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 dengan k = 0.8 V·s/rad berjalan daripada 120 V. Dengan mengabaikan semua kehilangan pada keadaan tanpa beban, cari laju tanpa bebannya n0 dalam rpm.
V = 120 Vk = 0.8 V·s/rad
n0 = rpm
2.Motor DCSukar
Motor DC teruja berasingan pada 220 V (Ra = 0.5 Ω) berjalan pada 1500 rpm dengan arus angker 25 A. Beban berubah dan arus menjadi 10 A, dengan medan tidak berubah. Cari laju baharu n2.
V = 220 VRa = 0.5 Ωn1 = 1500 rpmIa1 = 25 AIa2 = 10 A
n2 = rpm
3.Gear & rangkaian gearSederhana
Sebuah motor 5.5 kW yang berjalan pada 2900 rpm menggerakkan pinion dengan 20 gigi dan modul 5 mm. Cari daya tangen Ft pada gigi pinion.
P = 5.5 kWn = 2900 rpmN1 = 20m = 5 mm
Ft = N
4.Gear & rangkaian gearSukar
Dalam set gear planet, gear suria mempunyai 18 gigi dan setiap gear planet mempunyai 15 gigi. Gear anulus ditahan tetap dan gear suria digerakkan pada 900 rpm. Cari laju nc pembawa planet.
Ns = 18Np = 15ns = 900 rpm
nc = rpm
5.Perolehan data & pensampelanSederhana
ADC dengan julat input 0 hingga 10 V mesti meleraikan langkah 0.1 mV atau lebih kecil. Cari bilangan bit terkecil N.
VFSR = 10 Vresolusi = 0.1 mV
N =
6.Perolehan data & pensampelanSukar
Pengukuran audio memerlukan nisbah isyarat-ke-hingar-pengkuantuman unggul sekurang-kurangnya 75 dB untuk gelombang sinus skala penuh. Cari bilangan bit ADC terkecil N.
SQNR ≥ 75 dB
N =
7.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSederhana
Galvanometer dengan rintangan 50 Ω disambungkan antara a dan b jambatan yang ditunjukkan (Vs = 6 V). Cari arus galvanometer Ig dari a ke b, dalam µA.
Jambatan suku dengan satu tolok aktif (GF = 2.05) diujakan dengan 2.5 V. Di bawah beban output menunjukkan 0.32 mV. Cari terikan ε dalam µε.
Vs = 2.5 VGF = 2.05Vo = 0.32 mV
ε = µε
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSederhana
Tanjakan r(t) = 5t dikenakan pada gelung suap balik unit dengan G(s) = 4/(s(s + 2)). Cari ralat keadaan mantap ess.
G(s) = 4/(s(s + 2))r(t) = 5t
ess =
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSukar
Pengawal berkadar K = 25 memacu loji G(s) = 1/(s(s + 6)) dalam gelung suap balik unit. Cari masa puncak tp bagi sambutan langkah.
G(s) = 1/(s(s + 6))K = 25
tp = s
11.Sambutan langkahSederhana
Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 74/(s² + 3s + 74) dan menerima input langkah unit. Cari frekuensi tabii ωn dalam rad/s.
G(s) = 74/(s² + 3s + 74)
ωn = rad/s
12.Sambutan langkahSukar
Sambutan langkah sistem peringkat kedua tanpa sifar menunjukkan lajakan 12 %, dan puncak pertama berlaku pada t = 1.5 s. Cari frekuensi tabii ωn.
%OS = 12 %tp = 1.5 s
ωn = rad/s
3Larutan
1.Motor DC
Jawapan: n0 = 1432 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.
Laju tanpa beban
ω₀ = V/k = 120/0.8 = 150 rad/s
n0 = 60·150/(2π) = 1432 rpm
Jawapan
n0 = 1432 rpm
2.Motor DC
Jawapan: n2 = 1554 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 = 220 − 25·0.5 = 207.5 V
E2 = 220 − 10·0.5 = 215 V
Laju baharu
n2 = 1500·215/207.5 = 1554 rpm
Jawapan
n2 = 1554 rpm
3.Gear & rangkaian gear
Jawapan: Ft = 362.2 N
Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.
Tork pada pinion
ω = 2π·2900/60 = 303.7 rad/s
T = P/ω = 5500/303.7 = 18.11 N·m
Diameter pic
d = m·N = 5·20 = 100 mm
Daya tangen
Ft = 2T/d = 2·18.11/0.1 = 362.2 N
Jawapan
Ft = 362.2 N
4.Gear & rangkaian gear
Jawapan: nc = 245.5 rpm
Set gear planet: laju gear suria, anulus dan pembawa dihubungkan oleh persamaan Willis (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns: dilihat dari pembawa, set itu ialah susunan gear biasa dengan planet sebagai gear perantara. Menahan satu ahli tetap menjadikan set itu pengurang nisbah tunggal.
Gigi gear anulus
Nr = Ns + 2·Np = 18 + 2·15 = 48
Persamaan Willis dengan anulus tetap
Tetapkan nr = 0 dan selesaikan untuk laju pembawa.
(900 − nc)/(0 − nc) = −48/18
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 900·18/66 = 245.5 rpm
Jawapan
nc = 245.5 rpm
Pembawa berputar dalam arah yang sama dengan gear suria.
5.Perolehan data & pensampelan
Jawapan: N = 17
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
10000 mV/0.1 mV = 100000
Bit
log₂(100000) = 16.61
216 = 65536 < 100000 ≤ 217 = 131072
N = 17
Jawapan
N = 17
6.Perolehan data & pensampelan
Jawapan: N = 13
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.
Selesaikan untuk N
N ≥ (75 − 1.76)/6.02 = 12.17
Bundarkan ke atas
N = 13
semakan: 6.02·13 + 1.76 = 80.02 dB ≥ 75 dB
Jawapan
N = 13
7.Jambatan Wheatstone & tolok terikan
Jawapan: Ig = 806.8 µA
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 Thévenin
Vth = 6·(600/850 − 1000/1600) = 0.4853 V
Rintangan Thévenin
Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 551.5 Ω
Arus galvanometer
Ig = 0.4853/(551.5 + 50) = 806.8 µA
Jawapan
Ig = 806.8 µA
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikan
Jawapan: ε = 249.8 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.
Selesaikan persamaan jambatan suku
ε = 4·0.00032/(2.5·2.05) = 0.0002498
Dalam mikroterikan
ε = 249.8 µε
Jawapan
ε = 249.8 µε
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PID
Jawapan: ess = 2.5
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 halaju
Kv = lim s·G(s) = 2
Ralat tanjakan
ess = 5/2 = 2.5
Jawapan
ess = 2.5
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PID
Jawapan: tp = 0.7854 s
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).
Polinomial ciri
s(s + 6) + 25·1 = s² + 6s + 25
ωₙ dan ζ
ωₙ = √25 = 5 rad/s
ζ = 6/(2·5) = 0.6
Masa puncak
ωd = 5·√(1 − 0.6²) = 4 rad/s
tp = π/4 = 0.7854 s
Jawapan
tp = 0.7854 s
11.Sambutan langkah
Jawapan: ωn = 8.602 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 = 74 → ωₙ = 8.602 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·8.602) = 0.1744
Keputusan
ωₙ = 8.602 rad/s
Jawapan
ωn = 8.602 rad/s
12.Sambutan langkah
Jawapan: ωn = 2.527 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).