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 = 2 N·m/A en Ra = 1 Ω is aangesloten op 220 V. Bepaal zijn blokkeerkoppel Tstall, het koppel bij toerental nul.

V = 220 Vk = 2 N·m/ARa = 1 Ω
Tstall = N·m
2.GelijkstroommotorenMoeilijk
+−120 VRa​ = 1,2 ΩM+−EωT

Een kleine gelijkstroommotor heeft een ankerweerstand van 1,2 Ω en draait op 120 V. Bepaal het grootste mechanische vermogen Pmax dat hij bij enig toerental kan ontwikkelen, als je rotatieverliezen verwaarloost.

V = 120 VRa = 1,2 Ω
Pmax = W
3.Tandwielen en tandwieloverbrengingenGemiddeld
d1​ = 80 mmd2​ = 300 mm720 rpmn2​ = ?

Een schijf van 80 mm met 720 rpm drijft via een riem met 4 % slip een schijf van 300 mm aan. Bepaal het toerental n2 van de aangedreven schijf.

n1 = 720 rpmd1 = 80 mmd2 = 300 mms = 4 %
n2 = rpm
4.Tandwielen en tandwieloverbrengingenMoeilijk
d1​ = 160 mmd2​ = 200 mm1450 rpmC = 1000 mmT1​ = 500 NT2​P = ?

Een open riem verbindt een aandrijvende schijf van 160 mm met 1450 rpm met een schijf van 200 mm; de hartafstand is 1000 mm. De wrijvingscoëfficiënt is 0,25 en de spanning in het trekkende deel mag niet meer dan 500 N zijn. Bepaal het grootste vermogen P dat de riem kan overbrengen zonder te slippen, in kW (verwaarloos centrifugaaleffecten).

d1 = 160 mmn1 = 1450 rpmd2 = 200 mmC = 1000 mmμ = 0,25T1 = 500 N
P = kW
5.Data-acquisitie en bemonsteringGemiddeld
Vin​N = 105 V01 LSB4,53 V?

Een 10-bits ADC met een ingangsbereik van 0 tot 5 V kapt af: zijn uitgangscode is ⌊Vin/LSB⌋ met 1 LSB = VFSR/2ᴺ. Bepaal de decimale uitgangscode D voor een ingang van 4,53 V.

N = 10VFSR = 5 VVin = 4,53 V
D =
6.Data-acquisitie en bemonsteringMoeilijk
Vin​N = ?VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Een audiometing vraagt een ideale signaal-kwantisatieruisverhouding van minstens 65 dB voor een sinus met volle uitsturing. Bepaal het kleinste aantal ADC-bits N.

SQNR ≥ 65 dB
N =
7.Brug van Wheatstone en rekstrookjesGemiddeld
+−12 V100 Ω100 Ω + ΔR100 Ω100 Ωab+−339,6 mV

Een brug met vier armen van 100 Ω wordt gevoed met 12 V. Als de sensor R₂ verandert, geeft de uitgang Vab = 339,6 mV. Bepaal de exacte verandering ΔR van R₂.

Vs = 12 VR = 100 ΩVab = 339,6 mV
ΔR = Ω
8.Brug van Wheatstone en rekstrookjesMoeilijk
+−2,5 V1000 Ω − ΔR1000 Ω + ΔR1000 Ω + ΔR1000 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

Een brug met armen van 1000 Ω wordt bekrachtigd met 2,5 V en heeft vier actieve rekstrookjes, twee op trek en twee op druk (volle brug). De k-factor is 2,12 en de rek is 800 µε. Bepaal de uitgang Vo van de brug in mV.

Vs = 2,5 VGF = 2,12ε = 800 µε
Vo = mV
9.Stationaire fout en PID-regelingGemiddeld
r(t) = 5 + 1t+4s(s + 4)(s + 10)C(s)−

De ingang r(t) = 5 + 1t (een stap plus een helling) wordt aangelegd op een lus met eenheidsterugkoppeling met G(s) = 4/(s(s + 4)(s + 10)). Bepaal de stationaire fout ess.

G(s) = 4/(s(s + 4)(s + 10))r(t) = 5 + 1t
ess =
10.Stationaire fout en PID-regelingMoeilijk
R(s)+Kp​ + Ki​/s2s + 2C(s)−

Een PI-regelaar C(s) = Kp + Ki/s stuurt het proces G(s) = 2/(s + 2) aan in een lus met eenheidsterugkoppeling. De gesloten lus moet ωₙ = 2 rad/s en ζ = 0,8 hebben. Bepaal de proportionele versterking Kp.

