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 menyalurkan 3 kW kuasa mekanikal pada 2000 rpm. Cari tork aci T.
P = 3 kWn = 2000 rpm
T = N·m
2.Motor DCSukar
Motor DC kecil mempunyai rintangan angker 3 Ω dan berjalan daripada 24 V. Dengan mengabaikan kehilangan putaran, cari kuasa mekanikal terbesar Pmax yang boleh dibangunkannya pada sebarang laju.
V = 24 VRa = 3 Ω
Pmax = W
3.Gear & rangkaian gearSederhana
Sebuah motor 4 kW yang berjalan pada 2900 rpm menggerakkan pinion dengan 16 gigi dan modul 5 mm. Cari daya tangen Ft pada gigi pinion.
P = 4 kWn = 2900 rpmN1 = 16m = 5 mm
Ft = N
4.Gear & rangkaian gearSukar
Tali sawat terbuka menyambungkan takal pemacu 200 mm pada 2880 rpm kepada takal 300 mm; pusatnya berjarak 1200 mm. Pekali geseran ialah 0.35 dan tegangan sisi kencang tidak boleh melebihi 2000 N. Cari kuasa terbesar P yang dapat dipindahkan oleh tali sawat tanpa tergelincir, dalam kW (abaikan kesan emparan).
Penderia mengukur tekanan pada julat 500 kPa, dan outputnya memenuhi seluruh julat input ADC. Bacaan mesti meleraikan 0.2 kPa. Cari bilangan bit terkecil N yang diperlukan oleh ADC.
julat = 500 kParesolusi = 0.2 kPa
N =
6.Perolehan data & pensampelanSukar
ADC 24-bit menyiarkan setiap sampel melalui UART pada 19200 baud, format 8E1 (bit mula, 8 bit data, pariti genap, 1 bit henti). Setiap sampel dihantar sebagai 3 bait penuh dan pautan sentiasa sibuk. Cari frekuensi isyarat tertinggi fmax yang dapat disampel tanpa alias, dalam Hz.
baud = 19200 BdN = 248E1
fmax = Hz
7.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSederhana
Jambatan dengan empat lengan 470 Ω dibekalkan dengan 9 V. Apabila penderia R₂ berubah, output menunjukkan Vab = 109.8 mV. Cari perubahan tepat ΔR bagi R₂.
Vs = 9 VR = 470 ΩVab = 109.8 mV
ΔR = Ω
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSukar
Jambatan dengan lengan 350 Ω diujakan dengan 5 V dan mempunyai satu tolok aktif (jambatan suku). Faktor tolok ialah 2 dan terikan ialah 250 µε. Cari output jambatan Vo dalam mV.
Vs = 5 VGF = 2ε = 250 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) = 5t dengan ralat keadaan mantap 0.02. Cari gandaan K.
G(s) = K/(s(s + 10))r(t) = 5tess = 0.02
K =
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSukar
Pengawal PI C(s) = 5 + 10/s memacu loji G(s) = 4/((s + 1)(s + 4)) dalam gelung suap balik unit. Cari ralat keadaan mantap ess untuk input tanjakan r(t) = 5t.
C(s) = 5 + 10/sG(s) = 4/((s + 1)(s + 4))r(t) = 5t
ess =
11.Sambutan langkahSederhana
Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 18.5/(s² + 6s + 37) dan menerima input langkah unit. Cari nisbah redaman ζ.
G(s) = 18.5/(s² + 6s + 37)
ζ =
12.Sambutan langkahSukar
Litar RLC sesiri dengan R = 113 Ω, L = 20 mH dan C = 1 µF disambungkan kepada langkah 5 V pada t = 0. Pemuat tanpa cas dan tiada arus mengalir sebelum langkah itu. Cari voltan pemuat puncak vC,max.
R = 113 ΩL = 20 mHC = 1 µFV = 5 V
vC,max = V
3Larutan
1.Motor DC
Jawapan: T = 14.32 N·m
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 dalam rad/s
ω = 2π·2000/60 = 209.4 rad/s
Tork
T = P/ω = 3000/209.4 = 14.32 N·m
Jawapan
T = 14.32 N·m
2.Motor DC
Jawapan: Pmax = 48 W
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 sebagai fungsi DEM balik
P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 12 V
Kuasa maksimum
Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 24²/(4·3) = 48 W
Jawapan
Pmax = 48 W
Pada titik ini kecekapannya hanya 50 %, jadi motor sebenar berjalan jauh melebihi separuh laju.
3.Gear & rangkaian gear
Jawapan: Ft = 329.3 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 = 4000/303.7 = 13.17 N·m
Diameter pic
d = m·N = 5·16 = 80 mm
Daya tangen
Ft = 2T/d = 2·13.17/0.08 = 329.3 N
Jawapan
Ft = 329.3 N
4.Gear & rangkaian gear
Jawapan: P = 39.64 kW
Pemacu tali sawat: tanpa gelinciran, kedua-dua takal mempunyai laju bibir yang sama v = π·d·n/60, jadi n₁·d₁ = n₂·d₂ dan nisbah laju ialah d₂/d₁. Gelinciran s menjadikan takal yang dipacu sedikit lebih perlahan: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Kuasa yang dipindahkan ialah P = (T₁ − T₂)·v, dengan T₁ tegangan pada sisi kencang dan T₂ pada sisi kendur. Geseran mengehadkan nisbah tegangan: T₁/T₂ = eμθ, dengan θ sudut lilitan dalam radian pada takal yang lebih kecil; bagi tali sawat terbuka θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) dengan jarak pusat C.
Sudut lilitan
θ = 3.058 rad
Tegangan sisi kendur
eμθ = e1.07 = 2.916, T₂ = 2000/2.916 = 685.8 N
Kuasa
P = (2000 − 685.8)·30.16 = 39.64 kW
Jawapan
P = 39.64 kW
5.Perolehan data & pensampelan
Jawapan: N = 12
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
500/0.2 = 2500
Bit
log₂(2500) = 11.29
211 = 2048 < 2500 ≤ 212 = 4096
N = 12
Jawapan
N = 12
6.Perolehan data & pensampelan
Jawapan: fmax = 290.9 Hz
UART: pautan bersiri tak segerak menghantar setiap bait sebagai bingkai: satu bit mula (rendah), bit data, satu bit pariti pilihan dan satu atau dua bit henti (tinggi). Kadar baud ialah bilangan bit sesaat, jadi satu bit berlangsung Tb = 1/baud dan bingkai n bit berlangsung n/baud. Format 8N1 yang biasa mempunyai 10 bit setiap bait. Penjana baud membahagikan jam: baud = fclk/(16·D) dengan nombor bulat D, jadi kadar baud sebenar berbeza sedikit daripada sasaran; ralat di bawah kira-kira 2 % biasanya boleh diterima.
Bit setiap sampel pada talian
3·11 = 33 bit
Kadar pensampelan tertinggi
fs,max = 19200/33 = 581.8 Hz
Had Nyquist
fmax = 581.8/2 = 290.9 Hz
Jawapan
fmax = 290.9 Hz
7.Jambatan Wheatstone & tolok terikan
Jawapan: ΔR = 23.5 Ω
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 = 4.5 + 0.1098 = 4.61 V
Selesaikan pembahagi
R₂ = 470·4.61/(9 − 4.61) = 493.5 Ω
ΔR = 493.5 − 470 = 23.5 Ω
Jawapan
ΔR = 23.5 Ω
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikan
Jawapan: Vo = 0.625 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 = 2·250·10⁻⁶ = 0.0005
Output jambatan
Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 5·0.0005/4 = 0.625 mV
Jawapan
Vo = 0.625 mV
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PID
Jawapan: K = 2500
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 = 5/0.02 = 250
Gandaan
K = 10·Kv = 2500
Jawapan
K = 2500
Gandaan yang besar menjadikan gelung ini sangat kurang teredam: ζ = 0.1. Konflik itulah sebab pemampas digunakan.
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PID
Jawapan: ess = 0.5
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) = 5s + 10 → 10 apabila s → 0.
Kv = 10·4/4 = 10
Ralat tanjakan
ess = 5/10 = 0.5
Jawapan
ess = 0.5
Pengawal PI menghapuskan ralat langkah sepenuhnya; tanjakan diikuti dengan ketinggalan malar.
11.Sambutan langkah
Jawapan: ζ = 0.4932
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 = 37 → ωₙ = 6.083 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·6.083) = 0.4932
Keputusan
ζ = 0.4932
Jawapan
ζ = 0.4932
12.Sambutan langkah
Jawapan: vC,max = 6.272 V
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).