机电一体化技术系统的控制要求，为系统提供能量和动力以保证系统正常运行。
7．何谓传感检测部分?p2答：传感检测部分的功能是对系统运行过程中所需要的本身和外界环境和各种参数及状态进行检测，并转换成可识别信号,传输到信息处理单元,经过分析、处理后产生相应的控制信息。
第3章 执行元件
机电一体化
8、步进电机的升降速控制
如要求步进电动机运行速度低，运行脉冲频率低于它本 身的起动频率时，步进电动机可以用运行频率直接起动，并 以该频率连续运行； 停止的时候，可以从运行频率直接降到零速，无需升降 频控制。 如要求运行速度较高，脉冲 频率选择不当，步进电机或者不 能正常启动，或者由于惯性不能 准确地移到新的位置，即发生失 步或过冲现象。 在步进电机开环控制系统中， 如何防止失步或过冲是步进电机 开环控制系统能否正常运行的关 键。
机电一体化
三、步进电动机及其驱动
将电脉冲信号转换成机械角位移的 执行元件。 每当电动机绕组接受一个电脉冲， 转子就转过一个相应的步距角。 转子角位移的大小及转速分别 与输入的电脉冲数及频率成正比， 并在时间上与输入脉冲同步。 只要控制输入电脉冲的数量、 频率以及电动机绕组的通电顺序， 电动机即可获得所需的转角、转速 及转向，很容易用微机实现数字控 制。
机电一体化
6、步进电机驱动电源
单电压驱动
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机电一体化
单电压驱动（3相功放）
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机电一体化
高、低压双电压驱动电路
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机电一体化
高、低压双电压驱动电路
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机电一体化
斩波恒流驱动电路
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机电一体化
7、步进电机的细分驱动
基本步距角的大小只有两种，即整步或半步工作（如三相三 拍，三相六拍工作方式：1.5°/0.75°）。步距角已由步进电 动机结构所确定。 如果要求步进电动机有更小的转角（实际步距角）或者为减 小电动机振动、噪声等原因，可以在每次脉冲切换时，不将绕 组电流全部通入或切除，而是只改变相应绕组中额定电流的一 部分，电动机转过的每步运动也只是基本步距角的一部分。 绕组电流不再是一个方波，而是阶梯波，额定电流是台阶式 的投入或切除。电流分成多少个台阶，则转子就以同样的个数 转过一个步距角。这样将一个步距角细分成若干步的驱动方法 被称为细分驱动。 细分驱动的特点：在不改动电动 机结构参数的情况下，可使运行平稳， 提高匀速性，减弱或消除振荡。但细 分后的步距角精度并未提高，功率放 大驱动电路也相应复杂。 回首页
机电一体化复习题(附答案)分析
机电一体化复习题一、名词解释1机电一体化 2伺服控制 3闭环控制系统 4逆变器 5 SPWM 6单片机 7 I/O接口8 I/O通道 9 串行通信 10直接存储器存取（DMA）二、判断题：1 在计算机接口技术中I/O通道就是I/O接口。
（×）2 滚珠丝杆不能自锁。
（√）3 无论采用何种控制方案，系统的控制精度总是高于检测装置的精度。
（×）4 异步通信是以字符为传输信息单位。
（√）5 同步通信常用于并行通信。
（×）6 无条件I/O方式常用于中断控制中。
（×）7从影响螺旋传动的因素看，判断下述观点的正确或错误（1）影响传动精度的主要是螺距误差、中径误差、牙型半角误差（√）（2）螺杆轴向窜动误差是影响传动精度的因素（√）（3）螺杆轴线方向与移动件的运动方向不平行而形成的误差是影响传动精度的因素（√）（4）温度误差是影响传动精度的因素（√）三、单项选择题1. 步进电动机，又称电脉冲马达，是通过（ B ）决定转角位移的一种伺服电动机。
A 脉冲的宽度B 脉冲的数量C 脉冲的相位D 脉冲的占空比2. 对于交流感应电动机，其转差率s的范围为（B）。
A.1<s<2B.0<s 1C.-1<s<1D.-1<s<03.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.在数控系统中，复杂连续轨迹通常采用（ A ）方法实现。
A.插补B.切割C.画线D.自动四、填空题1. 在计算机和外部交换信息中，按数据传输方式可分为：串行通信和并行通信。
2. 微机控制系统中的输入与输出通道一般包括模拟量输入通道模拟量输出通道、数字量输入通道数字量输出通道四种通道。
3. 在伺服系统中，在满足系统工作要求的情况下，首先应保证系统的稳定性和精度并尽量高伺服系统的响应速度。
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4 伺服系统—步进电动机及其驱动控制
2 高低压功率放大器
采用脉冲变压器TI组成的高低压控制电路原理图
有脉冲输入时
•T1、T2、T3、T4饱和导通 脉冲变压器TI 二 次 侧 感 生 一 个 电 压 ——T3 导 通 ——80v 的高压——T3——W，使电流迅速上升
这两种脉冲分配器的工作方式基本相同，当各个引脚 连接好之后，主要通过一个脉冲输入端，控制步进的 速度；一个输入端控制电动机的转向；并有与步进电 动机相数相同数目的输出端分别控制电动机的各相。
4 伺服系统—步进电动机及其驱动控制
方向
J3r、J3L两端子是三相双三拍的控制端，J6r、J6L是三相六拍的控制端。三相双 三拍工作时：若J3r＝“1”，而J3L＝“0”，则电机正转；若J3r＝“0”，J3L＝ “1”， 则电机反转；三相六拍供电时：若J6r＝“1”，J6L＝“0”，则电机正转； 若J6r＝“0”，J6L＝“1”，电机反转。R2是双三拍的复位端，R1 是六拍的复位 端，使用时，首先将其对应复位端接入高电平，使其进入工作状态，然后换接 到工作位置。CL端是时钟脉冲输入端，EN是时钟脉冲允许端，用以控 制时钟 脉冲的允许与否。当脉冲CP由CL端输入，只有EN端为高电平时，时钟脉冲的 上升沿才起作用。CH250也允许以EN端作脉冲CP的输入端，此时， 只有CL为 低电平时，时钟脉冲的下降沿才起作用。A、B、C为环形分配器的三个输出端， 经过脉冲放大器（功率放大器）后分别接到步进电动机的三相线 上。
•当T2进入稳定状态后，TI二次侧的感应 电 压 为 零 ——T3 截 止 ——l2v 低 压 —— D1——W
•输入脉冲结束后， T1、T2、T3、T4又都 截止，储存在W中的能量——18欧电阻和 D2放电（18欧电阻的作用是减小放电回路 的时间常数，改善电流波形的后沿。）
•该电路由于采用高压驱动，电流增长加 快，脉冲电流的前沿变陡，电机的转矩和 运行频率部得到了提高。
驱动电路：一种脉冲放大电路，使脉冲具有一定的功率驱动能力。 要求： ① 提高步进电动机的快速性； ② 提高步进电动机的平稳性。
4 伺服系统—步进电动机及其驱动控制
1 单电压限流型驱动电路（单电压功率放大电路）
绕组W
二极管VD，续流泄放，保护功放管
w
w
w
限流电阻R， 避免电机烧 坏,一般520Ω
功率放大器3DK4,3DD15
2、脉冲分配控制——硬件（环形分配器）
电源
A相驱动
CNC
CLK
装置 DIR
环形
B相驱动
M
FULL/HALF 分配器 C相驱动
三相硬件环形分配器的驱动控制
C1,C2,C3为双 稳态触发器
4 伺服系统—步进电动机及其驱动控制
3、 专用环形分配器器件
目前市场提供的国产TTL脉冲分配器有三相 （YBO13）、四相（YBO14）、五相（YBO15）和 六相（YBO16），均为18个管脚的直插式封装。 CMOS集成脉冲分配器也有不同型号，例如CH250型 用来驱动三相步进电动机，封装形式为16脚直插式。
4 伺服系统—步进电动机及其驱动控制
4528触
发
低 电
步序 正转 反转
导电相
A AB B BC C CA
工作状态 CB A 001 011 010 110 100 101
数值（16进制） 程序的数据表
TAB
01H
TAB0 DB01H
03H
DB03H
02H
DB02H
06H
DB06H
04HDB04H来自05HTAB5 DB05H
4 伺服系统—步进电动机及其驱动控制
• 专用环形分配器 使用方便、接口简单.如：CH250三相绕组分频器 ；L297
和PMM8714两相绕组分频器；PMM8713五相绕组电机分频器等。
4 伺服系统—步进电动机及其驱动控制
1、软件脉冲分配的控制 计算机控制的步进电机驱动系统中，使用软件实现脉冲分配。常
用查表法。对于三相六拍环形分配器，每当接收到一个进给脉冲指令， 环形分配器软件根据下表所示真值表，按顺序及方向控制输出接口将A、 B、C的值输出即可。把表中的数值按顺序存入内存的EPROM中，并分别 设定表头的地址为TAB0。计算机的P1口按从表头开始逐步加1的顺序变 化，电动机正相旋转，如果按从TAB5，逐步减1的顺序变化，电动机则 反转。
4 伺服系统—步进电动机及其驱动控制
四、步进电动驱动与控制
步进式伺服驱动系统工作原理
系统由 “步进电机驱动线路” + “步进电机” 组成，对工作台位 移、速度和运动方向进行控制
指进 令给
步进电机驱动线路
步进电机
机 床
4 伺服系统—步进电动机及其驱动控制
步进电动机的驱动
步进电机的驱动电路：主要由脉冲分配器和功率放大器两 部份组成。 变频控制信号：主要有脉冲频率信号和方向控制信号。
变频信号
方向信号
脉冲 分配器
功率 放大器
步进电机驱动电路的组成
脉冲分配器的作用是产生多路顺序脉冲信号，从而使电机绕组的通 电顺序按一定规律变化。
4 伺服系统—步进电动机及其驱动控制
（一）环形脉冲分配方法
• 利用计算机软件，差表或计算进行脉冲的环形分配 成本低、利于多相的脉冲分配 、占用计算机机时
• 小规模集成电路环形分配器 搭接灵活、不占用计算机机时
4 伺服系统—步进电动机及其驱动控制
4 伺服系统—步进电动机及其驱动控制
（二）功率放大器(驱动电路）
步进电机使用脉冲电源工作，环型脉冲分配器输出的电流很小， 必需经过功率放大。其驱动电路方式有多种,过去常采用单电压、高 低压驱动电源（电压型），现在则多采用恒流斩波和调频调压（电 流型）等形式的驱动电源。
4 伺服系统—步进电动机及其驱动控制
N1不触发 低电平
高 电 平
T1导通
低电平
V1 截 止
绕组中 也无电 流通过
V2 截 止
当输入端为低电平时，低压部分的VM0S管V2(IRF250)栅极为低电平，V2 截止。同时单稳态电路N1不触发，Q端6脚输出高电平，开关管T1(3DAl50)饱 和导通，高压管Vl(IRF250)栅极为低电平，V1截止，绕组中也无电流通过。