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 = 0.4 N·m/A, Ra = 1 Ω) berjalan daripada 110 V dan memacu tork beban 4 N·m. Cari lajunya n dalam rpm.
V = 110 Vk = 0.4 N·m/ARa = 1 ΩT = 4 N·m
n = rpm
2.Motor DCSukar
Motor DC teruja berasingan pada 240 V (Ra = 1.2 Ω) berjalan pada 1000 rpm dengan arus angker 10 A. Beban berubah dan arus menjadi 15 A, dengan medan tidak berubah. Cari laju baharu n2.
V = 240 VRa = 1.2 Ωn1 = 1000 rpmIa1 = 10 AIa2 = 15 A
n2 = rpm
3.Gear & rangkaian gearSederhana
Sebuah motor 15 kW yang berputar pada 1500 rpm memacu pinion 15 gigi, yang bertaut dengan gear 16 gigi. Pasangan gear itu mempunyai kecekapan 98%. Cari tork T1 pada aci motor.
P = 15 kWn1 = 1500 rpmN1 = 15N2 = 16η = 98%
T1 = N·m
4.Gear & rangkaian gearSukar
Dalam rangkaian gear gubahan, gear A (20 gigi) pada aci masukan yang berputar pada 2900 rpm memacu gear B (24 gigi). Gear C (12 gigi) dipasang pada aci yang sama dengan B dan memacu gear D (32 gigi) pada aci keluaran. Cari laju keluaran nout.
nin = 2900 rpmA = 20B = 24C = 12D = 32
nout = rpm
5.Perolehan data & pensampelanSederhana
Gelombang sinus 36 kHz disampel pada 20 kHz tanpa penapis anti-alias. Pada frekuensi fa yang manakah ia muncul dalam sampel? Berikan dalam kHz.
f = 36 kHzfs = 20 kHz
fa = kHz
6.Perolehan data & pensampelanSukar
Mikropengawal dengan jam 10 MHz menetapkan kadar baud UART-nya sebagai fclk/(16·D), dengan D nombor bulat yang dibundarkan kepada nilai terdekat. Sasarannya ialah 9600 baud. Cari ralat peratusan bagi kadar baud sebenar (positif apabila terlalu laju).
fclk = 10 MHzsasaran = 9600 Bd
e = %
7.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSederhana
Galvanometer dengan rintangan 20 Ω disambungkan antara a dan b jambatan yang ditunjukkan (Vs = 15 V). Cari arus galvanometer Ig dari a ke b, dalam µA.
Jambatan dengan lengan 120 Ω diujakan dengan 10 V dan mempunyai empat tolok aktif, dua dalam tegangan dan dua dalam mampatan (jambatan penuh). Faktor tolok ialah 2.12 dan terikan ialah 500 µε. Cari output jambatan Vo dalam mV.
Vs = 10 VGF = 2.12ε = 500 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) = 2t dengan ralat keadaan mantap 0.1. Cari gandaan K.
G(s) = K/(s(s + 10))r(t) = 2tess = 0.1
K =
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSukar
Pengawal PI C(s) = Kp + Ki/s memacu loji G(s) = 4/(s + 4) dalam gelung suap balik unit. Gelung tertutup mesti mempunyai ωₙ = 8 rad/s dan ζ = 0.5. Cari gandaan kamiran Ki.
G(s) = 4/(s + 4)ωₙ = 8 rad/sζ = 0.5
Ki =
11.Sambutan langkahSederhana
Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 49/(s² + 3s + 98) dan menerima input langkah unit. Kutubnya ialah s = σ ± jωd. Cari bahagian nyata σ.
G(s) = 49/(s² + 3s + 98)
σ =
12.Sambutan langkahSukar
Gelung suap balik negatif unit mempunyai G(s) = 205/(s(s + 12)). Cari masa pengenapan 2 % ts bagi sambutan langkah gelung tertutup, menggunakan ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 205/(s(s + 12))
ts = s
3Larutan
1.Motor DC
Jawapan: n = 2387 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 = 4/0.4 = 10 A
DEM balik dan laju
E = 110 − 10·1 = 100 V
ω = E/k = 250 rad/s → n = 2387 rpm
Jawapan
n = 2387 rpm
2.Motor DC
Jawapan: n2 = 973.7 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 − 10·1.2 = 228 V
E2 = 240 − 15·1.2 = 222 V
Laju baharu
n2 = 1000·222/228 = 973.7 rpm
Jawapan
n2 = 973.7 rpm
3.Gear & rangkaian gear
Jawapan: T1 = 95.49 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 = 15000/157.1 = 95.49 N·m
Jawapan
T1 = 95.49 N·m
4.Gear & rangkaian gear
Jawapan: nout = 906.3 rpm
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.
Peringkat pertama
nB = 2900·20/24 = 2417 rpm = nC
Peringkat kedua
nout = 2417·12/32 = 906.3 rpm
Jawapan
nout = 906.3 rpm
nisbah keseluruhan = 3.2 : 1
5.Perolehan data & pensampelan
Jawapan: fa = 4 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 Nyquist
fs/2 = 10 kHz < f = 36 kHz
Gandaan kadar pensampelan yang terdekat
k = round(36/20) = 2
Frekuensi alias
fa = |36 − 2·20| = 4 kHz
Jawapan
fa = 4 kHz
Lengkung putus-putus dalam rajah ialah alias: ia melalui sampel yang betul-betul sama.
6.Perolehan data & pensampelan
Jawapan: e = 0.1603 %
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.
Pembahagi
D = 10·10⁶/(16·9600) = 65.1 → 65
Kadar baud sebenar
10·10⁶/(16·65) = 9615 Bd
Ralat
(9615 − 9600)/9600·100 = 0.1603 %
Jawapan
e = 0.1603 %
Ralat di bawah kira-kira 2 % biasanya boleh diterima.
7.Jambatan Wheatstone & tolok terikan
Jawapan: Ig = −18680 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 = 15·(80/180 − 800/1050) = −4.762 V
Rintangan Thévenin
Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 234.9 Ω
Arus galvanometer
Ig = −4.762/(234.9 + 20) = −18680 µA
Jawapan
Ig = −18680 µA
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikan
Jawapan: Vo = 10.6 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 = 2.12·500·10⁻⁶ = 0.00106
Output jambatan
Vo = Vs·GF·ε = 10·0.00106 = 10.6 mV
Jawapan
Vo = 10.6 mV
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PID
Jawapan: K = 200
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 = 2/0.1 = 20
Gandaan
K = 10·Kv = 200
Jawapan
K = 200
Gandaan yang besar menjadikan gelung ini sangat kurang teredam: ζ = 0.3536. Konflik itulah sebab pemampas digunakan.
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PID
Jawapan: Ki = 16
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
1 + C(s)G(s) = 0, didarab dengan s(s + 4).
s² + (4 + 4Kp)s + 4Ki
Polinomial sasaran
s² + 2·0.5·8s + 8² = s² + 8s + 64
Padankan pekali
4Ki = 64 → Ki = 16
Jawapan
Ki = 16
Sebutan kamiran menjadikan gelung jenis-1, jadi langkah diikuti tanpa ralat keadaan mantap.
11.Sambutan langkah
Jawapan: σ = −1.5
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 = 98 → ωₙ = 9.899 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·9.899) = 0.1515
Keputusan
σ = −ζωₙ = −3/2 = −1.5
Jawapan
σ = −1.5
12.Sambutan langkah
Jawapan: ts = 0.6667 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).