运动控制系统安装与调试（第2版）习题及答案 项目4

.4.2习题1、选择题（10个）（1）步进电动机多相通电可以(A)A.减小步距角B增大步距角C.提高电动机转速D.往往提能高输出转矩（2）步进电动机主要用于（A）A.经济型数控机床的进给驱动B.加工中心的进给驱动C.大型数控机床的进给驱动D.数控机床的主轴驱动（3）在步进电机性能中，矩角特性是指（A）A.步进电动机的静转矩与转子失调角的关系B.步进电动机的动转矩与转子失调角的关系C.步进电动机的静转矩与转子转角的关系D.步进电动机的动转矩与转子转角的关系（4）在步进电机性能中，矩频特性是指（B）A.输出转矩与启动频率的关系B.输出转矩与运行频率的关系C.输入脉冲频率与电机运行频率的关系D.步进电机运行平稳性与频率的关系（5）正常情况下步进电机的转速取决于(A)A.控制绕组通电频率B.绕组通电方式C.负载大小D.绕组电流（6）某三相反应式步进电机的转子齿数为50，其齿距角为(A)A.7.2°B.120°C.360°电角度D.120°电角度（7）一台五相步进电机，转子齿数为48，五相十拍运行时，每走一步对应的电角度为（C）。A.0.75°B.1.5°C.36°D.72°（8）某三相反应式步进电机的初始通电顺序为，下列可使电机反转的通电顺序为（A）A.B.C.D.（9）下列关于步进电机的描述正确的是（C）A.抗干扰能力强B.带负载能力强C.功能是将电脉冲转化成角位移D.误差不会积累（10）三相步进电动机的步距角是1.5°，若步进电动机通电频率为2000Hz，则步进电动机的转速为(B)r／min。A.3000；B.500；C.1500；D.1000。（11）步进电机的转角，转速，旋转方向分别与（A）有关。A.输入脉冲的个数、频率、通电顺序B.输入脉冲频率、个数、通电顺序能力C.输入脉冲频率、通电顺序、脉冲个数D.通电顺序、输入脉冲频率、个数（12）一台三相反应式步进电动机，其转子有40个齿：采用单、双六拍通电方式，其步距角是（B）A.1°B.1.5°C.2°D.2.5°2、填空题（15个）（1）步进电动机是一种将电脉冲信号转换为相应角位移或直线位移的转换装置，是开环伺服系统的最后执行元件。2’（2）步进电动机转子本身没有励磁绕组的称为反应式步进电动机，用水久磁铁做转子的称为励磁式（永磁式）步进电动机。2’（3）反应式步进电动机是利用反应转矩（磁阻转矩）使转子转动的。这种电动机消耗的功率较大，断电时无定位转矩。2’（4）混合式步进电动机与反应式步进电动机最大的不同在于转子，反应式步进电动机转子用软磁性材料制成。混合式步进电动机转子内部有永久磁钢。3（5）步进电机在输入一个脉冲时所转过的角度称为步距角。1’（6）步进电机的三相双三拍控制指电机有三相定子绕组，每次有二相绕组通电，每三次通电为一个循环。3’（7）根据电动机的结构与材料的不同，步进电动机分为反应式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三种基本类型。3’（8）改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变。1’（9）步进电动机定子绕组通电状态的变化频率越高，转子的转速越高。1’(10)失步是指电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。失调角是指转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，是步进电动机运转必存在的。2’3、简答题（1）简述步进电动机的特点（5分）①过载性好。非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，其转速不受负载大小的影响，不像普通电机，当负载加大时（非超载）就会出现速度下降的情况。②精度高。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而准确定位。一般步进电机的精度为步距角的3-5%，且不累积。③控制方便。数字特征比较明显，可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。④整机结构简单。传统的速度和位置需要精确控制的机械装置的结构一般都比较复杂，调整困难，使用步进电动机后，使得整机的结构变得简单和紧凑。⑤步进电机的力矩会随转速的升高而下降。⑥步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点。（2）简述步进电动机的产生与发展（4分）①第一台电磁式（反应式）步进电机于1882年由法国科学家发明。20世纪初，电磁式步进电机得到了进一步的发展和改进，例如增加线圈数目、改善磁路结构等，使其性能和精度有了显著提升。②励磁式（磁滞式）步进电机是20世纪40年代出现的一种新型步进电机。励磁式步进电机的出现使步进电机在工业自动化领域得到了更广泛的应用。③混合式步进电机是20世纪60年代出现的一种新型步进电机。它结合了电磁式步进电机和励磁式步进电机的优点，混合式步进电机的出现推动了步进电机在精密仪器、医疗设备、数控机床等领域的广泛应用。④直线步进电机是21世纪初出现的一种新型步进电机。与传统的旋转步进电机不同，直线步进电机的转子是直线运动的，可用于实现直线定位和运动控制。直线步进电机具有高精度、高速度和高加速度等优点，广泛应用于机器人、印刷设备、光刻机等领域。（3）不同厂家，不同品牌的步进电机铭牌描述方式有较大差异，根据教材示例，解读步进电动机机代号：1701HY56A2G（6分）①②③④⑤⑥⑦⑧解：①机座号：电机外形尺寸(10倍的英制尺寸)，17=1.7＂。 ②电机机身长度编号（不包含出轴部分）。③类型号：“H”表示混合式步进电动机。④电机步距角：Y步距角1.8°，圆形步进电机。⑤表示10倍数电动机额定工作电流，56＝5.6A。⑥表示电动机电流单位A（安培）。⑦2：双输出轴。⑧非标准产品代号：G带减速箱（gearbox）。（4）步进驱动器选型的一些关键性能指标包括哪些方面？（5分）步进电机驱动器的区别，主要是在一些关键的性能指标上，一般来说包括以下这些方面：电流：驱动器的最大持续电流，即驱动器能够持续稳定输出的最大电流。这个参数对于驱动器的性能和稳定性有很大的影响。电压：驱动器的额定电压，即驱动器可以承受的最大电压。一般来说，电压越高，驱动器的输出功率也就越大。频率：驱动器的最高工作频率，这个参数会影响到步进电机的速度。一般来说，频率越高，电机的速度也就越快。精度：驱动器的精度（细分数），一般来说是指电机的步进角度。这个参数影响到电机的定位精度。精度越高，电机就能更精确地控制位置。噪音：驱动器的噪音大小，这个参数影响到电机的运行噪音。噪音越小，电机的运行声音也就越安静。（5）请简述步进电动机驱动器接线要求。（5分）①为了防止驱动器受干扰，建议控制信号采用屏蔽电缆线，并且屏蔽层与地线短接，除特殊要求外，控制信号电缆的屏蔽线单端接地：屏蔽线的上位机一端接地，屏蔽线的驱动器一端悬空。同一机器内只允许在同一点接地，如果不是真实接地线，可能干扰严重，此时屏蔽层不接。②脉冲和方向信号线与电机线不允许并排包扎在一起，最好分开至少10cm以上，否则电机噪声容易干扰脉冲方向信号引起电机定位不准，系统不稳定等故障。③如果一个电源供多台驱动器，应在电源处采取并联连接，不允许先到一台再到另一台链状式连接。④严禁带电拔插驱动器强电P2端子，带电的电机停止时仍有大电流流过线圈，拔插P2端子将导致巨大的瞬间感生电动势将烧坏驱动器。⑤严禁将导线头加锡后接入接线端子，可能因接触电阻变大而过热损坏端子。⑥接线线头不能裸露在端子外，以防意外短路而损坏驱动器。（6）DM556驱动器电流设置时，对于同一电机，电流设定值越大时，电机输出力矩越大，但电流大时电机和驱动器的发热也比较严重。可按照哪些方式设置？（5分）①四线电机：输出电流设成等于或略小于电机额定电流值；②六线电机高力矩模式：输出电流设成电机单极性接法额定电流的50%；③六线电机高速模式：输出电流设成电机单极性接法额定电流的100%；④八线电机串联接法：输出电流可设成电机单极性接法额定电流的70%；⑤八线电机并联接法：输出电流可设成电机单极性接法额定电流的140%。（7）什么是矩频特性？为什么当转速升高时，步进电动机所能带动的最大负载转矩值将逐步下降？（5分）①矩频特性是指电机连续转动时所产生的最大输出转矩T与f两者间的关系。②定子绕组负载的影响。因为步进电机的每一相线圈都是一个电感负载，线圈的通电和关闭，就相当于对电感负载的冲放电。电机转速升高，线圈充电频率也升高，由于电感负载的积分作用，线圈充电频率升高后线圈内的电流就不能达到较大值，因而电机的输出扭矩随着电机的转速的升高而降低。③反向电动势的影响。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致输出力矩下降。（8）电动机低速运行，如果等于或接近于步进电动机的振荡频率时，就会出现低频共振。步进电机低速转动时的振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用以下方案来克服：（5分）①如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比提高步进电机运行速度。②采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的，最简便的方法。因为细分型驱动器电机的相电流变流较半步型平缓。③换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机，或两相细分型步进电机。④换成伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高。⑤在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。4.计算题（共2题，共10分）（1）设工作台由步进电机直接经丝杆螺母副驱动，丝杆螺距为5mm，步进电动机步距角为1.5°，工作方式三相六拍，工作台最大行程为400mm，求：①脉冲当量；②走完最大行程，控制器发出的脉冲总数是多少？图4-46工作台示意图解：①计算脉冲当量：已知i=1，p=5mm，=1.5°由公式，得：=（5/360）1.5=0.02083(mm)②计算脉冲数n：已知：工作台最大行程为L=400mm，则n=Ln=L/=400/0.02083=19200步（2）设有一步进电机驱动的工作台，步进电机通过减速齿轮副驱动滚珠丝杆，其参数符号如下：脉冲当量，滚珠丝杆的基本导程为p。步进电机的步距角为，减速齿轮比为1：i。问题：①试写出、、p、i之间的关系；②若=0.001mm，p=5mm，减速比为1：5，问选择步进电机的步距角应为多少？解：①脉冲当量：②5.实训与综合题（共2题，共16分）（1）步进电机在使用过程中，发现电动机不转，请分析原因并解决。（6分）（2）完成冲压机床项目运动控制系统（步进电动机通过联轴器直接驱动丝杠螺母机构）中Y轴的PLC与步进电机驱动器及两相混合式步进的接线电路图的绘制。已知：丝杠导程P=5mm、步进驱动器细分设置为3200（即320