Mechatronische systemen: samenvattingspakket

Formuleoverzichten, de belangrijkste methodestappen voor elk onderwerp en 12 oefenopgaven, met volledige oplossingen achterin.

Nieuwe opgavenTerug naar het vak

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

  1. Teken de ankerketen: voeding V, weerstand Ra en de tegen-EMK E in serie.
  2. Gebruik V = E + Ia·Ra om spanning, stroom en tegen-EMK te verbinden.
  3. Gebruik E = k·ω voor het toerental en T = k·Ia voor het koppel, met ω = 2π·n/60.
  4. 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

  1. Schrijf op wat gegeven is: bemonsteringsfrequentie, signaalfrequenties, aantal bits, ingangsbereik, baudrate.
  2. Vergelijk bij bemonsteringsvragen elke frequentie met fs/2; een hogere frequentie verschijnt bij fa = |f − k·fs| met het dichtstbijzijnde veelvoud van fs.
  3. Bepaal bij resolutievragen 1 LSB = VFSR/2ᴺ, of de kleinste N met 2ᴺ ≥ bereik/resolutie.
  4. 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

  1. Behandel de brug als twee spanningsdelers over dezelfde voeding.
  2. Stel voor evenwicht R₁/R₂ = R₃/R₄ en los op voor de onbekende weerstand.
  3. 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.
  4. 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

  1. Tel de polen van de open lus C(s)·G(s) bij s = 0: dat is het systeemtype.
  2. Bereken de foutconstante die bij de ingang hoort: Kp voor een stap, Kv voor een helling, Ka voor een parabool.
  3. Pas ess = A/(1 + Kp), A/Kv of A/Ka toe, of los het op voor de versterking die je nodig hebt.
  4. 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
+−VRa​M+−En = 2900 rpmT = ?

Een gelijkstroommotor levert 0,5 kW mechanisch vermogen bij 2900 rpm. Bepaal het askoppel T.

P = 0,5 kWn = 2900 rpm
T = N·m
2.GelijkstroommotorenMoeilijk
+−48 VRa​ = 2 ΩM+−EωT

Een kleine gelijkstroommotor heeft een ankerweerstand van 2 Ω en draait op 48 V. Bepaal het grootste mechanische vermogen Pmax dat hij bij enig toerental kan ontwikkelen, als je rotatieverliezen verwaarloost.

V = 48 VRa = 2 Ω
Pmax = W
3.Tandwielen en tandwieloverbrengingenGemiddeld
N1​ = 16, m = 2 mm

Een motor van 3 kW die met 1450 rpm draait, drijft een rondsel aan met 16 tanden en een module van 2 mm. Vind de tangentiële kracht Ft op de tanden van het rondsel.

P = 3 kWn = 1450 rpmN1 = 16m = 2 mm
Ft = N
4.Tandwielen en tandwieloverbrengingenMoeilijk
d1​ = 160 mmd2​ = 450 mm1500 rpmC = 800 mmT1​ = 1200 NT2​P = ?

Een open riem verbindt een aandrijvende schijf van 160 mm met 1500 rpm met een schijf van 450 mm; de hartafstand is 800 mm. De wrijvingscoëfficiënt is 0,35 en de spanning in het trekkende deel mag niet meer dan 1200 N zijn. Bepaal het grootste vermogen P dat de riem kan overbrengen zonder te slippen, in kW (verwaarloos centrifugaaleffecten).

d1 = 160 mmn1 = 1500 rpmd2 = 450 mmC = 800 mmμ = 0,35T1 = 1200 N
P = kW
5.Data-acquisitie en bemonsteringGemiddeld
Vin​N = ?10 V2ᴺ − 10≤ 0,1 mV

Een ADC met een ingangsbereik van 0 tot 10 V moet stappen van 0,1 mV of kleiner kunnen onderscheiden. Bepaal het kleinste aantal bits N.

VFSR = 10 Vresolutie = 0,1 mV
N =
6.Data-acquisitie en bemonsteringMoeilijk
Vin​N = ?VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Een audiometing vraagt een ideale signaal-kwantisatieruisverhouding van minstens 90 dB voor een sinus met volle uitsturing. Bepaal het kleinste aantal ADC-bits N.

SQNR ≥ 90 dB
N =
7.Brug van Wheatstone en rekstrookjesGemiddeld
+−5 V330 Ω330 Ω + ΔR330 Ω330 Ωab+−12,44 mV

Een brug met vier armen van 330 Ω wordt gevoed met 5 V. Als de sensor R₂ verandert, geeft de uitgang Vab = 12,44 mV. Bepaal de exacte verandering ΔR van R₂.

Vs = 5 VR = 330 ΩVab = 12,44 mV
ΔR = Ω
8.Brug van Wheatstone en rekstrookjesMoeilijk
+−12 V120 Ω − ΔR120 Ω + ΔR120 Ω + ΔR120 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

Een weegcel (een volle brug van rekstrookjes) heeft een nominale uitgang van 3 mV/V bij zijn nominale belasting van 50 kg. Hij wordt bekrachtigd met 12 V. Bepaal zijn uitgang Vo bij een belasting van 10 kg.

3 mV/VFrated = 50 kgVs = 12 VF = 10 kg
Vo = mV
9.Stationaire fout en PID-regelingGemiddeld
r(t) = 2t+Ks(s + 1)C(s)−

Een lus met eenheidsterugkoppeling met G(s) = K/(s(s + 1)) moet de helling r(t) = 2t volgen met een stationaire fout van 0,01. Bepaal de versterking K.

G(s) = K/(s(s + 1))r(t) = 2tess = 0,01
K =
10.Stationaire fout en PID-regelingMoeilijk
R(s)+K = 401s(s + 5)C(s)−

Een proportionele regelaar K = 40 stuurt het proces G(s) = 1/(s(s + 5)) aan in een lus met eenheidsterugkoppeling. Bepaal de piektijd tp van de stapresponsie.