G(s) = 2/(s + 2)ωₙ = 2 rad/sζ = 0,8
Kp =
11.StapresponsieGemiddeld
t (s)y(t)0,5

Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 9/(s² + 6s + 18) en krijgt een eenheidsstap als ingang. De polen zijn s = σ ± jωd. Bepaal het reële deel σ.

G(s) = 9/(s² + 6s + 18)
σ =
12.StapresponsieMoeilijk
k = 500 N/mc = 13 N·s/mm = 2 kgF = 25 Nx(t)

Een massa m = 2 kg hangt aan een veer k = 500 N/m met een viskeuze demper c = 13 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). In rust in evenwicht wordt plotseling een constante kracht F = 25 N aangelegd. Vind de dempingsverhouding ζ.

m = 2 kgk = 500 N/mc = 13 N·s/mF = 25 N
ζ =

3Oplossingen

1.Gelijkstroommotoren

Antwoord: Tstall = 440 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 = 220/1 = 220 A

Blokkeerkoppel

Tstall = 2·220 = 440 N·m

Antwoord

Tstall = 440 N·m
2.Gelijkstroommotoren

Antwoord: Pmax = 3000 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 = 60 V

Maximaal vermogen

Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 120²/(4·1,2) = 3000 W

Antwoord

Pmax = 3000 W

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

3.Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Antwoord: n2 = 184,3 rpm

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.

Toerental zonder slip

720·80/300 = 192 rpm

Met slip

n2 = 192·0,96 = 184,3 rpm

Antwoord

n2 = 184,3 rpm
4.Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Antwoord: P = 3,277 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 = 3,102 rad

Spanning in het slappe deel

eμθ = e0,7754 = 2,171, T₂ = 500/2,171 = 230,3 N

Vermogen

P = (500 − 230,3)·12,15 = 3,277 kW

Antwoord

P = 3,277 kW
5.Data-acquisitie en bemonstering

Antwoord: D = 927

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 = 5/210 = 4,883 mV

Code

Vin/LSB = 4530/4,883 = 927,7
code = ⌊927,7⌋ = 927

Antwoord

D = 927

In binair is dat 1110011111.

6.Data-acquisitie en bemonstering

Antwoord: N = 11

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 ≥ (65 − 1,76)/6,02 = 10,5

Naar boven afronden

N = 11
controle: 6,02·11 + 1,76 = 67,98 dB ≥ 65 dB

Antwoord

N = 11
7.Brug van Wheatstone en rekstrookjes

Antwoord: ΔR = 12 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 + 0,3396 = 6,34 V

Los de deler op

R₂ = 100·6,34/(12 − 6,34) = 112 Ω
ΔR = 112 − 100 = 12 Ω

Antwoord

ΔR = 12 Ω
8.Brug van Wheatstone en rekstrookjes

Antwoord: Vo = 4,24 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 = 2,12·800·10⁻⁶ = 0,001696

Uitgang van de brug

Vo = Vs·GF·ε = 2,5·0,001696 = 4,24 mV

Antwoord

Vo = 4,24 mV
9.Stationaire fout en PID-regeling

Antwoord: ess = 10

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.

Snelheidsconstante

Kv = lim s·G(s) = 0,1

Stapdeel

Kp = ∞ → estep = 0

Hellingsfout

ess = 1/0,1 = 10

Antwoord

ess = 10
10.Stationaire fout en PID-regeling

Antwoord: Kp = 0,6

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

1 + C(s)G(s) = 0, vermenigvuldigd met s(s + 2).

s² + (2 + 2Kp)s + 2Ki

Doelpolynoom

s² + 2·0,8·2s + 2² = s² + 3,2s + 4

Laat de coëfficiënten overeenkomen

2 + 2Kp = 3,2 → Kp = 0,6

Antwoord

Kp = 0,6

De integrerende term maakt de lus type 1, dus een stap wordt zonder stationaire fout gevolgd.

11.Stapresponsie

Antwoord: σ = −3

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 = 18 → ωₙ = 4,243 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·4,243) = 0,7071

Resultaat

σ = −ζωₙ = −6/2 = −3

Antwoord

σ = −3
12.Stapresponsie

Antwoord: ζ = 0,2055

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).

Eigenfrequentie en dempingsfactor

ωₙ = √(k/m) = √(500/2) = 15,81 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 13/(2·√(500·2)) = 0,2055

Resultaat

ζ = 0,2055

Antwoord

ζ = 0,2055

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems