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 (k = 2 V·s/rad, Ra = 2 Ω) draait op 240 V. Bij vollast neemt hij 10 A op. Bepaal zijn toerentalregeling SR = (n₀ − nFL)/nFL in procent, als je de nullaststroom verwaarloost.
V = 240 Vk = 2 V·s/radRa = 2 ΩIFL = 10 A
SR = %
2.GelijkstroommotorenMoeilijk
Een gelijkstroommotor van 110 V heeft een ankerweerstand van 0,2 Ω. Bepaal de serie-aanloopweerstand Rst die de aanloopstroom beperkt tot 40 A.
V = 110 VRa = 0,2 ΩImax = 40 A
Rst = Ω
3.Tandwielen en tandwieloverbrengingenGemiddeld
Een riem loopt op een aandrijvende schijf van 125 mm met 1450 rpm. De spanning is 1200 N in het trekkende deel en 300 N in het slappe deel. Bepaal het overgebrachte vermogen P, in kW.
d1 = 125 mmn1 = 1450 rpmT1 = 1200 NT2 = 300 N
P = kW
4.Tandwielen en tandwieloverbrengingenMoeilijk
Een open riem verbindt een schijf van 200 mm en een schijf van 300 mm waarvan de hartafstand 600 mm is. Bepaal de omspanningshoek θ op de kleinere schijf, in graden.
d1 = 200 mmd2 = 300 mmC = 600 mm
θ = °
5.Data-acquisitie en bemonsteringGemiddeld
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 0,804 V.
N = 10VFSR = 5 VVin = 0,804 V
D =
6.Data-acquisitie en bemonsteringMoeilijk
Een 12-bits ADC stuurt elke sample via een UART met 38400 baud, formaat 8E1 (startbit, 8 databits, even pariteit, 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 = 38400 BdN = 128E1
fmax = Hz
7.Brug van Wheatstone en rekstrookjesGemiddeld
Een brug heeft vier armen van 220 Ω en Vs = 15 V. De sensor R₂ neemt toe met ΔR = 0,44 Ω. Bepaal met de benadering voor kleine veranderingen de uitgang Vab in mV.
Vs = 15 VR = 220 ΩΔR = 0,44 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 250 µε. Bepaal de uitgang Vo van de brug in mV.
Vs = 2,5 VGF = 2ε = 250 µε
Vo = mV
9.Stationaire fout en PID-regelingGemiddeld
Een proces G(s) = 0,5/(0,5s + 1) wordt geregeld met een proportionele versterking K = 5 in een lus met eenheidsterugkoppeling. Bepaal de stationaire fout ess voor een stap, als percentage van de stapgrootte.
G(s) = 0,5/(0,5s + 1)K = 5
ess = %
10.Stationaire fout en PID-regelingMoeilijk
Een PI-regelaar C(s) = 5 + 5/s stuurt het proces G(s) = 20/((s + 1)(s + 2)) aan in een lus met eenheidsterugkoppeling. Bepaal de stationaire fout ess voor de hellingsingang r(t) = 5t.
C(s) = 5 + 5/sG(s) = 20/((s + 1)(s + 2))r(t) = 5t
ess =
11.StapresponsieGemiddeld
Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 189/(s² + 7s + 63) en krijgt een eenheidsstap als ingang. Bepaal de procentuele overshoot %OS van de stapresponsie.
G(s) = 189/(s² + 7s + 63)
%OS = %
12.StapresponsieMoeilijk
Een lus met negatieve eenheidsterugkoppeling heeft G(s) = 270/(s(s + 12)). Bepaal de 2%-insteltijd ts van de stapresponsie van de gesloten lus, met ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 270/(s(s + 12))
ts = s
3Oplossingen
1.Gelijkstroommotoren
Antwoord: SR = 9,091 %
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.
Toerental bij nullast en vollast
n₀ = 60·240/(2π·2) = 1146 rpm
nFL = 60·(240 − 10·2)/(2π·2) = 1050 rpm
Toerentalregeling
SR = (1146 − 1050)/1050·100 = 9,091 %
Antwoord
SR = 9,091 %
2.Gelijkstroommotoren
Antwoord: Rst = 2,55 Ω
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.
Totale weerstand
Ra + Rst = 110/40 = 2,75 Ω
Aanloopweerstand
Rst = 2,75 − 0,2 = 2,55 Ω
Antwoord
Rst = 2,55 Ω
De weerstand wordt stap voor stap uitgeschakeld naarmate de motor sneller draait en de tegen-EMK groeit.
3.Tandwielen en tandwieloverbrengingen
Antwoord: P = 8,541 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.
Riemsnelheid
v = 9,49 m/s
Vermogen
P = (1200 − 300)·9,49 = 8541 W = 8,541 kW
Antwoord
P = 8,541 kW
4.Tandwielen en tandwieloverbrengingen
Antwoord: θ = 170,4 °
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.
Riemhoek
asin(0,08333) = 4,78°
Omspanningshoek
θ = 180 − 2·4,78 = 170,4°
Antwoord
θ = 170,4°
5.Data-acquisitie en bemonstering
Antwoord: D = 164
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 = 804/4,883 = 164,7
code = ⌊164,7⌋ = 164
Antwoord
D = 164
In binair is dat 0010100100.
6.Data-acquisitie en bemonstering
Antwoord: fmax = 872,7 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
2·11 = 22 bit
Hoogste bemonsteringsfrequentie
fs,max = 38400/22 = 1745 Hz
Nyquistgrens
fmax = 1745/2 = 872,7 Hz
Antwoord
fmax = 872,7 Hz
7.Brug van Wheatstone en rekstrookjes
Antwoord: Vab = 7,5 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 = 0,44/220 = 0,002
Gelineariseerde uitgang
Vab ≈ 15·0,002/4 = 7,5 mV
Antwoord
Vab = 7,5 mV
De exacte waarde is 7,493 mV; de benadering is goed zolang ΔR/R klein is.
8.Brug van Wheatstone en rekstrookjes
Antwoord: Vo = 0,3125 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 = 2·250·10⁻⁶ = 0,0005
Uitgang van de brug
Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 2,5·0,0005/4 = 0,3125 mV
Antwoord
Vo = 0,3125 mV
9.Stationaire fout en PID-regeling
Antwoord: ess = 28,57 %
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.
Positieconstante
Kp = 5·0,5 = 2,5
Stapfout
ess = 100/(1 + 2,5) = 28,57 %
Antwoord
ess = 28,57 %
10.Stationaire fout en PID-regeling
Antwoord: ess = 0,1
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) = 5s + 5 → 5 voor s → 0.
Kv = 5·20/2 = 50
Hellingsfout
ess = 5/50 = 0,1
Antwoord
ess = 0,1
De PI-regelaar neemt de stapfout volledig weg; een helling wordt gevolgd met een constante achterstand.
11.Stapresponsie
Antwoord: %OS = 21,36 %
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 = 63 → ωₙ = 7,937 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·7,937) = 0,441
Resultaat
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,543 = 21,36 %
Antwoord
%OS = 21,36 %
12.Stapresponsie
Antwoord: ts = 0,6667 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).