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
T (N·m)n (rpm)Tst​ = ?n0​

Een gelijkstroommotor met k = 0,75 N·m/A en Ra = 0,4 Ω is aangesloten op 48 V. Bepaal zijn blokkeerkoppel Tstall, het koppel bij toerental nul.

V = 48 Vk = 0,75 N·m/ARa = 0,4 Ω
Tstall = N·m
2.GelijkstroommotorenMoeilijk
+−240 VD = ?Ra​ = 0,8 ΩM+−En = 1200 rpmT = 12 N·m

Een gelijkstroomchopper voedt een motor (k = 0,8 V·s/rad, Ra = 0,8 Ω) uit een gelijkspanningsbus van 240 V. De gemiddelde ankerspanning is D·240 V. Bepaal de duty cycle D waarmee de motor draait op 1200 rpm bij een last van 12 N·m.

Vdc = 240 Vk = 0,8 V·s/radRa = 0,8 ΩT = 12 N·mn = 1200 rpm
D = %
3.Tandwielen en tandwieloverbrengingenGemiddeld
Tw​ = ?z = 3, 960 rpm

Een motor van 3 kW met 960 rpm drijft een worm met 3 gang(en) aan. Het wormwiel heeft 45 tanden en de overbrenging heeft een rendement van 55%. Vind het uitgaande koppel Tw op de as van het wiel.

z = 3Nw = 45n = 960 rpmP = 3 kWη = 55%
Tw = N·m
4.Tandwielen en tandwieloverbrengingenMoeilijk
A = 16B = 36C = 45D = ?

In een samengestelde tandwieloverbrenging draait tandwiel A (16 tanden) op de ingaande as met 960 rpm en drijft tandwiel B (36 tanden) aan. Tandwiel C (45 tanden) zit vast op dezelfde as als B en drijft tandwiel D op de uitgaande as aan. De uitgaande as moet met 384 rpm draaien. Hoeveel tanden ND moet tandwiel D hebben?

nin = 960 rpmA = 16B = 36C = 45nout = 384 rpm
ND =
5.Data-acquisitie en bemonsteringGemiddeld
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​Tb​10·Tb​4800 Bd, 8N1

Een UART verstuurt bytes met 4800 baud in het formaat 8N1: 8 databits, geen pariteit en 1 stopbit(s), plus de startbit. Bepaal het grootste aantal databytes per seconde dat hij kan overdragen.

baud = 4800 Bd8N1
RB = B/s
6.Data-acquisitie en bemonsteringMoeilijk
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​1/fbaud​4 MHz / (16·D)

Een microcontroller met een klok van 4 MHz stelt zijn UART-baudrate in als fclk/(16·D), met D een geheel getal dat op de dichtstbijzijnde waarde is afgerond. De doelwaarde is 57600 baud. Bepaal de procentuele fout van de werkelijke baudrate (positief als hij te snel is).

fclk = 4 MHzdoel = 57600 Bd
e = %
7.Brug van Wheatstone en rekstrookjesGemiddeld
+−12 VR1​ = 10 ΩR2​ = 50 ΩR3​ = 120 ΩR4​ = 80 ΩabGRg​ = 50 Ω

Een galvanometer met een weerstand van 50 Ω is aangesloten tussen a en b van de getoonde brug (Vs = 12 V). Bepaal de galvanometerstroom Ig van a naar b, in µA.

Vs = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 50 ΩR3 = 120 ΩR4 = 80 ΩRg = 50 Ω
Ig = µA
8.Brug van Wheatstone en rekstrookjesMoeilijk
+−10 V120 Ω − ΔR120 Ω + ΔR120 Ω + ΔR120 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

Een brug met armen van 120 Ω wordt bekrachtigd met 10 V en heeft vier actieve rekstrookjes, twee op trek en twee op druk (volle brug). De k-factor is 2,1 en de rek is 750 µε. Bepaal de uitgang Vo van de brug in mV.

Vs = 10 VGF = 2,1ε = 750 µε
Vo = mV
9.Stationaire fout en PID-regelingGemiddeld
r(t) = 1·t²/2+2(s + 4)s²(s + 2)C(s)−

De parabolische ingang r(t) = 1·t²/2 wordt aangelegd op een lus met eenheidsterugkoppeling met G(s) = 2(s + 4)/(s²(s + 2)). Bepaal de stationaire fout ess.

G(s) = 2(s + 4)/(s²(s + 2))r(t) = 1·t²/2
ess =
10.Stationaire fout en PID-regelingMoeilijk
R(s)+K = 2010s(s + 6)C(s)−

Een proportionele regelaar K = 20 stuurt het proces G(s) = 10/(s(s + 6)) aan in een lus met eenheidsterugkoppeling. Bepaal de procentuele overshoot %OS van de stapresponsie.

G(s) = 10/(s(s + 6))K = 20
%OS = %
11.StapresponsieGemiddeld
t (s)y(t)1

Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 96/(s² + 8s + 96) en krijgt een eenheidsstap als ingang. De polen zijn s = σ ± jωd. Bepaal het reële deel σ.

G(s) = 96/(s² + 8s + 96)
σ =
12.StapresponsieMoeilijk
R(s)+75s(s + 8)G(s)C(s)−

Een lus met negatieve eenheidsterugkoppeling heeft G(s) = 75/(s(s + 8)). Bepaal de 2%-insteltijd ts van de stapresponsie van de gesloten lus, met ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 75/(s(s + 8))
ts = s

3Oplossingen

1.Gelijkstroommotoren

Antwoord: Tstall = 90 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.

Blokkeerstroom

Ia = V/Ra = 48/0,4 = 120 A

Blokkeerkoppel

Tstall = 0,75·120 = 90 N·m

Antwoord

Tstall = 90 N·m
2.Gelijkstroommotoren

Antwoord: D = 46,89 %

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.

Vereiste ankerspanning

Va = 0,8·125,7 + 15·0,8 = 112,5 V

Duty cycle

D = 112,5/240 = 46,89 %

Antwoord

D = 46,89 %
3.Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Antwoord: Tw = 246,2 N·m

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

Toerental van het wiel

nw = n·z/Nw = 960·3/45 = 64 rpm

Uitgaand koppel

ωw = 2π·64/60 = 6,702 rad/s
Tw = η·P/ωw = 0,55·3000/6,702 = 246,2 N·m

Antwoord

Tw = 246,2 N·m
4.Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Antwoord: ND = 50

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

Toerental van de tussenas

nB = nC = 960·16/36 = 426,7 rpm

Tanden op tandwiel D

ND = C·nC/nout = 45·426,7/384 = 50

Antwoord

ND = 50
5.Data-acquisitie en bemonstering

Antwoord: RB = 480 B/s

UART: een asynchrone seriële verbinding verstuurt elke byte als een frame: één startbit (laag), de databits, een optionele pariteitsbit en een of twee stopbits (hoog). De baudrate is het aantal bits per seconde, dus één bit duurt Tb = 1/baud en een frame van n bits duurt n/baud. Het gangbare 8N1-formaat heeft 10 bits per byte. De baudgenerator deelt de klok: baud = fclk/(16·D) met een geheel getal D, dus de werkelijke baudrate wijkt iets af van de gewenste; een fout onder ongeveer 2 % is meestal acceptabel.

Bits per frame

1 + 8 + 0 + 1 = 10

Bytesnelheid

4800/10 = 480 B/s

Antwoord

RB = 480 B/s
6.Data-acquisitie en bemonstering

Antwoord: e = 8,507 %

UART: een asynchrone seriële verbinding verstuurt elke byte als een frame: één startbit (laag), de databits, een optionele pariteitsbit en een of twee stopbits (hoog). De baudrate is het aantal bits per seconde, dus één bit duurt Tb = 1/baud en een frame van n bits duurt n/baud. Het gangbare 8N1-formaat heeft 10 bits per byte. De baudgenerator deelt de klok: baud = fclk/(16·D) met een geheel getal D, dus de werkelijke baudrate wijkt iets af van de gewenste; een fout onder ongeveer 2 % is meestal acceptabel.

Deler

D = 4·10⁶/(16·57600) = 4,34 → 4

Werkelijke baudrate

4·10⁶/(16·4) = 62500 Bd

Fout

(62500 − 57600)/57600·100 = 8,507 %

Antwoord

e = 8,507 %

Een fout boven ongeveer 2 % maakt de verbinding onbetrouwbaar: kies een andere klok of baudrate.

7.Brug van Wheatstone en rekstrookjes

Antwoord: Ig = 48903 µA

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.

Thévenin-spanning

Vth = 12·(50/60 − 80/200) = 5,2 V

Thévenin-weerstand

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 56,33 Ω

Galvanometerstroom

Ig = 5,2/(56,33 + 50) = 48903 µA

Antwoord

Ig = 48903 µA
8.Brug van Wheatstone en rekstrookjes

Antwoord: Vo = 15,75 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.

Relatieve weerstandsverandering

ΔR/R = 2,1·750·10⁻⁶ = 0,001575

Uitgang van de brug

Vo = Vs·GF·ε = 10·0,001575 = 15,75 mV

Antwoord

Vo = 15,75 mV
9.Stationaire fout en PID-regeling

Antwoord: ess = 0,25

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 = 2·4/2 = 4

Parabolafout

ess = 1/4 = 0,25

Antwoord

ess = 0,25
10.Stationaire fout en PID-regeling

Antwoord: %OS = 50,56 %

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 + 6) + 20·10 = s² + 6s + 200

ωₙ en ζ

ωₙ = √200 = 14,14 rad/s
ζ = 6/(2·14,14) = 0,2121

Overshoot

%OS = 100·e−0,2121π/√(1 − 0,2121²) = 50,56 %

Antwoord

%OS = 50,56 %
11.Stapresponsie

Antwoord: σ = −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).

Vergelijk met de standaardvorm

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

ωₙ² = 96 → ωₙ = 9,798 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·9,798) = 0,4082

Resultaat

σ = −ζωₙ = −8/2 = −4

Antwoord

σ = −4
12.Stapresponsie

Antwoord: ts = 1 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).

Gesloten-lusoverdrachtsfunctie

T(s) = 75/(s² + 8s + 75): ωₙ = 8,66 rad/s, ζ = 0,4619

Insteltijd

ζωₙ = 8/2 = 4
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 1 s

Antwoord

ts = 1 s

Voor deze lus is ζωₙ = a/2 welke K ook is: een hogere K geeft meer overshoot maar verkort de insteltijd niet.

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems