Dalam tetingkap cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan pada peranti anda.
1Formula dan kaedah
Motor DC
Litar angker
V = E + IaRa
DEM balik dan tork
E = k·ω, T = k·Ia
Laju
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Laju tanpa beban dan tork tersekat
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Kuasa
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Permulaan
Istart = V/(Ra + Rst)
Regulasi laju
SR = (n0 − nFL)/nFL
Kuasa terbangun maksimum
Pmax = V²/(4Ra)
Pemacu pencincang
Va = D·Vdc
Kaedah
Lukis litar angker: bekalan V, rintangan Ra dan DEM balik E secara bersiri.
Gunakan V = E + Ia·Ra untuk menghubungkan voltan, arus dan DEM balik.
Gunakan E = k·ω untuk laju dan T = k·Ia untuk tork, dengan ω = 2π·n/60.
Untuk kuasa dan kecekapan, mulakan daripada V·Ia, tolak kehilangan kuprum Ia²·Ra dan kemudian kehilangan putaran.
Gear & rangkaian gear
Gear bergigi bertaut
n1·N1 = n2·N2
Tork
T2 = T1·(N2/N1)·η
Kuasa
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Rangkaian gear gubahan
nisbah keseluruhan = hasil darab nisbah peringkat
Perolehan data & pensampelan
Kriteria Nyquist
fs > 2·fmax, fN = fs/2
Frekuensi alias
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
Saiz langkah
1 LSB = VFSR/2ᴺ
Ralat pengkuantuman (pembundaran)
±½ LSB
Kod ADC pemangkasan
D = ⌊Vin/LSB⌋
Bit untuk resolusi r
2ᴺ ≥ span/r
SQNR unggul, sinus skala penuh
SQNR = 6.02·N + 1.76 dB
Kadar data
saluran × fs × N bit/s
ADC termultipleks
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/baud; 8N1 = 10 bit setiap bait; bait/s = baud/bit setiap bingkai
Pembahagi kadar baud
baud = fclk/(16·D)
Kaedah
Tuliskan apa yang diberi: kadar pensampelan, frekuensi isyarat, bilangan bit, julat input, kadar baud.
Untuk soalan pensampelan, bandingkan setiap frekuensi dengan fs/2; frekuensi yang lebih tinggi muncul pada fa = |f − k·fs| dengan gandaan fs yang terdekat.
Untuk soalan resolusi, cari 1 LSB = VFSR/2ᴺ, atau N terkecil dengan 2ᴺ ≥ span/resolusi.
Untuk kadar data dan pautan UART, kira semua yang dihantar: saluran, sampel sesaat, bit atau bait penuh setiap sampel, serta bit mula, pariti dan henti bagi setiap bingkai.
Jambatan Wheatstone & tolok terikan
Voltan pembahagi
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Pengeluaran
Vab = Va − Vb
Imbangan
R1/R2 = R3/R4
Jambatan wayar gelongsor
R/Rx = l/(100 − l)
Rintangan Thévenin
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
Faktor tolok
ΔR/R = GF·ε
Output jambatan
suku Vs·GF·ε/4, separuh Vs·GF·ε/2, penuh Vs·GF·ε
Perubahan kecil, satu lengan
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Tegasan
σ = E·ε
Kaedah
Anggap jambatan sebagai dua pembahagi voltan merentasi bekalan yang sama.
Untuk keseimbangan, tetapkan R₁/R₂ = R₃/R₄ dan selesaikan untuk perintang yang tidak diketahui.
Untuk jambatan tak seimbang, cari Va dan Vb daripada pembahagi dan tolakkannya; gunakan setara Thévenin apabila meter membebani output.
Untuk tolok terikan, tukarkan terikan kepada ΔR/R = GF·ε dan gunakan Vs·GF·ε/4, /2 atau ×1 bagi jambatan suku, separuh atau penuh.
Ralat keadaan mantap & kawalan PID
Jenis sistem
bilangan kutub G(s) pada s = 0
Pemalar ralat
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Langkah A
ess = A/(1 + Kp)
Tanjakan A·t
ess = A/Kv
Parabola A·t²/2
ess = A/Ka
Pengawal PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Sasaran tertib kedua
s² + 2ζωns + ωn²
Terlajak dan pemasaan
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)
Kaedah
Kira kutub gelung terbuka C(s)·G(s) pada s = 0: itulah jenis sistem.
Hitung pemalar ralat yang sepadan dengan input: Kp untuk langkah, Kv untuk tanjakan, Ka untuk parabola.
Gunakan ess = A/(1 + Kp), A/Kv atau A/Ka, atau selesaikannya untuk gandaan yang anda perlukan.
Untuk spesifikasi redaman atau laju, tulis polinomial ciri gelung tertutup dan padankan dengan s² + 2ζω_n·s + ω_n².
2Soalan latihan
1.Motor DCSederhana
Motor DC (k = 1.2 N·m/A, Ra = 1.5 Ω) berjalan daripada 120 V dan memacu tork beban 4.8 N·m. Cari lajunya n dalam rpm.
V = 120 Vk = 1.2 N·m/ARa = 1.5 ΩT = 4.8 N·m
n = rpm
2.Motor DCSukar
Motor DC teruja berasingan pada 240 V (Ra = 0.8 Ω) berjalan pada 1200 rpm dengan arus angker 12 A. Beban berubah dan arus menjadi 6 A, dengan medan tidak berubah. Cari laju baharu n2.
V = 240 VRa = 0.8 Ωn1 = 1200 rpmIa1 = 12 AIa2 = 6 A
n2 = rpm
3.Gear & rangkaian gearSederhana
Sebuah motor 7.5 kW yang berputar pada 1500 rpm memacu pinion 16 gigi, yang bertaut dengan gear 45 gigi. Pasangan gear itu mempunyai kecekapan 96%. Cari tork T1 pada aci motor.
P = 7.5 kWn1 = 1500 rpmN1 = 16N2 = 45η = 96%
T1 = N·m
4.Gear & rangkaian gearSukar
Dalam alur gear majmuk, gear A (16 gigi) pada aci masukan berputar pada 2880 rpm dan menggerakkan gear B (30 gigi). Gear C (18 gigi) dipasang pada aci yang sama dengan B dan menggerakkan gear D pada aci keluaran. Keluaran mesti berputar pada 345.6 rpm. Berapakah bilangan gigi ND yang mesti dimiliki oleh gear D?
nin = 2880 rpmA = 16B = 30C = 18nout = 345.6 rpm
ND =
5.Perolehan data & pensampelanSederhana
ADC dengan julat input 0 hingga 1 V mesti meleraikan langkah 0.1 mV atau lebih kecil. Cari bilangan bit terkecil N.
VFSR = 1 Vresolusi = 0.1 mV
N =
6.Perolehan data & pensampelanSukar
Gelombang segi empat 440 Hz disampel pada 2 kHz tanpa penapis anti-alias. Gelombang segi empat mengandungi harmonik ganjil 3f₁, 5f₁, 7f₁, … Pada frekuensi fa yang manakah harmonik 3f₁ muncul dalam data tersampel? Berikan dalam Hz.
f₁ = 440 Hzfs = 2 kHzharmonik: 3f₁
fa = Hz
7.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSederhana
Jambatan mempunyai empat lengan 220 Ω dan Vs = 10 V. Penderia R₂ bertambah sebanyak ΔR = 44 Ω. Cari output tepat Vab dalam mV.
Vs = 10 VR = 220 ΩΔR = 44 Ω
Vab = mV
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSukar
Tolok terikan 120 Ω dengan faktor tolok 2.12 dilekatkan pada bar keluli. Di bawah beban rintangannya naik sebanyak 0.3053 Ω. Cari terikan ε dalam mikroterikan (µε).
R = 120 ΩGF = 2.12ΔR = 0.3053 Ω
ε = µε
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSederhana
Gelung suap balik unit mempunyai G(s) = K/((s + 4)(s + 10)). Cari gandaan K yang memberikan ralat keadaan mantap 2 % untuk input langkah.
G(s) = K/((s + 4)(s + 10))ess = 2 %
K =
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSukar
Pengawal PI C(s) = 2 + 5/s memacu loji G(s) = 2/((s + 1)(s + 2)) dalam gelung suap balik unit. Cari ralat keadaan mantap ess untuk input tanjakan r(t) = 1t.
C(s) = 2 + 5/sG(s) = 2/((s + 1)(s + 2))r(t) = 1t
ess =
11.Sambutan langkahSederhana
Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 27/(s² + 3s + 27) dan menerima input langkah unit. Cari frekuensi tabii ωn dalam rad/s.
G(s) = 27/(s² + 3s + 27)
ωn = rad/s
12.Sambutan langkahSukar
Sistem peringkat kedua tanpa sifar mesti mempunyai sambutan langkah dengan lajakan 50 %. Cari nisbah redaman ζ.
%OS = 50 %
ζ =
3Larutan
1.Motor DC
Jawapan: n = 907.2 rpm
Motor DC: angker ialah rintangan Ra bersiri dengan DEM balik E, jadi V = E + Ia·Ra. DEM balik bertambah dengan laju, E = k·ω, dan tork dengan arus, T = k·Ia, dengan pemalar motor k yang sama (V·s/rad = N·m/A) dalam unit SI. Tukarkan laju dengan ω = 2π·n/60. Kuasa terbangun ialah E·Ia = T·ω; kuasa input ialah V·Ia, dan kehilangan kuprum Ia²Ra serta kehilangan putaran menjadi bezanya. Laju menurun secara garis lurus dengan tork, ω = V/k − Ra·T/k², daripada laju tanpa beban V/k kepada sifar pada tork tersekat k·V/Ra. Pada keadaan pegun E = 0, jadi arus permulaan V/Ra adalah besar kecuali perintang mengehadkannya.
Arus angker
Ia = T/k = 4.8/1.2 = 4 A
DEM balik dan laju
E = 120 − 4·1.5 = 114 V
ω = E/k = 95 rad/s → n = 907.2 rpm
Jawapan
n = 907.2 rpm
2.Motor DC
Jawapan: n2 = 1225 rpm
Motor DC: angker ialah rintangan Ra bersiri dengan DEM balik E, jadi V = E + Ia·Ra. DEM balik bertambah dengan laju, E = k·ω, dan tork dengan arus, T = k·Ia, dengan pemalar motor k yang sama (V·s/rad = N·m/A) dalam unit SI. Tukarkan laju dengan ω = 2π·n/60. Kuasa terbangun ialah E·Ia = T·ω; kuasa input ialah V·Ia, dan kehilangan kuprum Ia²Ra serta kehilangan putaran menjadi bezanya. Laju menurun secara garis lurus dengan tork, ω = V/k − Ra·T/k², daripada laju tanpa beban V/k kepada sifar pada tork tersekat k·V/Ra. Pada keadaan pegun E = 0, jadi arus permulaan V/Ra adalah besar kecuali perintang mengehadkannya.
DEM balik sebelum dan selepas
E1 = 240 − 12·0.8 = 230.4 V
E2 = 240 − 6·0.8 = 235.2 V
Laju baharu
n2 = 1200·235.2/230.4 = 1225 rpm
Jawapan
n2 = 1225 rpm
3.Gear & rangkaian gear
Jawapan: T1 = 47.75 N·m
Rangkaian gear: gear yang bertaut mempunyai laju yang sama pada gigi, jadi n₁·N₁ = n₂·N₂: gear dengan gigi lebih sedikit berputar lebih laju. Gear pada satu aci berputar pada laju yang sama. Kuasa disalurkan (tolak kehilangan), jadi tork meningkat apabila laju menurun: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, dan P = T·ω dengan ω = 2π·n/60.
Tork motor
ω₁ = 2π·1500/60 = 157.1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 7500/157.1 = 47.75 N·m
Jawapan
T1 = 47.75 N·m
4.Gear & rangkaian gear
Jawapan: ND = 80
Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.
Laju aci perantaraan
nB = nC = 2880·16/30 = 1536 rpm
Gigi pada gear D
ND = C·nC/nout = 18·1536/345.6 = 80
Jawapan
ND = 80
5.Perolehan data & pensampelan
Jawapan: N = 14
Resolusi ADC: penukar N-bit membahagikan julat skala penuh VFSR kepada 2ᴺ kod, dari 0 hingga 2ᴺ − 1. Satu langkah ialah 1 LSB = VFSR/2ᴺ: perubahan terkecil yang dapat ditunjukkan oleh penukar. ADC pemangkasan memberikan kod ⌊Vin/LSB⌋; ADC pembundaran tidak pernah lebih daripada ½ LSB daripada nilai sebenar, iaitu ralat pengkuantumannya. Setiap bit tambahan mengurangkan LSB separuh dan menambah kira-kira 6 dB pada nisbah isyarat-ke-hingar-pengkuantuman unggul SQNR = 6.02·N + 1.76 dB untuk sinus skala penuh. Untuk mencapai resolusi r pada suatu julat, pilih N terkecil dengan 2ᴺ ≥ span/r.
Langkah yang diperlukan
1000 mV/0.1 mV = 10000
Bit
log₂(10000) = 13.29
213 = 8192 < 10000 ≤ 214 = 16384
N = 14
Jawapan
N = 14
6.Perolehan data & pensampelan
Jawapan: fa = 680 Hz
Pensampelan: ADC mengukur isyarat fs kali sesaat. Menurut teorem Nyquist–Shannon, frekuensi f ditangkap dengan betul hanya selagi f < fs/2, frekuensi Nyquist (lipatan), jadi kadar pensampelan mesti melebihi dua kali ganda frekuensi isyarat tertinggi. Frekuensi yang lebih tinggi tidak hilang: ia muncul sebagai alias pada fa = |f − k·fs|, dengan nombor bulat k yang membawa hasilnya antara 0 dan fs/2. Sampel tidak dapat membezakan kedua-duanya, jadi penapis anti-alias analog mesti membuang semua yang di atas fs/2 sebelum ADC.
Frekuensi harmonik
3f₁ = 3·440 Hz = 1.32 kHz
Gandaan kadar pensampelan yang terdekat
m = round(0.66) = 1
Frekuensi alias
fa = |1320 − 1·2000| = 680 Hz
Jawapan
fa = 680 Hz
Alias mendarat di dalam jalur isyarat, di mana tiada penapis digital boleh membuangnya. Hanya penapis analog sebelum ADC yang membantu.
7.Jambatan Wheatstone & tolok terikan
Jawapan: Vab = 454.5 mV
Jambatan Wheatstone: dua pembahagi voltan berkongsi satu bekalan Vs. Pembahagi kiri R1–R2 memberikan Va = Vs·R2/(R1 + R2) dan pembahagi kanan R3–R4 memberikan Vb = Vs·R4/(R3 + R4); outputnya ialah Vab = Va − Vb. Jambatan seimbang (Vab = 0, tiada arus dalam meter) apabila R1/R2 = R3/R4, iaitu R1·R4 = R2·R3. Dilihat dari output, jambatan ialah sumber Thévenin dengan Rth = R1∥R2 + R3∥R4.
Voltan nod
Va = 10·264/484 = 5.455 V
Vb = 5 V
Pengeluaran
Vab = 454.5 mV
Jawapan
Vab = 454.5 mV
Anggaran linear Vs·ΔR/(4R) = 500 mV adalah 10 % terlalu tinggi: jambatan suku tidak betul-betul linear.
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikan
Jawapan: ε = 1200 µε
Tolok terikan: tolok mengubah rintangannya dengan terikan: ΔR/R = GF·ε, dengan faktor tolok GF kira-kira 2 untuk kerajang logam. Dalam jambatan dengan semua lengan sama dengan R, satu tolok aktif (jambatan suku) memberikan Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Dua tolok aktif dengan terikan bertentangan pada lengan bersebelahan (jambatan separuh) memberikan Vs·GF·ε/2, dan empat (jambatan penuh) memberikan Vs·GF·ε. Tegasan diperoleh daripada hukum Hooke, σ = E·ε. Sel beban menyatakan kepekaannya dalam mV/V: output pada beban penuh bagi setiap volt pengujaan.
Perubahan rintangan relatif
ΔR/R = 0.3053/120 = 0.002544
Terikan
ε = 0.002544/2.12 = 0.0012 = 1200 µε
Jawapan
ε = 1200 µε
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PID
Jawapan: K = 1960
Ralat keadaan mantap: dalam gelung suap balik unit dengan fungsi pindahan gelung terbuka G(s) ralatnya ialah E(s) = R(s)/(1 + G(s)), dan melalui teorem nilai akhir ess = lims→0 s·E(s). Jenis sistem ialah bilangan kutub G(s) pada s = 0. Pemalar ralat ialah Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) dan Ka = lim s²·G(s), semuanya untuk s → 0. Langkah bersaiz A memberikan ess = A/(1 + Kp), tanjakan A·t memberikan A/Kv dan parabola A·t²/2 memberikan A/Ka. Gelung jenis-0 mengikut langkah dengan ralat terhingga, gelung jenis-1 mengikutnya dengan tepat dan tanjakan dengan ralat terhingga.
Pemalar ralat yang diperlukan
1/(1 + Kp) = 0.02 → Kp = 49
Gandaan
K/40 = 49 → K = 1960
Jawapan
K = 1960
Semak juga kestabilan gelung tertutup: untuk gelung tertib kedua ini sebarang K > 0 adalah stabil.
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PID
Jawapan: ess = 0.2
Kawalan P, PI dan PID: pengawal C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s bertindak ke atas ralat. Gandaan berkadar menjadikan gelung lebih pantas dan mengurangkan ralat loji jenis-0, tetapi tidak pernah menghapuskannya. Sebutan kamiran menambah kutub pada s = 0: jenis sistem meningkat satu, dan langkah diikuti tanpa ralat. Sebutan terbitan menambah redaman. Untuk memilih gandaan, tulis polinomial ciri gelung tertutup dan bandingkannya dengan s² + 2ζωns + ωn². Maka %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd dengan ωd = ωn√(1 − ζ²), dan ts ≈ 4/(ζωn).
Pemalar halaju
s·C(s) = 2s + 5 → 5 apabila s → 0.
Kv = 5·2/2 = 5
Ralat tanjakan
ess = 1/5 = 0.2
Jawapan
ess = 0.2
Pengawal PI menghapuskan ralat langkah sepenuhnya; tanjakan diikuti dengan ketinggalan malar.
11.Sambutan langkah
Jawapan: ωn = 5.196 rad/s
Sambutan langkah: sistem peringkat pertama G(s) = K/(τs + 1) menyambut langkah bersaiz U dengan y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): ia mencapai 63.2 % daripada nilai akhir K·U selepas satu pemalar masa τ dan 98 % selepas 4τ. Sistem peringkat kedua G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) mempunyai kutub s = −ζωₙ ± jωd dengan ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Untuk 0 < ζ < 1 sambutan langkah melajak: peratusan lajakan %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), masa puncak tp = π/ωd, dan masa pengenapan 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Bandingkan penyebut dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ² untuk mendapatkan ωₙ dan ζ. Bagi sistem jisim–spring–peredam ωₙ = √(k/m) dan ζ = c/(2√(km)); bagi litar RLC sesiri ωₙ = 1/√(LC) dan ζ = (R/2)·√(C/L).
Bandingkan dengan bentuk piawai
Penyebut mesti sepadan dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 27 → ωₙ = 5.196 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·5.196) = 0.2887
Keputusan
ωₙ = 5.196 rad/s
Jawapan
ωn = 5.196 rad/s
12.Sambutan langkah
Jawapan: ζ = 0.2155
Sambutan langkah: sistem peringkat pertama G(s) = K/(τs + 1) menyambut langkah bersaiz U dengan y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): ia mencapai 63.2 % daripada nilai akhir K·U selepas satu pemalar masa τ dan 98 % selepas 4τ. Sistem peringkat kedua G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) mempunyai kutub s = −ζωₙ ± jωd dengan ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Untuk 0 < ζ < 1 sambutan langkah melajak: peratusan lajakan %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), masa puncak tp = π/ωd, dan masa pengenapan 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Bandingkan penyebut dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ² untuk mendapatkan ωₙ dan ζ. Bagi sistem jisim–spring–peredam ωₙ = √(k/m) dan ζ = c/(2√(km)); bagi litar RLC sesiri ωₙ = 1/√(LC) dan ζ = (R/2)·√(C/L).