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 neemt 8 A op uit een voeding van 120 V. Zijn ankerweerstand is 0,5 Ω en zijn rotatieverliezen (wrijving, luchtweerstand en ijzer) zijn 74 W. Bepaal zijn rendement η.
V = 120 VIa = 8 ARa = 0,5 ΩProt = 74 W
η = %
2.GelijkstroommotorenMoeilijk
Een gelijkstroomchopper voedt een motor (k = 0,6 V·s/rad, Ra = 0,4 Ω) uit een gelijkspanningsbus van 220 V. De gemiddelde ankerspanning is D·220 V. Bepaal de duty cycle D waarmee de motor draait op 800 rpm bij een last van 15 N·m.
Twee evenwijdige assen liggen 60 mm uit elkaar. Ze moeten worden verbonden met een paar rechte tandwielen met een module van 1,5 mm en een vertraging van 4 : 1. Hoeveel tanden N2 moet het tandwiel hebben?
a = 60 mmm = 1,5 mmi = 4
N2 =
4.Tandwielen en tandwieloverbrengingenMoeilijk
In een meertraps tandwieloverbrenging drijft tandwiel A (36 tanden) op de ingaande as, die met 3000 rpm draait, tandwiel B (48 tanden) aan. Tandwiel C (25 tanden) zit vast op dezelfde as als B en drijft tandwiel D (72 tanden) op de uitgaande as aan. Bereken het uitgaande toerental nout.
nin = 3000 rpmA = 36B = 48C = 25D = 72
nout = rpm
5.Data-acquisitie en bemonsteringGemiddeld
Een recorder bemonstert 8 kanalen met elk 2 kHz en een 24-bits ADC. Elke sample wordt in hele bytes opgeslagen. Bepaal het geheugen M dat nodig is voor een opname van 2 min, in MB (1 MB = 10⁶ bytes).
n = 8fs = 2 kHzN = 24t = 2 min
M = MB
6.Data-acquisitie en bemonsteringMoeilijk
Een 10-bits ADC stuurt elke sample via een UART met 19200 baud, formaat 8N1 (startbit, 8 databits, 1 stopbit). Elke sample wordt als 2 hele byte(s) verzonden en de verbinding is voortdurend bezet. Bepaal de hoogste signaalfrequentie fmax die zonder aliasing kan worden bemonsterd, in Hz.
baud = 19200 BdN = 108N1
fmax = Hz
7.Brug van Wheatstone en rekstrookjesGemiddeld
Een brug heeft vier armen van 100 Ω en Vs = 5 V. De sensor R₂ neemt toe met ΔR = 0,2 Ω. Bepaal met de benadering voor kleine veranderingen de uitgang Vab in mV.
Vs = 5 VR = 100 ΩΔR = 0,2 Ω
Vab = mV
8.Brug van Wheatstone en rekstrookjesMoeilijk
Een brug met armen van 120 Ω wordt bekrachtigd met 2,5 V en heeft één actief rekstrookje (kwartbrug). De k-factor is 2 en de rek is 600 µε. Bepaal de uitgang Vo van de brug in mV.
Vs = 2,5 VGF = 2ε = 600 µε
Vo = mV
9.Stationaire fout en PID-regelingGemiddeld
De parabolische ingang r(t) = 5·t²/2 wordt aangelegd op een lus met eenheidsterugkoppeling met G(s) = 4(s + 1)/(s²(s + 10)). Bepaal de stationaire fout ess.
G(s) = 4(s + 1)/(s²(s + 10))r(t) = 5·t²/2
ess =
10.Stationaire fout en PID-regelingMoeilijk
Een PI-regelaar C(s) = 1 + 10/s stuurt het proces G(s) = 4/((s + 4)(s + 10)) aan in een lus met eenheidsterugkoppeling. Bepaal de stationaire fout ess voor de hellingsingang r(t) = 5t.
Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 77/(s² + 10s + 77) en krijgt een eenheidsstap als ingang. Bepaal de procentuele overshoot %OS van de stapresponsie.
G(s) = 77/(s² + 10s + 77)
%OS = %
12.StapresponsieMoeilijk
Een tweede-ordesysteem zonder nullen moet een stapresponsie hebben met 50 % overshoot. Bepaal de dempingsfactor ζ.
%OS = 50 %
ζ =
3Oplossingen
1.Gelijkstroommotoren
Antwoord: η = 88,96 %
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.
Vermogens
Pin = 120·8 = 960 W
Pdev = 116·8 = 928 W
Pout = 928 − 74 = 854 W
Rendement
η = 854/960·100 = 88,96 %
Antwoord
η = 88,96 %
2.Gelijkstroommotoren
Antwoord: D = 27,39 %
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 = 0,6·83,78 + 25·0,4 = 60,27 V
Duty cycle
D = 60,27/220 = 27,39 %
Antwoord
D = 27,39 %
3.Tandwielen en tandwieloverbrengingen
Antwoord: N2 = 64
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.
Totaal aantal tanden
N1 + N2 = 2a/m = 2·60/1,5 = 80
Verdeel volgens de verhouding
N1 = 80/(1 + 4) = 16
N2 = 4·16 = 64
Antwoord
N2 = 64
4.Tandwielen en tandwieloverbrengingen
Antwoord: nout = 781,3 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 = 3000·36/48 = 2250 rpm = nC
Tweede trap
nout = 2250·25/72 = 781,3 rpm
Antwoord
nout = 781,3 rpm
totale overbrengingsverhouding = 3,84 : 1
5.Data-acquisitie en bemonstering
Antwoord: M = 5,76 MB
Datasnelheden: elk kanaal levert fs samples per seconde van N bits, dus de ruwe snelheid is kanalen × fs × N bit/s. In het geheugen neemt een sample hele bytes in beslag (een sample van 12 bits wordt in 2 bytes opgeslagen), dus het geheugen voor een opname is kanalen × fs × bytes per sample × tijd. Een gemultiplexte ADC zet de kanalen na elkaar om: elke conversie (inclusief insteltijd) duurt t, dus een ronde van n kanalen duurt n·t en elk kanaal wordt bemonsterd met 1/(n·t).
Bytes per sample
⌈24/8⌉ = 3 B
Bytesnelheid
8·2000·3 = 48000 B/s
Geheugen
M = 48000·120 = 5,76 × 10⁶ B = 5,76 MB
Antwoord
M = 5,76 MB
6.Data-acquisitie en bemonstering
Antwoord: fmax = 480 Hz
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 sample op de lijn
2·10 = 20 bit
Hoogste bemonsteringsfrequentie
fs,max = 19200/20 = 960 Hz
Nyquistgrens
fmax = 960/2 = 480 Hz
Antwoord
fmax = 480 Hz
7.Brug van Wheatstone en rekstrookjes
Antwoord: Vab = 2,5 mV
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.
Relatieve verandering
ΔR/R = 0,2/100 = 0,002
Gelineariseerde uitgang
Vab ≈ 5·0,002/4 = 2,5 mV
Antwoord
Vab = 2,5 mV
De exacte waarde is 2,498 mV; de benadering is goed zolang ΔR/R klein is.
8.Brug van Wheatstone en rekstrookjes
Antwoord: Vo = 0,75 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 = 2·600·10⁻⁶ = 0,0012
Uitgang van de brug
Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 2,5·0,0012/4 = 0,75 mV
Antwoord
Vo = 0,75 mV
9.Stationaire fout en PID-regeling
Antwoord: ess = 12,5
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 = 4·1/10 = 0,4
Parabolafout
ess = 5/0,4 = 12,5
Antwoord
ess = 12,5
10.Stationaire fout en PID-regeling
Antwoord: ess = 5
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 + 10 → 10 voor s → 0.
Kv = 10·4/40 = 1
Hellingsfout
ess = 5/1 = 5
Antwoord
ess = 5
De PI-regelaar neemt de stapfout volledig weg; een helling wordt gevolgd met een constante achterstand.
11.Stapresponsie
Antwoord: %OS = 11,32 %
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 = 77 → ωₙ = 8,775 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·8,775) = 0,5698
Resultaat
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2,178 = 11,32 %
Antwoord
%OS = 11,32 %
12.Stapresponsie
Antwoord: ζ = 0,2155
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).