運動控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試（第2版）習題及答案 項目5

.4.2習題1、選擇題（1）兩相交流伺服電動機定子上的繞組在空間相隔(C)。A.30°B.60°C.90°D.180°（2）在相同的體積和重量下，一定的功率范圍內(nèi)，空心杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機與鼠籠轉(zhuǎn)子伺服電動機相比（A）。A.產(chǎn)生的啟動轉(zhuǎn)矩和輸出功率都?。籅.產(chǎn)生的啟動轉(zhuǎn)矩大、輸出功率?。籆.產(chǎn)生的啟動轉(zhuǎn)矩小、輸出功率大；D.產(chǎn)生的啟動轉(zhuǎn)矩和輸出功率都大（3）一般把伺服電動機的轉(zhuǎn)子電阻R設(shè)計得很大，電動機在失去控制信號，成單相運行時，最大轉(zhuǎn)矩將出現(xiàn)在（C）附近A.S<1B.S=1C.S>1D.都有可能(4)下列不屬于兩相交流伺服電動機的控制方法的有（D）。A.幅值控制B.相位控制C.幅相控制D.頻率控制（5）伺服單元位置環(huán)增益越大，伺服系統(tǒng)的響應越（A）。A.快B.慢；C.滯后C.響應與增益無關(guān)（6）現(xiàn)代高性能的伺服系統(tǒng)中，多數(shù)進給交流伺服電動機采用（A）A.永磁式同步電動機B.鼠籠式異步電動機C.步進電機D.有刷電動機（7）閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋裝置（D）。A.裝在電機軸上B.裝在位移傳感器上C.裝在傳動絲杠上D.裝在機床移動部件上（8）進給伺服系統(tǒng)是一種（A）系統(tǒng)。A.位置控制B.速度控制C.轉(zhuǎn)速控制D.轉(zhuǎn)矩控制(9)交流伺服電動機銘牌一般包含電機類型、額定功率、反饋方式等信息。110SJT-B-M04030型號交流伺服電動機的轉(zhuǎn)矩是（B）。A.40N·mB.4N·mC.40N·mmD.4N·mm(10)通過伺服電動機上編碼器測量工作臺移動距離，稱為（）。這種伺服系統(tǒng)稱為（A）。A.間接測量半閉環(huán)系統(tǒng)B.直接測量半閉環(huán)系統(tǒng)

