Kies in het printvenster “Opslaan als pdf” om een kopie op je apparaat te bewaren.
1Formules en methoden
Gelijkstroommotoren
Ankerketen
V = E + IaRa
Tegen-EMK en koppel
E = k·ω, T = k·Ia
Snelheid
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Onbelast toerental en blokkeerkoppel
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Vermogens
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Starten
Istart = V/(Ra + Rst)
Toerentalregeling
SR = (n0 − nFL)/nFL
Maximaal ontwikkeld vermogen
Pmax = V²/(4Ra)
Chopperaandrijving
Va = D·Vdc
Methode
Teken de ankerketen: voeding V, weerstand Ra en de tegen-EMK E in serie.
Gebruik V = E + Ia·Ra om spanning, stroom en tegen-EMK te verbinden.
Gebruik E = k·ω voor het toerental en T = k·Ia voor het koppel, met ω = 2π·n/60.
Begin voor vermogen en rendement bij V·Ia, trek het koperverlies Ia²·Ra af en daarna de rotatieverliezen.
Tandwielen en tandwieloverbrengingen
Ingrijpende tandwielen
n1·N1 = n2·N2
Koppel
T2 = T1·(N2/N1)·η
Vermogen
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Meertraps overbrenging
totale overbrengingsverhouding = product van de trapverhoudingen
Data-acquisitie en bemonstering
Nyquistcriterium
fs > 2·fmax, fN = fs/2
Aliasfrequentie
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
Stapgrootte
1 LSB = VFSR/2ᴺ
Kwantisatiefout (afronding)
±½ LSB
Afkappende ADC-code
D = ⌊Vin/LSB⌋
Bits voor een resolutie r
2ᴺ ≥ span/r
Ideale SQNR, volle-schaal sinus
SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
Datasnelheid
kanalen × fs × N bit/s
Gemultiplexte ADC
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/baud; 8N1 = 10 bits per byte; bytes/s = baud/bits per frame
Baudrate-deler
baud = fclk/(16·D)
Methode
Schrijf op wat gegeven is: bemonsteringsfrequentie, signaalfrequenties, aantal bits, ingangsbereik, baudrate.
Vergelijk bij bemonsteringsvragen elke frequentie met fs/2; een hogere frequentie verschijnt bij fa = |f − k·fs| met het dichtstbijzijnde veelvoud van fs.
Bepaal bij resolutievragen 1 LSB = VFSR/2ᴺ, of de kleinste N met 2ᴺ ≥ bereik/resolutie.
Tel bij datasnelheden en UART-verbindingen alles wat wordt verzonden: kanalen, samples per seconde, bits of hele bytes per sample, en de start-, pariteits- en stopbits van elk frame.
Brug van Wheatstone en rekstrookjes
Deelspanningen
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Output
Vab = Va − Vb
Balans
R1/R2 = R3/R4
Schuifdraadbrug
R/Rx = l/(100 − l)
Thévenin-weerstand
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
K-factor
ΔR/R = GF·ε
Uitgang van de brug
kwart Vs·GF·ε/4, half Vs·GF·ε/2, vol Vs·GF·ε
Kleine verandering, één arm
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Spanning
σ = E·ε
Methode
Behandel de brug als twee spanningsdelers over dezelfde voeding.
Stel voor evenwicht R₁/R₂ = R₃/R₄ en los op voor de onbekende weerstand.
Bepaal voor een onevenwichtige brug Va en Vb uit de delers en trek ze af; gebruik het Thévenin-equivalent als een meter de uitgang belast.
Reken voor rekstrookjes de rek om naar ΔR/R = GF·ε en gebruik Vs·GF·ε/4, /2 of ×1 voor een kwart-, halve of volle brug.
Stationaire fout en PID-regeling
Systeemtype
aantal polen van G(s) bij s = 0
Foutconstanten
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Stap A
ess = A/(1 + Kp)
Helling A·t
ess = A/Kv
Parabool A·t²/2
ess = A/Ka
PID-regelaar
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Tweedegraads doel
s² + 2ζωns + ωn²
Overshoot en timing
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)
Methode
Tel de polen van de open lus C(s)·G(s) bij s = 0: dat is het systeemtype.
Bereken de foutconstante die bij de ingang hoort: Kp voor een stap, Kv voor een helling, Ka voor een parabool.
Pas ess = A/(1 + Kp), A/Kv of A/Ka toe, of los het op voor de versterking die je nodig hebt.
Schrijf voor een eis aan demping of snelheid het karakteristieke polynoom van de gesloten lus op en laat het overeenkomen met s² + 2ζω_n·s + ω_n².
2Oefenopgaven
1.GelijkstroommotorenGemiddeld
Een gelijkstroommotor met k = 1,5 V·s/rad draait op 240 V. Bepaal zijn onbelaste toerental n0 in rpm, als je alle verliezen bij nullast verwaarloost.
V = 240 Vk = 1,5 V·s/rad
n0 = rpm
2.GelijkstroommotorenMoeilijk
Een gelijkstroommotor (k = 0,3 V·s/rad, Ra = 1 Ω) op een vaste voeding van 120 V drijft een last van 1,8 N·m aan. Bepaal de serieweerstand Rs die hem vertraagt tot 1000 rpm.
Een motor van 11 kW die met 960 rpm draait, drijft een rondsel met 45 tanden aan, dat ingrijpt in een tandwiel met 50 tanden. Verwaarloos verliezen. Bereken het koppel T1 op de motoras.
P = 11 kWn1 = 960 rpmN1 = 45N2 = 50η = 100%
T1 = N·m
4.Tandwielen en tandwieloverbrengingenMoeilijk
In een meertraps tandwieloverbrenging drijft tandwiel A (48 tanden) op de ingaande as, die met 960 rpm draait, tandwiel B (50 tanden) aan. Tandwiel C (30 tanden) zit vast op dezelfde as als B en drijft tandwiel D (40 tanden) op de uitgaande as aan. Bereken het uitgaande toerental nout.
nin = 960 rpmA = 48B = 50C = 30D = 40
nout = rpm
5.Data-acquisitie en bemonsteringGemiddeld
Bepaal de ideale signaal-kwantisatieruisverhouding SQNR van een 20-bits ADC voor een sinus met volle uitsturing.
N = 20
SQNR = dB
6.Data-acquisitie en bemonsteringMoeilijk
Een temperatuursensor geeft 10 mV/°C (0 V bij 0 °C). Zijn signaal wordt 2,5 keer versterkt en naar een 8-bits ADC met een bereik van 0 tot 5 V gevoerd (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Bepaal de temperatuurverandering ΔTLSB die overeenkomt met één LSB.
S = 10 mV/°CG = 2,5N = 8VFSR = 5 V
ΔTLSB = °C
7.Brug van Wheatstone en rekstrookjesGemiddeld
Een brug met vier armen van 220 Ω wordt gevoed met 12 V. Als de sensor R₂ verandert, geeft de uitgang Vab = 230,8 mV. Bepaal de exacte verandering ΔR van R₂.
Vs = 12 VR = 220 ΩVab = 230,8 mV
ΔR = Ω
8.Brug van Wheatstone en rekstrookjesMoeilijk
Een kwartbrug met één actief rekstrookje (GF = 2) wordt bekrachtigd met 2,5 V. Onder belasting geeft de uitgang 0,25 mV. Bepaal de rek ε in µε.
Vs = 2,5 VGF = 2Vo = 0,25 mV
ε = µε
9.Stationaire fout en PID-regelingGemiddeld
De parabolische ingang r(t) = 0,5·t²/2 wordt aangelegd op een lus met eenheidsterugkoppeling met G(s) = 5(s + 2)/(s²(s + 4)). Bepaal de stationaire fout ess.
G(s) = 5(s + 2)/(s²(s + 4))r(t) = 0,5·t²/2
ess =
10.Stationaire fout en PID-regelingMoeilijk
Een PI-regelaar C(s) = 1 + 5/s stuurt het proces G(s) = 5/((s + 2)(s + 5)) aan in een lus met eenheidsterugkoppeling. Bepaal de stationaire fout ess voor de hellingsingang r(t) = 5t.
C(s) = 1 + 5/sG(s) = 5/((s + 2)(s + 5))r(t) = 5t
ess =
11.StapresponsieGemiddeld
Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 60/(s² + 5s + 20) en krijgt een eenheidsstap als ingang. De polen zijn s = σ ± jωd. Bepaal het reële deel σ.
G(s) = 60/(s² + 5s + 20)
σ =
12.StapresponsieMoeilijk
Een lus met negatieve eenheidsterugkoppeling heeft G(s) = 60/(s(s + 5)). Bepaal de 2%-insteltijd ts van de stapresponsie van de gesloten lus, met ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 60/(s(s + 5))
ts = s
3Oplossingen
1.Gelijkstroommotoren
Antwoord: n0 = 1528 rpm
Gelijkstroommotor: het anker is een weerstand Ra in serie met de tegen-EMK E, dus V = E + Ia·Ra. De tegen-EMK groeit met het toerental, E = k·ω, en het koppel met de stroom, T = k·Ia, met dezelfde motorconstante k (V·s/rad = N·m/A) in SI-eenheden. Reken toerentallen om met ω = 2π·n/60. Het ontwikkelde vermogen is E·Ia = T·ω; het ingangsvermogen is V·Ia, en het koperverlies Ia²Ra en het rotatieverlies vormen het verschil. Het toerental daalt lineair met het koppel, ω = V/k − Ra·T/k², van het onbelaste toerental V/k tot nul bij het blokkeerkoppel k·V/Ra. In stilstand is E = 0, dus de aanloopstroom V/Ra is groot, tenzij een weerstand hem beperkt.
Onbelast toerental
ω₀ = V/k = 240/1,5 = 160 rad/s
n0 = 60·160/(2π) = 1528 rpm
Antwoord
n0 = 1528 rpm
2.Gelijkstroommotoren
Antwoord: Rs = 13,76 Ω
Gelijkstroommotor: het anker is een weerstand Ra in serie met de tegen-EMK E, dus V = E + Ia·Ra. De tegen-EMK groeit met het toerental, E = k·ω, en het koppel met de stroom, T = k·Ia, met dezelfde motorconstante k (V·s/rad = N·m/A) in SI-eenheden. Reken toerentallen om met ω = 2π·n/60. Het ontwikkelde vermogen is E·Ia = T·ω; het ingangsvermogen is V·Ia, en het koperverlies Ia²Ra en het rotatieverlies vormen het verschil. Het toerental daalt lineair met het koppel, ω = V/k − Ra·T/k², van het onbelaste toerental V/k tot nul bij het blokkeerkoppel k·V/Ra. In stilstand is E = 0, dus de aanloopstroom V/Ra is groot, tenzij een weerstand hem beperkt.
Stroom en tegen-EMK
Ia = 1,8/0,3 = 6 A
E = 0,3·104,7 = 31,42 V
Serieweerstand
Ra + Rs = (120 − 31,42)/6 = 14,76 Ω
Rs = 13,76 Ω
Antwoord
Rs = 13,76 Ω
De weerstand verspilt 495,5 W; een chopper regelt het toerental met veel minder verlies.
3.Tandwielen en tandwieloverbrengingen
Antwoord: T1 = 109,4 N·m
Tandwieloverbrengingen: ingrijpende tandwielen hebben dezelfde snelheid bij de tanden, dus n₁·N₁ = n₂·N₂: het tandwiel met minder tanden draait sneller. Tandwielen op één as draaien met hetzelfde toerental. Het vermogen wordt doorgegeven (min verliezen), dus het koppel stijgt als het toerental daalt: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, en P = T·ω met ω = 2π·n/60.
Motorkoppel
ω₁ = 2π·960/60 = 100,5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 11000/100,5 = 109,4 N·m
Antwoord
T1 = 109,4 N·m
4.Tandwielen en tandwieloverbrengingen
Antwoord: nout = 691,2 rpm
Tandwieloverbrengingen: ingrijpende tandwielen hebben dezelfde snelheid bij de tanden, dus n₁·N₁ = n₂·N₂: het tandwiel met minder tanden draait sneller. Tandwielen op één as draaien met hetzelfde toerental. Het vermogen wordt doorgegeven (min verliezen), dus het koppel stijgt als het toerental daalt: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, en P = T·ω met ω = 2π·n/60.
Eerste trap
nB = 960·48/50 = 921,6 rpm = nC
Tweede trap
nout = 921,6·30/40 = 691,2 rpm
Antwoord
nout = 691,2 rpm
totale overbrengingsverhouding = 1,389 : 1
5.Data-acquisitie en bemonstering
Antwoord: SQNR = 122,2 dB
ADC-resolutie: een N-bits omzetter verdeelt zijn volle-schaalbereik VFSR in 2ᴺ codes, van 0 tot 2ᴺ − 1. Eén stap is 1 LSB = VFSR/2ᴺ: de kleinste verandering die de omzetter kan tonen. Een afkappende ADC geeft de code ⌊Vin/LSB⌋; een afrondende ADC zit nooit meer dan ½ LSB van de ware waarde af, zijn kwantisatiefout. Elke extra bit halveert de LSB en voegt ongeveer 6 dB toe aan de ideale signaal-kwantisatieruisverhouding SQNR = 6,02·N + 1,76 dB voor een sinus met volle uitsturing. Om een resolutie r over een bereik te halen, kies je de kleinste N met 2ᴺ ≥ bereik/r.
Ideale SQNR
SQNR = 6,02·20 + 1,76 = 122,2 dB
Antwoord
SQNR = 122,2 dB
6.Data-acquisitie en bemonstering
Antwoord: ΔTLSB = 0,7813 °C
ADC-resolutie: een N-bits omzetter verdeelt zijn volle-schaalbereik VFSR in 2ᴺ codes, van 0 tot 2ᴺ − 1. Eén stap is 1 LSB = VFSR/2ᴺ: de kleinste verandering die de omzetter kan tonen. Een afkappende ADC geeft de code ⌊Vin/LSB⌋; een afrondende ADC zit nooit meer dan ½ LSB van de ware waarde af, zijn kwantisatiefout. Elke extra bit halveert de LSB en voegt ongeveer 6 dB toe aan de ideale signaal-kwantisatieruisverhouding SQNR = 6,02·N + 1,76 dB voor een sinus met volle uitsturing. Om een resolutie r over een bereik te halen, kies je de kleinste N met 2ᴺ ≥ bereik/r.
Stapgrootte
1 LSB = 5000/256 = 19,53 mV
Gevoeligheid bij de ADC
10·2,5 = 25 mV/°C
Temperatuurresolutie
ΔTLSB = 19,53/25 = 0,7813 °C
Antwoord
ΔTLSB = 0,7813 °C
De ADC bereikt volle schaal bij 200 °C.
7.Brug van Wheatstone en rekstrookjes
Antwoord: ΔR = 17,6 Ω
Brug van Wheatstone: twee spanningsdelers delen één voeding Vs. De linker deler R1–R2 geeft Va = Vs·R2/(R1 + R2) en de rechter deler R3–R4 geeft Vb = Vs·R4/(R3 + R4); de uitgang is Vab = Va − Vb. De brug is in evenwicht (Vab = 0, geen stroom in de meter) als R1/R2 = R3/R4, dat wil zeggen R1·R4 = R2·R3. Vanaf de uitgang gezien is de brug een Thévenin-bron met Rth = R1∥R2 + R3∥R4.
Knooppuntspanning
Va = 6 + 0,2308 = 6,231 V
Los de deler op
R₂ = 220·6,231/(12 − 6,231) = 237,6 Ω
ΔR = 237,6 − 220 = 17,6 Ω
Antwoord
ΔR = 17,6 Ω
8.Brug van Wheatstone en rekstrookjes
Antwoord: ε = 200 µε
Rekstrookjes: een rekstrookje verandert zijn weerstand met de rek: ΔR/R = GF·ε, waarbij de k-factor GF ongeveer 2 is voor metaalfolie. In een brug met alle armen gelijk aan R geeft één actief rekstrookje (kwartbrug) Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Twee actieve rekstrookjes met tegengestelde rek in naburige armen (halve brug) geven Vs·GF·ε/2, en vier (volle brug) geven Vs·GF·ε. De spanning volgt uit de wet van Hooke, σ = E·ε. Weegcellen geven hun gevoeligheid op in mV/V: de uitgang bij volle belasting per volt bekrachtiging.
Los de vergelijking van de kwartbrug op
ε = 4·0,00025/(2,5·2) = 0,0002
In microrek
ε = 200 µε
Antwoord
ε = 200 µε
9.Stationaire fout en PID-regeling
Antwoord: ess = 0,2
Stationaire fout: in een lus met eenheidsterugkoppeling en open-lusoverdrachtsfunctie G(s) is de fout E(s) = R(s)/(1 + G(s)), en volgens de eindwaardestelling is ess = lims→0 s·E(s). Het systeemtype is het aantal polen van G(s) bij s = 0. De foutconstanten zijn Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) en Ka = lim s²·G(s), allemaal voor s → 0. Een stap van grootte A geeft ess = A/(1 + Kp), een helling A·t geeft A/Kv en een parabool A·t²/2 geeft A/Ka. Een type-0-lus volgt een stap met een eindige fout, een type-1-lus volgt een stap exact en een helling met een eindige fout.
Versnellingsconstante
Ka = 5·2/4 = 2,5
Parabolafout
ess = 0,5/2,5 = 0,2
Antwoord
ess = 0,2
10.Stationaire fout en PID-regeling
Antwoord: ess = 2
P-, PI- en PID-regeling: de regelaar C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s werkt op de fout. Een proportionele versterking maakt de lus sneller en verkleint de fout van een type-0-proces, maar neemt die nooit weg. De integrerende term voegt een pool toe bij s = 0: het systeemtype gaat met één omhoog en een stap wordt zonder fout gevolgd. De differentiërende term voegt demping toe. Om de versterkingen te kiezen, schrijf je het karakteristieke polynoom van de gesloten lus op en vergelijk je het met s² + 2ζωns + ωn². Dan geldt %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd met ωd = ωn√(1 − ζ²), en ts ≈ 4/(ζωn).
Snelheidsconstante
s·C(s) = 1s + 5 → 5 voor s → 0.
Kv = 5·5/10 = 2,5
Hellingsfout
ess = 5/2,5 = 2
Antwoord
ess = 2
De PI-regelaar neemt de stapfout volledig weg; een helling wordt gevolgd met een constante achterstand.
11.Stapresponsie
Antwoord: σ = −2,5
Stapresponsie: een eerste-ordesysteem G(s) = K/(τs + 1) beantwoordt een stap van grootte U met y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): het bereikt 63,2 % van de eindwaarde K·U na één tijdconstante τ en 98 % na 4τ. Een tweede-ordesysteem G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) heeft de polen s = −ζωₙ ± jωd met ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Voor 0 < ζ < 1 schiet de stapresponsie door: procentuele overshoot %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), piektijd tp = π/ωd, en de 2%-insteltijd ts ≈ 4/(ζωₙ). Vergelijk de noemer met s² + 2ζωₙs + ωₙ² om ωₙ en ζ af te lezen. Voor een massa-veer-demper is ωₙ = √(k/m) en ζ = c/(2√(km)); voor een serie-RLC-schakeling is ωₙ = 1/√(LC) en ζ = (R/2)·√(C/L).
Vergelijk met de standaardvorm
De noemer moet overeenkomen met s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 20 → ωₙ = 4,472 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·4,472) = 0,559
Resultaat
σ = −ζωₙ = −5/2 = −2,5
Antwoord
σ = −2,5
12.Stapresponsie
Antwoord: ts = 1,6 s
Stapresponsie: een eerste-ordesysteem G(s) = K/(τs + 1) beantwoordt een stap van grootte U met y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): het bereikt 63,2 % van de eindwaarde K·U na één tijdconstante τ en 98 % na 4τ. Een tweede-ordesysteem G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) heeft de polen s = −ζωₙ ± jωd met ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Voor 0 < ζ < 1 schiet de stapresponsie door: procentuele overshoot %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), piektijd tp = π/ωd, en de 2%-insteltijd ts ≈ 4/(ζωₙ). Vergelijk de noemer met s² + 2ζωₙs + ωₙ² om ωₙ en ζ af te lezen. Voor een massa-veer-demper is ωₙ = √(k/m) en ζ = c/(2√(km)); voor een serie-RLC-schakeling is ωₙ = 1/√(LC) en ζ = (R/2)·√(C/L).