控制技術(shù)題庫

1、1、論述三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理、驅(qū)動(dòng)方式。答：結(jié)構(gòu)：三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，是一種傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)，由磁性轉(zhuǎn)子鐵芯通過與由定子產(chǎn)生的脈沖電磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理比較簡單，轉(zhuǎn)子上均勻分布著很多小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開。電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。工作原理：旋轉(zhuǎn)：如A相通電，B,C相不通電時(shí)，由于磁場作用，齒1與A對(duì)齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。如B相通電，A，C相不通電時(shí)，齒2應(yīng)與B對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過1/3t,此時(shí)齒3與C偏移為1/3，齒4與A偏移（t-1/3t）=2/3t。如C

2、相通電，A,B相不通電，齒3應(yīng)與C對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過1/3t，此時(shí)齒4與A偏移為1/3t對(duì)齊。如A相通電，B,C相不通電，齒4與A對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3t這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距，如果不斷地按A,B,C,A通電，電機(jī)就每步（每脈沖）1/3t，向右旋轉(zhuǎn)。如按A,C,B,A通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。由此可見：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。不過，出于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3t改變?yōu)?/6t。甚至于

3、通過二相電流不同的組合，使其1/3t變?yōu)?/12t,1/24t,這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依據(jù)。不難推出：電機(jī)定子上有m相勵(lì)磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m（m-1）/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制一一這是旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進(jìn)電機(jī)，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。力矩：電機(jī)一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場（磁通量）當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯(cuò)開一定角度產(chǎn)生力卩與（d/de）成正比S其磁通量=Br*SBr為磁密，S為導(dǎo)磁面積F與L*D*Br成正比L為鐵芯有效長度，D為轉(zhuǎn)子直徑Br=NI/RNI為勵(lì)磁繞阻安匝數(shù)（

4、電流乘匝數(shù)）R為磁阻。力矩=力*半徑力矩與電機(jī)有效體積*安匝數(shù)*磁密成正比（只考慮線性狀態(tài)）因此，電機(jī)有效體積越大，勵(lì)磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機(jī)力矩越大，反之亦然。驅(qū)動(dòng)方式：功率驅(qū)動(dòng)器最早采用的是單電壓驅(qū)動(dòng)電路，后來又出現(xiàn)了高低壓驅(qū)動(dòng)電路、斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路、調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)電路等。1單電壓限流型驅(qū)動(dòng)電路這是一種簡單的驅(qū)動(dòng)電路，如圖2.5所示是對(duì)步進(jìn)電機(jī)一相繞組的驅(qū)動(dòng)電路。L是電動(dòng)機(jī)繞組，晶體管VT可以認(rèn)為是一個(gè)無觸點(diǎn)開關(guān)，它的理想工作狀態(tài)應(yīng)使電流流過繞可能接近矩形波。但是由于電感線圈中的電流指數(shù)規(guī)律上升，其時(shí)間常數(shù)，須經(jīng)過的時(shí)間后才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組本身的電阻很小，所以，

5、時(shí)間常數(shù)很大，從而嚴(yán)重影響電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)頻率。為了減小時(shí)間常數(shù)，在勵(lì)磁繞組中串以電阻R,這樣時(shí)間常數(shù)就大大減小，縮短了繞組中電流上升的過度過程，從而提高了工作速度。在電阻R兩端并聯(lián)電容C,是由于電容上的電壓不能突變，在繞組由截止到導(dǎo)通的瞬間，電源電壓全部降落在繞組上，使電流上升更快，所以，電容C又稱為加速電容。二極管V在晶體管VT截止時(shí)起續(xù)流和保護(hù)作用，以防止晶體管截止瞬間繞組產(chǎn)生的反電勢造成管子擊穿，串聯(lián)電阻RD使電流下降更快，從而使繞組電流波形后沿變陡。這種電路的缺點(diǎn)是R.上有功率消耗。為了提高快速性，需加大R的阻值，隨著阻值的加大，電源電壓也勢必提高，功率消耗也進(jìn)一步加大，正因?yàn)檫@樣，單電