C.間接測量閉環(huán)系統(tǒng)D.直接測量閉環(huán)系統(tǒng)（11）絕對移動指令“MC_MoveAbsolute”的啟動命令輸入端口“Execute”（B）。A.高電平有效。B.脈沖上升沿有效。C.低電平有效。D.脈沖下降沿有效。（12）TECO伺服驅(qū)動器設(shè)置位置控制模式的參數(shù)是（A）A.Cn001=2B.Cn002=H0011C.Pn301=H0000D.Pn314=12、填空題（1）伺服電動機又稱為執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，其任務是將輸入的電信號轉(zhuǎn)換為軸上的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速，以帶動控制對象。3（2）伺服電動機主要由定子、轉(zhuǎn)子和檢測元件構(gòu)成。3（3）按照電流種類不同，伺服電動機可分為交流伺服電動機和直流伺服電動機。按照結(jié)構(gòu)來分，又可以分為有刷式伺服電動機和無刷式伺服電動機。4（4）兩相交流伺服電動機定子上裝有兩個繞組，一個是勵磁繞組，另一個是控制繞組。2（5）交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式有兩種，包括高電阻率導條的籠型轉(zhuǎn)子和非磁性空心杯轉(zhuǎn)子。2（6）兩相交流伺服電動機工作時，勵磁繞組始終接在電源上。在單相供電時合成電磁轉(zhuǎn)矩成為制動轉(zhuǎn)矩。2（7）直流伺服電動機按勵磁方式之不同可分為電磁式和永磁式兩種。2（8）交流伺服驅(qū)動器通常有位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制三種控制模式。3（9）伺服驅(qū)動器中的電子齒輪實際是一個分-倍頻器。1（10）伺服電動機選型時，轉(zhuǎn)矩選擇的依據(jù)是電動機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載兩種。23、簡答題（1）簡述沖壓機床進給伺服系統(tǒng)的組成。（5分）電源：電源部分采用380V/220V變壓器得到220VAC電壓，然后通過開關(guān)電源獲得24VDC電壓。電源部分負責給交流伺服電動機、交流伺服驅(qū)動器、強電控制電路、PLC和控制面板等供電，并起到保護作用。伺服驅(qū)動單元：電源要根據(jù)不同的伺服驅(qū)動系統(tǒng)具體確定，在本項目的位置控制系統(tǒng)中，采用了永磁同步交流伺服電機，及對應的伺服電機驅(qū)動器。驅(qū)動器采用AC220V電源供電。強電控制電路：主要用于系統(tǒng)急停、伺服系統(tǒng)電路的上電等。PLC：采用西門子s7-1200型PLC，用于控制強電電路，進而控制伺服驅(qū)動器上電；控制伺服（電機）驅(qū)動器的方向信號和速度信號；控制狀態(tài)指示燈等?？刂泼姘澹褐饕糜趶婋婋娐返募蓖］斎?；PLC的起動、停止等輸入和故障指示、正常指示等輸出。（2）簡述與鼠籠轉(zhuǎn)子伺服電動機相比，空心杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機的優(yōu)缺點。（4分）a.空心杯形與鼠籠形轉(zhuǎn)子相比較，非磁性杯形轉(zhuǎn)子慣量小，軸承摩擦阻轉(zhuǎn)矩小。b.由于空心杯形的轉(zhuǎn)子沒有齒和槽，所以定、轉(zhuǎn)子間沒有齒槽粘合現(xiàn)象，轉(zhuǎn)矩不會隨轉(zhuǎn)子不同的位置而發(fā)生變化，恒速旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子一般不會有抖動現(xiàn)象，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。c.由于空心杯形內(nèi)、外定子間氣隙較大（杯壁厚度加上杯壁兩邊的氣隙），所以勵磁電流就大，降低了電機的利用率，因而在相同的體積和重量下，在一定的功率范圍內(nèi)，空心杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機比鼠籠轉(zhuǎn)子伺服電動機所產(chǎn)生的啟動轉(zhuǎn)矩和輸出功率都小。d.空心杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機結(jié)構(gòu)和制造工藝比較復雜。（3）與分相式單相異步電動機相比，兩相交流伺服電動機的特點是什么？（5分）①起動轉(zhuǎn)矩大。由于轉(zhuǎn)子電阻大，其轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖5-16中曲線1所示，與普通異步電動機的轉(zhuǎn)矩特性曲線2相比，有明顯的區(qū)別。它可使臨界轉(zhuǎn)差率S0＞1，這樣不僅使轉(zhuǎn)矩特性〔機械特性〕更接近于線性，而且具有較大的起動轉(zhuǎn)矩。②運行范圍較寬，能在寬范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。根據(jù)圖5-16可知，轉(zhuǎn)差率S在0到1的范圍內(nèi)伺服電機都能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。③轉(zhuǎn)子的慣性小，響應快，隨控制電壓改變反應很靈敏。當定子一有控制電壓，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動，即具有起動快、靈敏度高的特點。④在勵磁電壓不變的情況下，隨著控制電壓的下降，特性曲線下移。在同一負載轉(zhuǎn)矩作用時，電動機轉(zhuǎn)速隨控制電壓的下降而均勻減小。⑤無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。控制電壓一旦取消，電動機立即停轉(zhuǎn)。（4）請進行直流和交流伺服電動機的比較，簡述相關(guān)要點。（4分）①直流伺服電動機由于有電刷和換向器，因而結(jié)構(gòu)復雜，制造麻煩，維護困難；換向器還能引起無線電千擾。而交流何服電動機結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，推護方便。故在確定系統(tǒng)中優(yōu)先考慮。②直流伺服電動機和交流伺服電動機就機械特性和調(diào)節(jié)特性相比，前者的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大，機械特性較硬；③直流伺服電動機特性曲線線性度好，而交流伺服電動機后者特性曲線為非線性的，這將影響到系統(tǒng)的動態(tài)精度。一般來說，機械特性的非線性度越大，系統(tǒng)的動態(tài)精度越低。④交流伺服電動機中負序磁場的存在會產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，使得電動機的損耗增大，電磁轉(zhuǎn)矩減小。當輸出功率相同時，交流伺服電動機的體積大，質(zhì)量重，效率低。（5）交流伺服系統(tǒng)的性能指標主要包括哪幾個方面？（6分）①定位精度。控制系統(tǒng)最終定位點與指定目標值之前的靜態(tài)誤差即為定位精度，定位精度是評價位置伺服系統(tǒng)定位準確度的一個關(guān)鍵指標。②重復定位精度。這是伺服電機多次移動到同一位置時的能力，通常以毫米或微米表示。它測量了伺服電機在不同時刻返回相同位置的一致性。③調(diào)速范圍。即電動機最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比。通常應滿足D大于等于10000時，才能滿足低速加工和高速返回的要求。④調(diào)速靜態(tài)特性。對絕大多數(shù)負載來說，機械特性越硬，負載變化時速度瞬態(tài)變化越小，工作越穩(wěn)定。⑤調(diào)速動態(tài)特性。動態(tài)特性，即速度變化的暫態(tài)特征，主要包括三個方面：一是升速和降速過程是否快捷、靈敏且無超調(diào)。二是當負載突然增大或者減小時，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速能否有自動調(diào)節(jié)功能，迅速恢復。三是系統(tǒng)低速時轉(zhuǎn)速脈動大小。⑥效率及經(jīng)濟性。調(diào)速的經(jīng)濟性、伺服系統(tǒng)的運行效率、系統(tǒng)的故障率等也是高性能交流伺服系統(tǒng)常用的性能指標。（6）交流伺服電動機與步進電動機性能相比，有哪些方面的不同？（6分）①控制精度不同②低頻特性不同③矩頻特性不同④過載能力不同⑤運行性能不同⑥速度響應性能不同⑦效率指標不同（7）伺服電動機的扭矩、速度要到達系統(tǒng)的要求，轉(zhuǎn)子慣量與負載慣量要相匹配。請簡述伺服電動機選型時應遵循的原則。（5分）①電機的最大轉(zhuǎn)速＞系統(tǒng)所需之最高移動轉(zhuǎn)速。②電機的轉(zhuǎn)子慣量與負載慣量相匹配。負載慣量=電機的旋轉(zhuǎn)慣量×適合的慣量比。③連續(xù)負載工作扭力≤電機額定扭力。一般留有20%的余量。④電機最大輸出扭力＞系統(tǒng)所需最大扭力（加速時扭力）。一般留有20%的余量。⑤編碼器的分辨率。編碼器的分辨率要滿足系統(tǒng)的規(guī)格要求；⑥環(huán)境要求。環(huán)境溫度、濕度、氣壓及振動沖擊等，要滿足商品的規(guī)格要求。（8）請簡述伺服驅(qū)動器的選型原則（5分）①電機類型。根據(jù)直流或交流伺服電動機配套相應的驅(qū)動器，如果是交流伺服電動機，首先要確定是220V交流伺服電動機，還是380V三相交流伺服電動機。②電機額定電壓。驅(qū)動器要配套電動機額定電壓。電機額定電壓通常在電機銘牌或數(shù)據(jù)手冊上可找到。常見的電機額定電壓有6V、12V、24V、36V、48V、60V、110V、220V、380V等。③電機額定電流或功率。電機運行的電流要小于等于驅(qū)動器額定電流。大功率驅(qū)動器可以帶小功率電動機，但是浪費了。電機硬啟動的啟動電流約等于電機堵轉(zhuǎn)電流。堵轉(zhuǎn)電流通常為額定電流的3~5倍。如額定電流2A的電機，堵轉(zhuǎn)電流可能在6A以上，超過了就可能燒毀驅(qū)動板。④控制方式。根據(jù)需求選用脈沖控制的或通信接口控制的驅(qū)動器。伺服驅(qū)動器常采用的通信接口包括CAN總線、Modbus、RS232/485、以太網(wǎng)等，需要根據(jù)實際通信需求選擇合適的通信接口和伺服驅(qū)動器型號。⑤控制精度。控制精度是伺服驅(qū)動器的重要性能指標之一，一般是以位置或速度為單位來衡量的。需要根據(jù)控制精度的要求選擇合適的伺服驅(qū)動器，注意不要過度選擇，以避免造成資源浪費。⑥售后服務與維護。伺服驅(qū)動器的售后服務是選型時需要考慮的重要因素，需要考慮供應商提供的保修、技術(shù)支持和維修等服務，以確保在使用過程中的順利和可靠性。4.計算題（共2題，每題6分，共12分）（1）一進給軸由伺服電動機通過聯(lián)軸器直接帶動滾珠絲杠運動。已知伺服馬達的分辨率是131072

P/R，滾珠絲杠螺距

PB

=8mm。(6分)

(1)

計算反饋脈沖的當量δ（一個脈沖走多少）？

因為131072個脈沖，伺服電動機轉(zhuǎn)一圈。所以有：δ=

8mm/131072(2)

要求指令脈沖當量為Δl=0.1μm/pulse

，電子齒輪比應為多少？

因為：0.1μm=0.0001mm，

(3)

電機的額定速度為3000rpm，脈沖頻率fc應為多少？

fc×電子齒輪比=3000/60×131072

（2）一進給軸由伺服電動機通過聯(lián)軸器直接帶動滾珠絲杠運動。電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量JM=0.0665×10-4(kg·m2)，電動機軸換算負載轉(zhuǎn)動慣量為JL=1.25×10-4(kg·m2)，負載（摩擦）轉(zhuǎn)矩為TL=0.139Nm，電動機額定轉(zhuǎn)速nm=3000r/min，加速時間和減速時間相等，ta=td=0.1s，摩擦（負載）轉(zhuǎn)矩（一般為勻速運動）TL時間為tc=1s，往復運動周期為t=1.5s。請計算所需要的有效轉(zhuǎn)矩。解：因為有效轉(zhuǎn)矩為一個周期內(nèi)電機轉(zhuǎn)矩的均方根值(有效轉(zhuǎn)矩Trms)，TP加速轉(zhuǎn)矩，TL摩擦轉(zhuǎn)矩（一般為勻速負載），TS減速轉(zhuǎn)矩；ta、tc、td為各個轉(zhuǎn)矩的時間，t為一個周期的時間。=0.552(Nm)=0.275(Nm)所以有效轉(zhuǎn)矩：=0.16(Nm)5.實訓與綜合題（1）完成伺服系統(tǒng)中交流伺服驅(qū)動器的接線，并闡述接線注意事項。①電機輸出端(端子U、V、W)要正確的連接。否則伺服電機動作會不正常。交流伺服電機的旋轉(zhuǎn)方向不象感應電動機可以通過交換三相相序來改變。隔離線必須連接在FG端子上。②接地請使用第3種接地(接地電阻值為100Ω以下)，而且必須單點接地。若希望電機與機械之間為絕緣狀態(tài)時，請將電機接地。③伺服驅(qū)動器的輸出端不要加裝電容器，或過壓（突波）吸收器及噪聲濾波器。④裝在控制輸出信號的繼電器，其過壓（突波）吸收用的二極管的方向要連接正確，否則會造成故障無法輸出信號，也可能影響緊急停止的保護回路不產(chǎn)生作用。⑤電機接線：U：紅；V：白；W：黑。機械剎車控制線：細紅DC+24V；細黃0V。⑥為了防止噪聲造成的錯誤動作，請采下列的處置：（2）沖壓機床項目運動控制系統(tǒng)中，進給部分采用伺服電動機直接帶