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 20 A op uit een voeding van 220 V. Zijn ankerweerstand is 1,5 Ω en zijn rotatieverliezen (wrijving, luchtweerstand en ijzer) zijn 152 W. Bepaal zijn rendement η.
V = 220 VIa = 20 ARa = 1,5 ΩProt = 152 W
η = %
2.GelijkstroommotorenMoeilijk
Een separaat bekrachtigde gelijkstroommotor (k = 0,8 V·s/rad bij vol veld, Ra = 0,4 Ω, V = 110 V) drijft een constant lastkoppel van 24 N·m aan. De veldflux wordt verlaagd tot 90 % van de volle waarde. Bepaal het nieuwe toerental n.
Een motor van 1,1 kW die met 1450 rpm draait, drijft een rondsel aan met 18 tanden en een module van 5 mm. Vind de tangentiële kracht Ft op de tanden van het rondsel.
P = 1,1 kWn = 1450 rpmN1 = 18m = 5 mm
Ft = N
4.Tandwielen en tandwieloverbrengingenMoeilijk
In een meertraps tandwieloverbrenging drijft tandwiel A (16 tanden) op de ingaande as, die met 1500 rpm draait, tandwiel B (18 tanden) aan. Tandwiel C (15 tanden) zit vast op dezelfde as als B en drijft tandwiel D (48 tanden) op de uitgaande as aan. Bereken het uitgaande toerental nout.
nin = 1500 rpmA = 16B = 18C = 15D = 48
nout = rpm
5.Data-acquisitie en bemonsteringGemiddeld
Een sensor meet druk over een bereik van 500 kPa, en zijn uitgang vult het hele ingangsbereik van een ADC. De meting moet 0,2 kPa kunnen onderscheiden. Bepaal het kleinste aantal bits N dat de ADC nodig heeft.
bereik = 500 kParesolutie = 0,2 kPa
N =
6.Data-acquisitie en bemonsteringMoeilijk
Een microcontroller met een klok van 32 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 19200 baud. Bepaal de procentuele fout van de werkelijke baudrate (positief als hij te snel is).
fclk = 32 MHzdoel = 19200 Bd
e = %
7.Brug van Wheatstone en rekstrookjesGemiddeld
Een galvanometer met een weerstand van 100 Ω is aangesloten tussen a en b van de getoonde brug (Vs = 12 V). Bepaal de galvanometerstroom Ig van a naar b, in µA.
Een brug met armen van 350 Ω wordt bekrachtigd met 3 V en heeft vier actieve rekstrookjes, twee op trek en twee op druk (volle brug). De k-factor is 2 en de rek is 600 µε. Bepaal de uitgang Vo van de brug in mV.
Vs = 3 VGF = 2ε = 600 µε
Vo = mV
9.Stationaire fout en PID-regelingGemiddeld
Een helling r(t) = 3t wordt aangelegd op een lus met eenheidsterugkoppeling met G(s) = 50/(s(s + 4)(s + 5)). Bepaal de stationaire fout ess.
G(s) = 50/(s(s + 4)(s + 5))r(t) = 3t
ess =
10.Stationaire fout en PID-regelingMoeilijk
Een PI-regelaar C(s) = Kp + Ki/s stuurt het proces G(s) = 4/(s + 1) aan in een lus met eenheidsterugkoppeling. De gesloten lus moet ωₙ = 3 rad/s en ζ = 0,7 hebben. Bepaal de proportionele versterking Kp.
G(s) = 4/(s + 1)ωₙ = 3 rad/sζ = 0,7
Kp =
11.StapresponsieGemiddeld
Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 49/(s² + 4s + 49) en krijgt een eenheidsstap als ingang. Vind de dempingsverhouding ζ.
G(s) = 49/(s² + 4s + 49)
ζ =
12.StapresponsieMoeilijk
Een tweede-ordesysteem zonder nullen moet een stapresponsie hebben met 8 % overshoot. Bepaal de dempingsfactor ζ.
%OS = 8 %
ζ =
3Oplossingen
1.Gelijkstroommotoren
Antwoord: η = 82,91 %
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 = 220·20 = 4400 W
Pdev = 190·20 = 3800 W
Pout = 3800 − 152 = 3648 W
Rendement
η = 3648/4400·100 = 82,91 %
Antwoord
η = 82,91 %
2.Gelijkstroommotoren
Antwoord: n = 1282 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.
Zo draait een gelijkstroomaandrijving boven zijn basistoerental: door veldverzwakking.
3.Tandwielen en tandwieloverbrengingen
Antwoord: Ft = 161 N
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.
Koppel op het rondsel
ω = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 1100/151,8 = 7,244 N·m
Steekcirkeldiameter
d = m·N = 5·18 = 90 mm
Tangentiële kracht
Ft = 2T/d = 2·7,244/0,09 = 161 N
Antwoord
Ft = 161 N
4.Tandwielen en tandwieloverbrengingen
Antwoord: nout = 416,7 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 = 1500·16/18 = 1333 rpm = nC
Tweede trap
nout = 1333·15/48 = 416,7 rpm
Antwoord
nout = 416,7 rpm
totale overbrengingsverhouding = 3,6 : 1
5.Data-acquisitie en bemonstering
Antwoord: N = 12
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
500/0,2 = 2500
Bits
log₂(2500) = 11,29
211 = 2048 < 2500 ≤ 212 = 4096
N = 12
Antwoord
N = 12
6.Data-acquisitie en bemonstering
Antwoord: e = 0,1603 %
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 = 32·10⁶/(16·19200) = 104,2 → 104
Werkelijke baudrate
32·10⁶/(16·104) = 19231 Bd
Fout
(19231 − 19200)/19200·100 = 0,1603 %
Antwoord
e = 0,1603 %
Een fout onder ongeveer 2 % is meestal acceptabel.
7.Brug van Wheatstone en rekstrookjes
Antwoord: Ig = 58017 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·(800/820 − 20/60) = 7,707 V
Thévenin-weerstand
Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 32,85 Ω
Galvanometerstroom
Ig = 7,707/(32,85 + 100) = 58017 µA
Antwoord
Ig = 58017 µA
8.Brug van Wheatstone en rekstrookjes
Antwoord: Vo = 3,6 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 = 3·0,0012 = 3,6 mV
Antwoord
Vo = 3,6 mV
9.Stationaire fout en PID-regeling
Antwoord: ess = 1,2
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) = 2,5
Hellingsfout
ess = 3/2,5 = 1,2
Antwoord
ess = 1,2
10.Stationaire fout en PID-regeling
Antwoord: Kp = 0,8
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 + 1).
s² + (1 + 4Kp)s + 4Ki
Doelpolynoom
s² + 2·0,7·3s + 3² = s² + 4,2s + 9
Laat de coëfficiënten overeenkomen
1 + 4Kp = 4,2 → Kp = 0,8
Antwoord
Kp = 0,8
De integrerende term maakt de lus type 1, dus een stap wordt zonder stationaire fout gevolgd.
11.Stapresponsie
Antwoord: ζ = 0,2857
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 = 49 → ωₙ = 7 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·7) = 0,2857
Resultaat
ζ = 0,2857
Antwoord
ζ = 0,2857
12.Stapresponsie
Antwoord: ζ = 0,6266
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).