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 menarik 6 A daripada bekalan 24 V. Rintangan angkernya ialah 0.4 Ω dan kehilangan putarannya (geseran, rintangan angin dan besi) ialah 8 W. Cari kecekapannya η.
V = 24 VIa = 6 ARa = 0.4 ΩProt = 8 W
η = %
2.Motor DCSukar
Motor DC dengan k = 2 V·s/rad dan Ra = 0.5 Ω mesti memacu beban 60 N·m pada 750 rpm. Cari voltan angker V yang diperlukannya.
k = 2 V·s/radRa = 0.5 ΩT = 60 N·mn = 750 rpm
V = V
3.Gear & rangkaian gearSederhana
Sebuah motor 0.75 kW yang berputar pada 1500 rpm memacu pinion 25 gigi, yang bertaut dengan gear 72 gigi. Pasangan gear itu mempunyai kecekapan 95%. Cari tork keluaran T2 pada aci gear.
P = 0.75 kWn1 = 1500 rpmN1 = 25N2 = 72η = 95%
T2 = N·m
4.Gear & rangkaian gearSukar
Sebuah motor 4 kW pada 960 rpm menggerakkan gear A (12 gigi), yang bersalingan dengan gear B (18 gigi). Gear C (16 gigi) pada aci yang sama dengan B menggerakkan gear D (24 gigi) pada aci keluaran. Setiap persalingan gear mempunyai kecekapan 97%. Cari tork keluaran Tout.
Cari nisbah isyarat-ke-hingar-pengkuantuman unggul SQNR bagi ADC 16-bit untuk gelombang sinus skala penuh.
N = 16
SQNR = dB
6.Perolehan data & pensampelanSukar
Gelombang segi empat 22.5 kHz disampel pada 50 kHz tanpa penapis anti-alias. Gelombang segi empat mengandungi harmonik ganjil 3f₁, 5f₁, 7f₁, … Pada frekuensi fa yang manakah harmonik 5f₁ muncul dalam data tersampel? Berikan dalam kHz.
f₁ = 22.5 kHzfs = 50 kHzharmonik: 5f₁
fa = kHz
7.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSederhana
Jambatan mempunyai empat lengan 150 Ω dan Vs = 5 V. Penderia R₂ bertambah sebanyak ΔR = 0.375 Ω. Dengan menggunakan penghampiran perubahan kecil, cari output Vab dalam mV.
Vs = 5 VR = 150 ΩΔR = 0.375 Ω
Vab = mV
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSukar
Jambatan dengan lengan 120 Ω diujakan dengan 5 V dan mempunyai empat tolok aktif, dua dalam tegangan dan dua dalam mampatan (jambatan penuh). Faktor tolok ialah 2 dan terikan ialah 200 µε. Cari output jambatan Vo dalam mV.
Vs = 5 VGF = 2ε = 200 µε
Vo = mV
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSederhana
Gelung suap balik unit dengan G(s) = K/(s(s + 10)) mesti mengikut tanjakan r(t) = 1t dengan ralat keadaan mantap 0.2. Cari gandaan K.
G(s) = K/(s(s + 10))r(t) = 1tess = 0.2
K =
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSukar
Pengawal berkadar K memacu loji G(s) = 1/(s(s + 10)) dalam gelung suap balik unit. Cari gandaan K yang memberikan gelung tertutup nisbah redaman ζ = 0.4.
G(s) = 1/(s(s + 10))ζ = 0.4
K =
11.Sambutan langkahSederhana
Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 42/(s² + 7s + 21) dan menerima input langkah unit. Cari masa puncak tp bagi sambutan langkah.
G(s) = 42/(s² + 7s + 21)
tp = s
12.Sambutan langkahSukar
Gelung suap balik negatif unit mempunyai G(s) = K/(s(s + 20)). Cari gandaan K yang memberi sambutan langkah dengan lajakan 30 %.
G(s) = K/(s(s + 20))%OS = 30 %
K =
3Larutan
1.Motor DC
Jawapan: η = 84.44 %
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.
Kuasa
Pin = 24·6 = 144 W
Pdev = 21.6·6 = 129.6 W
Pout = 129.6 − 8 = 121.6 W
Kecekapan
η = 121.6/144·100 = 84.44 %
Jawapan
η = 84.44 %
2.Motor DC
Jawapan: V = 172.1 V
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
E = 2·78.54 = 157.1 V
Arus angker
Ia = 60/2 = 30 A
Voltan angker
V = 157.1 + 30·0.5 = 172.1 V
Jawapan
V = 172.1 V
3.Gear & rangkaian gear
Jawapan: T2 = 13.06 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 = 750/157.1 = 4.775 N·m
Tork keluaran
T2 = 4.775·72/25·0.95 = 13.06 N·m
Jawapan
T2 = 13.06 N·m
4.Gear & rangkaian gear
Jawapan: Tout = 84.23 N·m
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 keluaran
nout = 960·(12/18)·(16/24) = 426.7 rpm
ωout = 2π·426.7/60 = 44.68 rad/s
Kuasa dan tork keluaran
Pout = 4000·0.97² = 3764 W
Tout = Pout/ωout = 3764/44.68 = 84.23 N·m
Jawapan
Tout = 84.23 N·m
5.Perolehan data & pensampelan
Jawapan: SQNR = 98.08 dB
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.
SQNR unggul
SQNR = 6.02·16 + 1.76 = 98.08 dB
Jawapan
SQNR = 98.08 dB
6.Perolehan data & pensampelan
Jawapan: fa = 12.5 kHz
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
5f₁ = 5·22.5 kHz = 112.5 kHz
Gandaan kadar pensampelan yang terdekat
m = round(2.25) = 2
Frekuensi alias
fa = |112.5 − 2·50| = 12.5 kHz
Jawapan
fa = 12.5 kHz
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 = 3.125 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.
Perubahan relatif
ΔR/R = 0.375/150 = 0.0025
Output terlinear
Vab ≈ 5·0.0025/4 = 3.125 mV
Jawapan
Vab = 3.125 mV
Nilai tepatnya ialah 3.121 mV; penghampiran itu baik selagi ΔR/R kecil.
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikan
Jawapan: Vo = 2 mV
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 = 2·200·10⁻⁶ = 0.0004
Output jambatan
Vo = Vs·GF·ε = 5·0.0004 = 2 mV
Jawapan
Vo = 2 mV
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PID
Jawapan: K = 50
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 yang diperlukan
Kv = A/ess = 1/0.2 = 5
Gandaan
K = 10·Kv = 50
Jawapan
K = 50
Gandaan yang besar menjadikan gelung ini sangat kurang teredam: ζ = 0.7071. Konflik itulah sebab pemampas digunakan.
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PID
Jawapan: K = 156.2
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).
Polinomial ciri
s(s + 10) + 1K = s² + 10s + 1K
Frekuensi tabii
2·0.4·ωₙ = 10 → ωₙ = 12.5 rad/s
Gandaan
1K = ωₙ² = 156.2 → K = 156.2
Jawapan
K = 156.2
11.Sambutan langkah
Jawapan: tp = 1.062 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).
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).