G(s) = 1/(s(s + 5))K = 40
tp = s
11.StapresponsieGemiddeld
t (s)y(t)2

Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 30/(s² + 6s + 15) en krijgt een eenheidsstap als ingang. Bepaal de eigenfrequentie ωn in rad/s.

G(s) = 30/(s² + 6s + 15)
ωn = rad/s
12.StapresponsieMoeilijk
R(s)+Ks(s + 10)G(s)C(s)−

Een lus met negatieve eenheidsterugkoppeling heeft G(s) = K/(s(s + 10)). Bepaal de versterking K die een stapresponsie met 25 % overshoot geeft.

G(s) = K/(s(s + 10))%OS = 25 %
K =

3Oplossingen

1.Gelijkstroommotoren

Antwoord: T = 1,646 N·m

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.

Snelheid in rad/s

ω = 2π·2900/60 = 303,7 rad/s

Koppel

T = P/ω = 500/303,7 = 1,646 N·m

Antwoord

T = 1,646 N·m
2.Gelijkstroommotoren

Antwoord: Pmax = 288 W

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.

Vermogen als functie van de tegen-EMK

P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 24 V

Maximaal vermogen

Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 48²/(4·2) = 288 W

Antwoord

Pmax = 288 W

Op dit punt is het rendement slechts 50 %, dus echte motoren draaien ruim boven het halve toerental.

3.Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Antwoord: Ft = 1235 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.

Koppel op het rondsel

ω = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 3000/151,8 = 19,76 N·m

Steekcirkeldiameter

d = m·N = 2·16 = 32 mm

Tangentiële kracht

Ft = 2T/d = 2·19,76/0,032 = 1235 N

Antwoord

Ft = 1235 N
4.Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Antwoord: P = 9,374 kW

Riemaandrijvingen: zonder slip hebben beide schijven dezelfde omtreksnelheid v = π·d·n/60, dus n₁·d₁ = n₂·d₂ en de overbrengingsverhouding is d₂/d₁. Slip s maakt de aangedreven schijf iets langzamer: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Het overgebrachte vermogen is P = (T₁ − T₂)·v, met T₁ de spanning in het trekkende deel en T₂ in het slappe deel. Wrijving beperkt de verhouding van de spanningen: T₁/T₂ = eμθ, waarbij θ de omspanningshoek in radialen op de kleinere schijf is; voor een open riem is θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) met hartafstand C.

Omspanningshoek

θ = 2,777 rad

Spanning in het slappe deel

eμθ = e0,972 = 2,643, T₂ = 1200/2,643 = 454 N

Vermogen

P = (1200 − 454)·12,57 = 9,374 kW

Antwoord

P = 9,374 kW
5.Data-acquisitie en bemonstering

Antwoord: N = 17

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.

Benodigde stappen

10000 mV/0,1 mV = 100000

Bits

log₂(100000) = 16,61
216 = 65536 < 100000 ≤ 217 = 131072
N = 17

Antwoord

N = 17
6.Data-acquisitie en bemonstering

Antwoord: N = 15

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.

Los op voor N

N ≥ (90 − 1,76)/6,02 = 14,66

Naar boven afronden

N = 15
controle: 6,02·15 + 1,76 = 92,06 dB ≥ 90 dB

Antwoord

N = 15
7.Brug van Wheatstone en rekstrookjes

Antwoord: ΔR = 3,301 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 = 2,5 + 0,01244 = 2,512 V

Los de deler op

R₂ = 330·2,512/(5 − 2,512) = 333,3 Ω
ΔR = 333,3 − 330 = 3,301 Ω

Antwoord

ΔR = 3,301 Ω
8.Brug van Wheatstone en rekstrookjes

Antwoord: Vo = 7,2 mV

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.

Uitgang bij volle schaal

3·12 = 36 mV

Uitgang bij deze belasting

Vo = 36·10/50 = 7,2 mV

Antwoord

Vo = 7,2 mV
9.Stationaire fout en PID-regeling

Antwoord: K = 200

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.

Vereiste snelheidsconstante

Kv = A/ess = 2/0,01 = 200

Versterking

K = 1·Kv = 200

Antwoord

K = 200

Een grote versterking maakt deze lus zeer licht gedempt: ζ = 0,03536. Dat conflict is de reden dat compensatoren worden gebruikt.

10.Stationaire fout en PID-regeling

Antwoord: tp = 0,5408 s

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).

Karakteristiek polynoom

s(s + 5) + 40·1 = s² + 5s + 40

ωₙ en ζ

ωₙ = √40 = 6,325 rad/s
ζ = 5/(2·6,325) = 0,3953

Piektijd

ωd = 6,325·√(1 − 0,3953²) = 5,809 rad/s
tp = π/5,809 = 0,5408 s

Antwoord

tp = 0,5408 s
11.Stapresponsie

Antwoord: ωn = 3,873 rad/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).

Vergelijk met de standaardvorm

De noemer moet overeenkomen met s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 15 → ωₙ = 3,873 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·3,873) = 0,7746

Resultaat

ωₙ = 3,873 rad/s

Antwoord

ωn = 3,873 rad/s
12.Stapresponsie

Antwoord: K = 153,4

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).

Gesloten-lusoverdrachtsfunctie

T(s) = K/(s² + 10s + K)

Dempingsfactor uit de overshoot

ζ = −ln(0,25)/√(π² + ln²(0,25)) = 0,4037

Versterking

ωₙ = 10/(2ζ) = 12,39 rad/s
K = ωₙ² = 153,4

Antwoord

K = 153,4

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems