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 = 1.5 V·s/rad, Ra = 0.5 Ω) berjalan daripada 240 V. Pada beban penuh ia menarik 30 A. Dengan mengabaikan arus tanpa beban, cari regulasi lajunya SR = (n₀ − nFL)/nFL dalam peratus.
V = 240 Vk = 1.5 V·s/radRa = 0.5 ΩIFL = 30 A
SR = %
2.Motor DCSukar
Motor DC teruja berasingan pada 110 V (Ra = 0.4 Ω) berjalan pada 1440 rpm dengan arus angker 12 A. Beban berubah dan arus menjadi 24 A, dengan medan tidak berubah. Cari laju baharu n2.
V = 110 VRa = 0.4 Ωn1 = 1440 rpmIa1 = 12 AIa2 = 24 A
n2 = rpm
3.Gear & rangkaian gearSederhana
Sebuah motor 5.5 kW yang berputar pada 2900 rpm memacu pinion 15 gigi, yang bertaut dengan gear 30 gigi. Abaikan kehilangan. Cari tork T1 pada aci motor.
P = 5.5 kWn1 = 2900 rpmN1 = 15N2 = 30η = 100%
T1 = N·m
4.Gear & rangkaian gearSukar
Dalam rangkaian gear gubahan, gear A (25 gigi) pada aci masukan yang berputar pada 1500 rpm memacu gear B (60 gigi). Gear C (18 gigi) dipasang pada aci yang sama dengan B dan memacu gear D (25 gigi) pada aci keluaran. Cari laju keluaran nout.
nin = 1500 rpmA = 25B = 60C = 18D = 25
nout = rpm
5.Perolehan data & pensampelanSederhana
ADC dengan julat input 0 hingga 2.5 V mesti meleraikan langkah 0.5 mV atau lebih kecil. Cari bilangan bit terkecil N.
VFSR = 2.5 Vresolusi = 0.5 mV
N =
6.Perolehan data & pensampelanSukar
Mikropengawal dengan jam 2 MHz menetapkan kadar baud UART-nya sebagai fclk/(16·D), dengan D nombor bulat yang dibundarkan kepada nilai terdekat. Sasarannya ialah 19200 baud. Cari ralat peratusan bagi kadar baud sebenar (positif apabila terlalu laju).
fclk = 2 MHzsasaran = 19200 Bd
e = %
7.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSederhana
Cari rintangan Thévenin Rth bagi jambatan yang ditunjukkan, dilihat dari terminal output a dan b.
Vs = 3 VR1 = 400 ΩR2 = 120 ΩR3 = 800 ΩR4 = 40 Ω
Rth = Ω
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikanSukar
Jambatan dengan lengan 350 Ω diujakan dengan 2.5 V dan mempunyai satu tolok aktif (jambatan suku). Faktor tolok ialah 2.1 dan terikan ialah 1500 µε. Cari output jambatan Vo dalam mV.
Vs = 2.5 VGF = 2.1ε = 1500 µε
Vo = mV
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSederhana
Tanjakan r(t) = 0.5t dikenakan pada gelung suap balik unit dengan G(s) = 10/(s(s + 2)(s + 4)). Cari ralat keadaan mantap ess.
G(s) = 10/(s(s + 2)(s + 4))r(t) = 0.5t
ess =
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSukar
Pengawal berkadar K = 10 memacu loji G(s) = 4/(s(s + 8)) dalam gelung suap balik unit. Cari masa pengenapan 2 % ts bagi sambutan langkah, menggunakan ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 4/(s(s + 8))K = 10
ts = s
11.Sambutan langkahSederhana
Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 33.5/(s² + 13s + 67) dan menerima input langkah unit. Cari masa pengenapan 2 % ts bagi sambutan langkah, menggunakan ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 33.5/(s² + 13s + 67)
ts = s
12.Sambutan langkahSukar
Jisim m = 8 kg tergantung pada spring k = 100 N/m dengan peredam likat c = 8 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Pada keadaan rehat dalam keseimbangan, daya malar F = 25 N dikenakan secara tiba-tiba. Cari sesaran terbesar xmax dalam mm.