6、壓限流型驅(qū)動(dòng)電路的使用受到了限制。高低壓切換型驅(qū)動(dòng)電路為了提高電源效率及工作頻率，可采用高、低壓切換型電源，其原理圖和波形如圖2.5所示。高壓供電是用來加速電流的增長速度，而低壓是用來維持穩(wěn)定的電流值。一般高壓為低壓的數(shù)倍，若加在VT1和VT2基極的電壓Ubl和Ub2,在一定時(shí)間內(nèi)VT1和VT2都導(dǎo)通，+80v高壓電源加在電機(jī)繞組上，電流快速上升，當(dāng)時(shí)間達(dá)到某一值或者電流高于某一值時(shí)，VT2截止，+12v電源供電，繞組電流下降，當(dāng)電流下降到電機(jī)額定電流時(shí)，VT1也截止，電流下降到0。高低壓驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)是功耗小，啟動(dòng)力矩大，突跳頻率和工作頻率高;其缺點(diǎn)是大功率管的數(shù)量要多用一半，增加了驅(qū)動(dòng)電源

7、，電流波形呈凹形，低頻時(shí)震蕩嚴(yán)重，運(yùn)行平穩(wěn)性較差，輸出轉(zhuǎn)矩下降。斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路斬波恒流放大電路是利用斬波方法使電流恒定在額定值附近，其電路原理圖和電流波形圖如圖2.6所示。環(huán)形分配器輸出的脈沖作為輸入信號(hào)，若脈沖為正，則VT1和VT2導(dǎo)通，電壓U1加在電機(jī)繞組上使電流增加，當(dāng)電流增大至額定電流以上時(shí)，采樣電阻上的電壓增高，使控制門輸出反響信號(hào)，讓VT1截止，繞組上的電流由U2提供，電流逐漸降低，取樣電阻上的電壓降低，反饋回的信號(hào)使控制門輸出信號(hào)再一次反向，信號(hào)經(jīng)放大后促使VT1再次導(dǎo)通，如此循環(huán)往復(fù),便在繞組上產(chǎn)生如圖2.7所示波形，電流在額定電流值上下波動(dòng)，呈鋸齒形，近似恒流所以叫做恒流斬

8、波驅(qū)動(dòng)電路。這種電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但它使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性、啟動(dòng)矩頻特性和慣頻特性都.有明顯的提高，使繞組中的脈沖電流邊沿陡，快速響應(yīng)好，且無外接電阻，所以功耗下降很多，提高了效率，還保證了在很大的頻率范圍內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)都能輸出恒定的轉(zhuǎn)矩。所以斬波恒流放大電路廣泛應(yīng)用在要求較高的控制系統(tǒng)中。調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)電路調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)電路如圖2.8所示，它可分為三部分:開關(guān)調(diào)壓、調(diào)頻調(diào)壓控制和功率放大，電壓一般與頻率呈線性關(guān)系，在理想條件下,保持步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的力矩不變，電源電壓將隨著工作頻率的升高而升高，隨著工作頻率的下降而下降。調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)能夠減小低頻振動(dòng)，低速時(shí)繞組電流上升的前沿應(yīng)較平緩,這樣才能使轉(zhuǎn)子在到

9、達(dá)新的穩(wěn)定平衡位置時(shí)不產(chǎn)生過沖。而在高速時(shí)電流則應(yīng)有較陡的前沿，以產(chǎn)生足夠的繞組電流，這樣才能提高步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載能力。這就要求驅(qū)動(dòng)電源對(duì)繞組提供的電壓與電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率建立直接聯(lián)系，即低頻時(shí)用較低的電壓供電，高頻使用較高的電壓供電，調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)方式可以較好地滿足這一要求。2、三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)高低壓控制原理及設(shè)計(jì)。工作原理：高電壓由電動(dòng)機(jī)和晶體管的特性決定，低電壓為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的額定電壓。啟動(dòng)時(shí)，輸入信號(hào)IH、IL皆有效，給繞組加上高電壓；達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，輸入信號(hào)H無效、IL繼續(xù)有效，給繞組加上低電壓。電路具有如下特點(diǎn)：在較寬的頻率范圍內(nèi)獲得較大的平均電流，電流波形得到很大改善，矩頻特性好；功

10、耗小，啟動(dòng)力矩大；啟動(dòng)頻率和工作頻率高；控制電路較復(fù)雜，多用一倍大功率管；增加了驅(qū)動(dòng)電源，電流波形呈凹形；低頻時(shí)振蕩嚴(yán)重、平穩(wěn)性差、輸出轉(zhuǎn)矩下降SIX5步搭電動(dòng)機(jī)的伍電力式3A相通電(b)相通削C)B相通電(d)相通電三相單三拍=ABCA。三相雙三拍=AB-BC-CAfAB。三相（混）六拍=AABBBCCCA。電路設(shè)計(jì)：為了提高電源效率及工作頻率，可采用高、低壓切換型電源，其原理圖和波形如圖2.5所示。高壓供電是用來加速電流的增長速度，而低壓是用來維持穩(wěn)定的電流值。一般高壓為低壓的數(shù)倍，若加在VT1和VT2基極的電壓Ubl和Ub2,在一定時(shí)間內(nèi)VT1和VT2都導(dǎo)通，+80v高壓電源加在電機(jī)繞組

11、上，電流快速上升，當(dāng)時(shí)間達(dá)到某一值或者電流高于某一值時(shí)，VT2截止，+12v電源供電，繞組電流下降，當(dāng)電流下降到電機(jī)額定電流時(shí)，VT1也截止，電流下降到0。高低壓驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)是功耗小，啟動(dòng)力矩大，突跳頻率和工作頻率高;其缺點(diǎn)是大功率管的數(shù)量要多用一半，增加了驅(qū)動(dòng)電源，電流波形呈凹形，低頻時(shí)震蕩嚴(yán)重，運(yùn)行平穩(wěn)性較差，輸出轉(zhuǎn)矩下降。3、PLC以軟件環(huán)分方式控制三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)硬件接線原理設(shè)計(jì)。步進(jìn)電機(jī)通過輸入脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖總數(shù)決定，本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)通過向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送控制信號(hào)就能實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。（一）設(shè)計(jì)任務(wù)PLC以軟件環(huán)分方式控制三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)硬件接線

12、原理設(shè)計(jì)，經(jīng)分析，系統(tǒng)具有如下功能：表：輸入/輸出接線端子分配表分類兀器件地址作用輸入按鈕SB1X000開始按鈕SB2X001停止A相繞組Y000A相接正24V電壓輸出B相繞組Y001B相接正24V電壓C相繞組Y002C相接正24V電壓（二）任務(wù)分析整個(gè)控制系統(tǒng)由PLC和步進(jìn)電機(jī)組成。PLC具有實(shí)時(shí)刷新技術(shù)，輸出信號(hào)的頻率可以達(dá)到數(shù)千赫茲或更高，使得脈沖分配能有很高的分配速度,充分利用步進(jìn)電機(jī)的速度響應(yīng)能力,提高整個(gè)系統(tǒng)的快速性。并且,PLC有采用大功率晶體管的輸出端口，能夠滿足步進(jìn)電機(jī)各相繞組數(shù)I0V級(jí)脈沖電壓、1A級(jí)脈沖電流的驅(qū)動(dòng)要求。PLC直接挖制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在PLC和步進(jìn)電機(jī)選

13、型前,必須計(jì)算出脈沖當(dāng)量、脈沖頻率.上限和最大脈沖數(shù)量3個(gè)參數(shù)：脈沖當(dāng)量=步進(jìn)電機(jī)步距角*螺距（360*傳動(dòng)速比）脈沖頻率上限=移動(dòng)速度*步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)/脈沖當(dāng)量最大脈沖數(shù)量=移動(dòng)距離*步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)脈沖當(dāng)量根據(jù)脈沖頻率確定PLC高速脈沖輸出頻率，根據(jù)脈沖數(shù)量確定PLC的位寬。考慮到系統(tǒng)響應(yīng)的及時(shí)性、可靠性和使用壽命,PLC應(yīng)選擇晶體管輸出型。（三）系統(tǒng)硬件原理圖PLC直接控制步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)框圖如下圖所示。功率電源PLG功率放大器步進(jìn)電動(dòng)機(jī)負(fù)載（四）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)為防止輸入脈沖頻率過快導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)失步，可將輸入脈沖在單片機(jī)緩存，之后在進(jìn)行脈沖分配，分配時(shí)注意脈沖速率。脈沖輸入模塊在每個(gè)輸入脈沖到來

14、時(shí)，將緩存單元進(jìn)行加1計(jì)數(shù)；脈沖分配模塊時(shí)刻掃描緩存單元，當(dāng)緩存單元不為零時(shí)，使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一步，之后緩存單元減1，減到0時(shí)停止分配脈沖。為使三相電平同時(shí)變化，程序中應(yīng)予以考慮。非同步分配脈沖可能導(dǎo)致電機(jī)錯(cuò)轉(zhuǎn)。為使電動(dòng)機(jī)以最快速度運(yùn)行，脈沖分配速率應(yīng)按照梯形曲線分配，如圖1.10所示。圖示的含義是：開始時(shí)（零轉(zhuǎn)速）脈沖分配要慢，當(dāng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)起來后，脈沖速率逐漸加快，并達(dá)到最高速率；當(dāng)要停止時(shí)，也不可馬上停止，必須先降低脈沖速率，最后降到零，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。圖1.10脈沖速率分配（五）硬件設(shè)計(jì)圖由第一部分表：輸入/輸出接線端子分配表，完成PLC外部接線圖如下:（六）程序清單：編制該步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的PLC

15、控制程序的說明及程序清單如下：該程序第0-7條指令為程序運(yùn)行初始化,可設(shè)置步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速參數(shù),PLC上電以后就能運(yùn)行;第8-11條指令為該程序運(yùn)行的開始、停止控制段，X000接通,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開始運(yùn)行,X001接通則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行停止;第12-48條指令為對(duì)應(yīng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行一個(gè)通電循環(huán)的6條步進(jìn)指令,由于第48條返回指令“RET的作用，該步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能不停地運(yùn)行下去，直到X001接通。第85條指令為程序結(jié)束指令，如要改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,只要改變狀態(tài)寄存器DO的參數(shù)。0LDM800228OUTT0D01SETS029LDT03MOVK5D030SETS238LDX00031STLS239ORM0

16、32OUTY00110ANIX00133OUTY00211OUTM034OUTT1D012STLS035LDT113LDMO36SETS2414SETS2037STLS2415STLS2038OUTYOO216OUTYOOO39OUTTODO17OUTT0DO4OLDTO18LDTO41SETS2519SETS2142STLS2520STLS2143OUTYOO221OUTYOOO44OUTYOOO22OUTYOO145OUTT1DO23OUTT1DO46LDT124LDT147OUTSO25SETS2248RET26STLS2249END27OUTYOO14、請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“快進(jìn)T工進(jìn)T快退T停止”的工作循環(huán)，具體要求如下：只有在快進(jìn)時(shí)，采用“液壓桿運(yùn)動(dòng)速度最快”原則的連接方式；進(jìn)油路具有壓力過載保護(hù)功能；回油路具有切換“有背壓”和“無背壓”功能；停止時(shí)，液壓缸的兩腔被封閉，活塞在任一位置均可停住，且能承受一定正和反向負(fù)載油箱具有過濾功能。扌】f了(T址Z一*二X靈亙對(duì)樣旬閥zy(統(tǒng)總山/血關(guān)/注：快進(jìn)時(shí)，因?yàn)橛胁顒?dòng)連接，液壓桿運(yùn)動(dòng)速度