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 = 960 rpmT = ?

Een gelijkstroommotor levert 5,5 kW mechanisch vermogen bij 960 rpm. Bepaal het askoppel T.

P = 5,5 kWn = 960 rpm
T = N·m
2.GelijkstroommotorenMoeilijk
+−24 VRa​ = 0,2 ΩM+−En = ?T = 1,44 N·m

Een separaat bekrachtigde gelijkstroommotor (k = 0,12 V·s/rad bij vol veld, Ra = 0,2 Ω, V = 24 V) drijft een constant lastkoppel van 1,44 N·m aan. De veldflux wordt verlaagd tot 90 % van de volle waarde. Bepaal het nieuwe toerental n.

V = 24 Vk = 0,12 V·s/radRa = 0,2 ΩT = 1,44 N·mΦ = 90 %
n = rpm
3.Tandwielen en tandwieloverbrengingenGemiddeld
N1​ = 12N2​ = 50

Een motor van 4 kW die met 2900 rpm draait, drijft een rondsel met 12 tanden aan, dat ingrijpt in een tandwiel met 50 tanden. Het tandwielpaar heeft een rendement van 95%. Bereken het koppel T1 op de motoras.

P = 4 kWn1 = 2900 rpmN1 = 12N2 = 50η = 95%
T1 = N·m
4.Tandwielen en tandwieloverbrengingenMoeilijk
A = 15B = 50C = 18D = 24

In een meertraps tandwieloverbrenging drijft tandwiel A (15 tanden) op de ingaande as, die met 1500 rpm draait, tandwiel B (50 tanden) aan. Tandwiel C (18 tanden) zit vast op dezelfde as als B en drijft tandwiel D (24 tanden) op de uitgaande as aan. Bereken het uitgaande toerental nout.

nin = 1500 rpmA = 15B = 50C = 18D = 24
nout = rpm
5.Data-acquisitie en bemonsteringGemiddeld
Vin​N = ?5 V2ᴺ − 10≤ 0,5 mV

Een ADC met een ingangsbereik van 0 tot 5 V moet stappen van 0,5 mV of kleiner kunnen onderscheiden. Bepaal het kleinste aantal bits N.

VFSR = 5 Vresolutie = 0,5 mV
N =
6.Data-acquisitie en bemonsteringMoeilijk
T10 mV/°C×1∿01N = 8, 10 V? °C/LSB

Een temperatuursensor geeft 10 mV/°C (0 V bij 0 °C). Zijn signaal wordt 1 keer versterkt en naar een 8-bits ADC met een bereik van 0 tot 10 V gevoerd (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Bepaal de temperatuurverandering ΔTLSB die overeenkomt met één LSB.

S = 10 mV/°CG = 1N = 8VFSR = 10 V
ΔTLSB = °C
7.Brug van Wheatstone en rekstrookjesGemiddeld
+−6 VR1​ = 200 ΩR2​ = 20 ΩR3​ = 300 ΩR4​ = 120 Ωab+−Rth​ = ?

Bepaal de Thévenin-weerstand Rth van de getoonde brug, gezien vanaf de uitgangsklemmen a en b.

Vs = 6 VR1 = 200 ΩR2 = 20 ΩR3 = 300 ΩR4 = 120 Ω
Rth = Ω
8.Brug van Wheatstone en rekstrookjesMoeilijk
+−5 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−2,563 mV

Een kwartbrug met één actief rekstrookje (GF = 2,05) wordt bekrachtigd met 5 V. Onder belasting geeft de uitgang 2,563 mV. Bepaal de rek ε in µε.

Vs = 5 VGF = 2,05Vo = 2,563 mV
ε = µε
9.Stationaire fout en PID-regelingGemiddeld
r(t) = 1·t²/2+5(s + 2)s²(s + 5)C(s)−

De parabolische ingang r(t) = 1·t²/2 wordt aangelegd op een lus met eenheidsterugkoppeling met G(s) = 5(s + 2)/(s²(s + 5)). Bepaal de stationaire fout ess.

G(s) = 5(s + 2)/(s²(s + 5))r(t) = 1·t²/2
ess =
10.Stationaire fout en PID-regelingMoeilijk
R(s)+K10s(s + 10)C(s)−

Een proportionele regelaar K stuurt het proces G(s) = 10/(s(s + 10)) aan in een lus met eenheidsterugkoppeling. Bepaal de versterking K waarmee de gesloten lus een dempingsverhouding ζ = 0,4 krijgt.