m = 8 kgk = 100 N/mc = 8 N·s/mF = 25 N
xmax = mm
3Larutan
1.Motor DC
Jawapan: SR = 6.667 %
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 dan beban penuh
n₀ = 60·240/(2π·1.5) = 1528 rpm
nFL = 60·(240 − 30·0.5)/(2π·1.5) = 1432 rpm
Regulasi laju
SR = (1528 − 1432)/1432·100 = 6.667 %
Jawapan
SR = 6.667 %
2.Motor DC
Jawapan: n2 = 1374 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 = 110 − 12·0.4 = 105.2 V
E2 = 110 − 24·0.4 = 100.4 V
Laju baharu
n2 = 1440·100.4/105.2 = 1374 rpm
Jawapan
n2 = 1374 rpm
3.Gear & rangkaian gear
Jawapan: T1 = 18.11 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·2900/60 = 303.7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 5500/303.7 = 18.11 N·m
Jawapan
T1 = 18.11 N·m
4.Gear & rangkaian gear
Jawapan: nout = 450 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 = 1500·25/60 = 625 rpm = nC
Peringkat kedua
nout = 625·18/25 = 450 rpm
Jawapan
nout = 450 rpm
nisbah keseluruhan = 3.333 : 1
5.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.
Langkah yang diperlukan
2500 mV/0.5 mV = 5000
Bit
log₂(5000) = 12.29
212 = 4096 < 5000 ≤ 213 = 8192
N = 13
Jawapan
N = 13
6.Perolehan data & pensampelan
Jawapan: e = −6.994 %
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 = 2·10⁶/(16·19200) = 6.51 → 7
Kadar baud sebenar
2·10⁶/(16·7) = 17857 Bd
Ralat
(17857 − 19200)/19200·100 = −6.994 %
Jawapan
e = −6.994 %
Ralat melebihi kira-kira 2 % menjadikan pautan tidak boleh dipercayai: pilih jam atau kadar baud yang lain.
7.Jambatan Wheatstone & tolok terikan
Jawapan: Rth = 130.4 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.
Bekalan dilitar pintaskan
R₁∥R₂ = 400·120/520 = 92.31 Ω
R₃∥R₄ = 800·40/840 = 38.1 Ω
Rintangan Thévenin
Rth = 130.4 Ω
Jawapan
Rth = 130.4 Ω
8.Jambatan Wheatstone & tolok terikan
Jawapan: Vo = 1.969 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 = 2.1·1500·10⁻⁶ = 0.00315
Output jambatan
Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 2.5·0.00315/4 = 1.969 mV
Jawapan
Vo = 1.969 mV
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PID
Jawapan: ess = 0.4
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) = 1.25
Ralat tanjakan
ess = 0.5/1.25 = 0.4
Jawapan
ess = 0.4
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PID
Jawapan: ts = 1 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 + 8) + 10·4 = s² + 8s + 40
ωₙ dan ζ
ωₙ = √40 = 6.325 rad/s
ζ = 8/(2·6.325) = 0.6325
Masa pengenapan
ζωₙ = 8/2 = 4
ts ≈ 4/4 = 1 s
Jawapan
ts = 1 s
Masa penetapan tidak bergantung pada K di sini: menaikkan K hanya menjadikan sambutan berayun lebih laju.
11.Sambutan langkah
Jawapan: ts = 0.6154 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 = 67 → ωₙ = 8.185 rad/s
2ζωₙ = 13 → ζ = 13/(2·8.185) = 0.7941
Keputusan
ζωₙ = 6.5 → ts ≈ 4/6.5 = 0.6154 s
Jawapan
ts = 0.6154 s
12.Sambutan langkah
Jawapan: xmax = 409.6 mm
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).