运动控制系统安装与调试（第2版）习题及答案 项目5

.4.2习题1、选择题（1）两相交流伺服电动机定子上的绕组在空间相隔(C)。A.30°B.60°C.90°D.180°（2）在相同的体积和重量下，一定的功率范围内，空心杯形转子伺服电动机与鼠笼转子伺服电动机相比（A）。A.产生的启动转矩和输出功率都小；B.产生的启动转矩大、输出功率小；C.产生的启动转矩小、输出功率大；D.产生的启动转矩和输出功率都大（3）一般把伺服电动机的转子电阻R设计得很大，电动机在失去控制信号，成单相运行时，最大转矩将出现在（C）附近A.S<1B.S=1C.S>1D.都有可能(4)下列不属于两相交流伺服电动机的控制方法的有（D）。A.幅值控制B.相位控制C.幅相控制D.频率控制（5）伺服单元位置环增益越大，伺服系统的响应越（A）。A.快B.慢；C.滞后C.响应与增益无关（6）现代高性能的伺服系统中，多数进给交流伺服电动机采用（A）A.永磁式同步电动机B.鼠笼式异步电动机C.步进电机D.有刷电动机（7）闭环控制系统的反馈装置（D）。A.装在电机轴上B.装在位移传感器上C.装在传动丝杠上D.装在机床移动部件上（8）进给伺服系统是一种（A）系统。A.位置控制B.速度控制C.转速控制D.转矩控制(9)交流伺服电动机铭牌一般包含电机类型、额定功率、反馈方式等信息。110SJT-B-M04030型号交流伺服电动机的转矩是（B）。A.40N·mB.4N·mC.40N·mmD.4N·mm(10)通过伺服电动机上编码器测量工作台移动距离，称为（）。这种伺服系统称为（A）。A.间接测量半闭环系统B.直接测量半闭环系统

C.间接测量闭环系统D.直接测量闭环系统（11）绝对移动指令“MC_MoveAbsolute”的启动命令输入端口“Execute”（B）。A.高电平有效。B.脉冲上升沿有效。C.低电平有效。D.脉冲下降沿有效。（12）TECO伺服驱动器设置位置控制模式的参数是（A）A.Cn001=2B.Cn002=H0011C.Pn301=H0000D.Pn314=12、填空题（1）伺服电动机又称为执行电动机，在自动控制系统中，其任务是将输入的电信号转换为轴上的转角或转速，以带动控制对象。3（2）伺服电动机主要由定子、转子和检测元件构成。3（3）按照电流种类不同，伺服电动机可分为交流伺服电动机和直流伺服电动机。按照结构来分，又可以分为有刷式伺服电动机和无刷式伺服电动机。4（4）两相交流伺服电动机定子上装有两个绕组，一个是励磁绕组，另一个是控制绕组。2（5）交流伺服电动机的转子结构形式有两种，包括高电阻率导条的笼型转子和非磁性空心杯转子。2（6）两相交流伺服电动机工作时，励磁绕组始终接在电源上。在单相供电时合成电磁转矩成为制动转矩。2（7）直流伺服电动机按励磁方式之不同可分为电磁式和永磁式两种。2（8）交流伺服驱动器通常有位置控制、速度控制和转矩控制三种控制模式。3（9）伺服驱动器中的电子齿轮实际是一个分-倍频器。1（10）伺服电动机选型时，转矩选择的依据是电动机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载两种。23、简答题（1）简述冲压机床进给伺服系统的组成。（5分）电源：电源部分采用380V/220V变压器得到220VAC电压，然后通过开关电源获得24VDC电压。电源部分负责给交流伺服电动机、交流伺服驱动器、强电控制电路、PLC和控制面板等供电，并起到保护作用。伺服驱动单元：电源要根据不同的伺服驱动系统具体确定，在本项目的位置控制系统中，采用了永磁同步交流伺服电机，及对应的伺服电机驱动器。驱动器采用AC220V电源供电。强电控制电路：主要用于系统急停、伺服系统电路的上电等。PLC：采用西门子s7-1200型PLC，用于控制强电电路，进而控制伺服驱动器上电；控制伺服（电机）驱动器的方向信号和速度信号；控制状态指示灯等。控制面板：主要用于强电电路的急停输入；PLC的起动、停止等输入和故障指示、正常指示等输出。（2）简述与鼠笼转子伺服电动机相比，空心杯形转子伺服电动机的优缺点。（4分）a.空心杯形与鼠笼形转子相比较，非磁性杯形转子惯量小，轴承摩擦阻转矩小。b.由于空心杯形的转子没有齿和槽，所以定、转子间没有齿槽粘合现象，转矩不会随转子不同的位置而发生变化，恒速旋转时，转子一般不会有抖动现象，运转平稳。c.由于空心杯形内、外定子间气隙较大（杯壁厚度加上杯壁两边的气隙），所以励磁电流就大，降低了电机的利用率，因而在相同的体积和重量下，在一定的功率范围内，空心杯形转子伺服电动机比鼠笼转子伺服电动机所产生的启动转矩和输出功率都小。d.空心杯形转子伺服电动机结构和制造工艺比较复杂。（3）与分相式单相异步电动机相比，两相交流伺服电动机的特点是什么？（5分）①起动转矩大。由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图5-16中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相比，有明显的区别。它可使临界转差率S0＞1，这样不仅使转矩特性〔机械特性〕更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。②运行范围较宽，能在宽范围内连续调节。根据图5-16可知，转差率S在0到1的范围内伺服电机都能稳定运转。③转子的惯性小，响应快，随控制电压改变反应很灵敏。当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。④在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的下降，特性曲线下移。在同一负载转矩作用时，电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。⑤无自转现象。控制电压一旦取消，电动机立即停转。（4）请进行直流和交流伺服电动机的比较，简述相关要点。（4分）①直流伺服电动机由于有电刷和换向器，因而结构复杂，制造麻烦，维护困难；换向器还能引起无线电千扰。而交流何服电动机结构简单，运行可靠，推护方便。故在确定系统中优先考虑。②直流伺服电动机和交流伺服电动机就机械特性和调节特性相比，前者的堵转转矩大，机械特性较硬；③直流伺服电动机特性曲线线性度好，而交流伺服电动机后者特性曲线为非线性的，这将影响到系统的动态精度。一般来说，机械特性的非线性度越大，系统的动态精度越低。④交流伺服电动机中负序磁场的存在会产生制动转矩，使得电动机的损耗增大，电磁转矩减小。当输出功率相同时，交流伺服电动机的体积大，质量重，效率低。（5）交流伺服系统的性能指标主要包括哪几个方面？（6分）①定位精度。控制系统最终定位点与指定目标值之前的静态误差即为定位精度，定位精度是评价位置伺服系统定位准确度的一个关键指标。②重复定位精度。这是伺服电机多次移动到同一位置时的能力，通常以毫米或微米表示。它测量了伺服电机在不同时刻返回相同位置的一致性。③调速范围。即电动机最高转速与最低转速之比。通常应满足D大于等于10000时，才能满足低速加工和高速返回的要求。④调速静态特性。对绝大多数负载来说，机械特性越硬，负载变化时速度瞬态变化越小，工作越稳定。⑤调速动态特性。动态特性，即速度变化的暂态特征，主要包括三个方面：一是升速和降速过程是否快捷、灵敏且无超调。二是当负载突然增大或者减小时，系统的转速能否有自动调节功能，迅速恢复。三是系统低速时转速脉动大小。⑥效率及经济性。调速的经济性、伺服系统的运行效率、系统的故障率等也是高性能交流伺服系统常用的性能指标。（6）交流伺服电动机与步进电动机性能相比，有哪些方面的不同？（6分）①控制精度不同②低频特性不同③矩频特性不同④过载能力不同⑤运行性能不同⑥速度响应性能不同⑦效率指标不同（7）伺服电动机的扭矩、速度要到达系统的要求，转子惯量与负载惯量要相匹配。请简述伺服电动机选型时应遵循的原则。（5分）①电机的最大转速＞系统所需之最高移动转速。②电机的转子惯量与负载惯量相匹配。负载惯量=电机的旋转惯量×适合的惯量比。③连续负载工作扭力≤电机额定扭力。一般留有20%的余量。④电机最大输出扭力＞系统所需最大扭力（加速时扭力）。一般留有20%的余量。⑤编码器的分辨率。编码器的分辨率要满足系统的规格要求；⑥环境要求。环境温度、湿度、气压及振动冲击等，要满足商品的规格要求。（8）请简述伺服驱动器的选型原则（5分）①电机类型。根据直流或交流伺服电动机配套相应的驱动器，如果是交流伺服电动机，首先要确定是220V交流伺服电动机，还是380V三相交流伺服电动机。②电机额定电压。驱动器要配套电动机额定电压。电机额定电压通常在电机铭牌或数据手册上可找到。常见的电机额定电压有6V、12V、24V、36V、48V、60V、110V、220V、380V等。③电机额定电流或功率。电机运行的电流要小于等于驱动器额定电流。大功率驱动器可以带小功率电动机，但是浪费了。电机硬启动的启动电流约等于电机堵转电流。堵转电流通常为额定电流的3~5倍。如额定电流2A的电机，堵转电流可能在6A以上，超过了就可能烧毁驱动板。④控制方式。根据需求选用脉冲控制的或通信接口控制的驱动器。伺服驱动器常采用的通信接口包括CAN总线、Modbus、RS232/485、以太网等，需要根据实际通信需求选择合适的通信接口和伺服驱动器型号。⑤控制精度。控制精度是伺服驱动器的重要性能指标之一，一般是以位置或速度为单位来衡量的。需要根据控制精度的要求选择合适的伺服驱动器，注意不要过度选择，以避免造成资源浪费。⑥售后服务与维护。伺服驱动器的售后服务是选型时需要考虑的重要因素，需要考虑供应商提供的保修、技术支持和维修等服务，以确保在使用过程中的顺利和可靠性。4.计算题（共2题，每题6分，共12分）（1）一进给轴由伺服电动机通过联轴器直接带动滚珠丝杠运动。已知伺服马达的分辨率是131072

P/R，滚珠丝杠螺距

PB

=8mm。(6分)

(1)

计算反馈脉冲的当量δ（一个脉冲走多少）？

因为131072个脉冲，伺服电动机转一圈。所以有：δ=

8mm/131072(2)

要求指令脉冲当量为Δl=0.1μm/pulse

，电子齿轮比应为多少？

因为：0.1μm=0.0001mm，

(3)

电机的额定速度为3000rpm，脉冲频率fc应为多少？

fc×电子齿轮比=3000/60×131072

（2）一进给轴由伺服电动机通过联轴器直接带动滚珠丝杠运动。电机转子转动惯量JM=0.0665×10-4(kg·m2)，电动机轴换算负载转动惯量为JL=1.25×10-4(kg·m2)，负载（摩擦）转矩为TL=0.139Nm，电动机额定转速nm=3000r/min，加速时间和减速时间相等，ta=td=0.1s，摩擦（负载）转矩（一般为匀速运动）TL时间为tc=1s，往复运动周期为t=1.5s。请计算所需要的有效转矩。解：因为有效转矩为一个周期内电机转矩的均方根值(有效转矩Trms)，TP加速转矩，TL摩擦转矩（一般为匀速负载），TS减速转矩；ta、tc、td为各个转矩的时间，t为一个周期的时间。=0.552(Nm)=0.275(Nm)所以有效转矩：=0.16(Nm)5.实训与综合题（1）完成伺服系统中交流伺服驱动器的接线，并阐述接线注意事项。①电机输出端(端子U、V、W)要正确的连接。否则伺服电机动作会不正常。交流伺服电机的旋转方向不象感应电动机可以通过交换三相相序来改变。隔离线必须连接在FG端子上。②接地请使用第3种接地(接地电阻值为100Ω以下)，而且必须单点接地。若希望电机与机械之间为绝缘状态时，请将电机接地。③伺服驱动器的输出端不要加装电容器，或过压（突波）吸收器及噪声滤波器。④装在控制输出信号的继电器，其过压（突波）吸收用的二极管的方向要连接正确，否则会造成故障无法输出信号，也可能影响紧急停止的保护回路不产生作用。⑤电机接线：U：红；V：白；W：黑。机械剎车控制线：细红DC+24V；细黄0V。⑥为了防止噪声造成的错误动作，请采下列的处置：（2）冲压机床项目运动控制系统中，进给部分采用伺服电动机直接带