G(s) = 10/(s(s + 10))ζ = 0,4
K =
11.StapresponsieGemiddeld
t (s)y(t)1

Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 27/(s² + 8s + 27) en krijgt een eenheidsstap als ingang. De polen zijn s = σ ± jωd. Bepaal het reële deel σ.

G(s) = 27/(s² + 8s + 27)
σ =
12.StapresponsieMoeilijk
t (s)y(t)112 %

Een tweede-ordesysteem zonder nullen moet een stapresponsie hebben met 12 % overshoot. Bepaal de dempingsfactor ζ.

%OS = 12 %
ζ =

3Oplossingen

1.Gelijkstroommotoren

Antwoord: T = 54,71 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·960/60 = 100,5 rad/s

Koppel

T = P/ω = 5500/100,5 = 54,71 N·m

Antwoord

T = 54,71 N·m
2.Gelijkstroommotoren

Antwoord: n = 1886 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.

Verzwakte motorconstante

k₂ = 0,9·0,12 = 0,108 V·s/rad

Nieuwe ankerstroom

Ia = 1,44/0,108 = 13,33 A

Nieuw toerental

ω = (24 − 13,33·0,2)/0,108 = 197,5 rad/s → n = 1886 rpm

Antwoord

n = 1886 rpm

Zo draait een gelijkstroomaandrijving boven zijn basistoerental: door veldverzwakking.

3.Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Antwoord: T1 = 13,17 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·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 4000/303,7 = 13,17 N·m

Antwoord

T1 = 13,17 N·m
4.Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Antwoord: nout = 337,5 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 = 1500·15/50 = 450 rpm = nC

Tweede trap

nout = 450·18/24 = 337,5 rpm

Antwoord

nout = 337,5 rpm

totale overbrengingsverhouding = 4,444 : 1

5.Data-acquisitie en bemonstering

Antwoord: N = 14

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

5000 mV/0,5 mV = 10000

Bits

log₂(10000) = 13,29
213 = 8192 < 10000 ≤ 214 = 16384
N = 14

Antwoord

N = 14
6.Data-acquisitie en bemonstering

Antwoord: ΔTLSB = 3,906 °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 = 10000/256 = 39,06 mV

Gevoeligheid bij de ADC

10·1 = 10 mV/°C

Temperatuurresolutie

ΔTLSB = 39,06/10 = 3,906 °C

Antwoord

ΔTLSB = 3,906 °C

De ADC bereikt volle schaal bij 1000 °C.

7.Brug van Wheatstone en rekstrookjes

Antwoord: Rth = 103,9 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.

Voeding kortgesloten

R₁∥R₂ = 200·20/220 = 18,18 Ω
R₃∥R₄ = 300·120/420 = 85,71 Ω

Thévenin-weerstand

Rth = 103,9 Ω

Antwoord

Rth = 103,9 Ω
8.Brug van Wheatstone en rekstrookjes

Antwoord: ε = 1000 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 = 4·0,002563/(5·2,05) = 0,001

In microrek

ε = 1000 µε

Antwoord

ε = 1000 µε
9.Stationaire fout en PID-regeling

Antwoord: ess = 0,5

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 = 5·2/5 = 2

Parabolafout

ess = 1/2 = 0,5

Antwoord

ess = 0,5
10.Stationaire fout en PID-regeling

Antwoord: K = 15,62

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 + 10) + 10K = s² + 10s + 10K

Eigenfrequentie

2·0,4·ωₙ = 10 → ωₙ = 12,5 rad/s

Versterking

10K = ωₙ² = 156,2 → K = 15,62

Antwoord

K = 15,62
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 = 27 → ωₙ = 5,196 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·5,196) = 0,7698

Resultaat

σ = −ζωₙ = −8/2 = −4

Antwoord

σ = −4
12.Stapresponsie

Antwoord: ζ = 0,5594

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).

Dempingsverhouding

ζ = −ln(0,12)/√(π² + ln²(0,12)) = 2,12/√(9,87 + 4,496) = 0,5594

Antwoord

ζ = 0,5594

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems