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)n0​ = ?

Een gelijkstroommotor met k = 0,6 V·s/rad draait op 120 V. Bepaal zijn onbelaste toerental n0 in rpm, als je alle verliezen bij nullast verwaarloost.

V = 120 Vk = 0,6 V·s/rad
n0 = rpm
2.GelijkstroommotorenMoeilijk
T (N·m)n (rpm)1,5 N·m400 rpm

Een gelijkstroommotor met k = 0,75 V·s/rad en Ra = 1 Ω moet een last van 1,5 N·m aandrijven bij 400 rpm. Bepaal de ankerspanning V die hij nodig heeft.

k = 0,75 V·s/radRa = 1 ΩT = 1,5 N·mn = 400 rpm
V = V
3.Tandwielen en tandwieloverbrengingenGemiddeld
d1​ = 125 mmd2​ = 200 mm2880 rpmT1​ = 600 NT2​ = 300 NP = ?

Een riem loopt op een aandrijvende schijf van 125 mm met 2880 rpm. De spanning is 600 N in het trekkende deel en 300 N in het slappe deel. Bepaal het overgebrachte vermogen P, in kW.

d1 = 125 mmn1 = 2880 rpmT1 = 600 NT2 = 300 N
P = kW
4.Tandwielen en tandwieloverbrengingenMoeilijk
A = 20B = 72C = 12D = 50

In een meertraps tandwieloverbrenging drijft tandwiel A (20 tanden) op de ingaande as, die met 1500 rpm draait, tandwiel B (72 tanden) aan. Tandwiel C (12 tanden) zit vast op dezelfde as als B en drijft tandwiel D (50 tanden) op de uitgaande as aan. Bereken het uitgaande toerental nout.

nin = 1500 rpmA = 20B = 72C = 12D = 50
nout = rpm
5.Data-acquisitie en bemonsteringGemiddeld
Vin​N = ?1 V2ᴺ − 10≤ 10 mV

Een ADC met een ingangsbereik van 0 tot 1 V moet stappen van 10 mV of kleiner kunnen onderscheiden. Bepaal het kleinste aantal bits N.

VFSR = 1 Vresolutie = 10 mV
N =
6.Data-acquisitie en bemonsteringMoeilijk
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​PTb​11·Tb​9600 Bd, 8E1

Een 12-bits ADC stuurt elke sample via een UART met 9600 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 = 9600 BdN = 128E1
fmax = Hz
7.Brug van Wheatstone en rekstrookjesGemiddeld
+−9 VR1​ = 20 ΩR2​ = 50 ΩR3​ = 120 ΩR4​ = 50 Ωab+−Rth​ = ?

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

Vs = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 50 ΩR3 = 120 ΩR4 = 50 Ω
Rth = Ω
8.Brug van Wheatstone en rekstrookjesMoeilijk
+−12 V1000 Ω − ΔR1000 Ω + ΔR1000 Ω + ΔR1000 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

Een weegcel (een volle brug van rekstrookjes) heeft een nominale uitgang van 1,5 mV/V bij zijn nominale belasting van 200 kg. Hij wordt bekrachtigd met 12 V. Bepaal zijn uitgang Vo bij een belasting van 160 kg.

1,5 mV/VFrated = 200 kgVs = 12 VF = 160 kg
Vo = mV
9.Stationaire fout en PID-regelingGemiddeld
r(t) = 10t+Ks(s + 2)C(s)−

Een lus met eenheidsterugkoppeling met G(s) = K/(s(s + 2)) moet de helling r(t) = 10t volgen met een stationaire fout van 0,01. Bepaal de versterking K.

G(s) = K/(s(s + 2))r(t) = 10tess = 0,01
K =
10.Stationaire fout en PID-regelingMoeilijk
R(s)+K1s(s + 2)C(s)−

Een proportionele regelaar K stuurt het proces G(s) = 1/(s(s + 2)) aan in een lus met eenheidsterugkoppeling. Bepaal de versterking K waarmee de gesloten lus een dempingsverhouding ζ = 0,5 krijgt.

G(s) = 1/(s(s + 2))ζ = 0,5
K =
11.StapresponsieGemiddeld
t (s)y(t)3

Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 291/(s² + 14s + 97) en krijgt een eenheidsstap als ingang. Bepaal de eigenfrequentie ωn in rad/s.

G(s) = 291/(s² + 14s + 97)
ωn = rad/s
12.StapresponsieMoeilijk
R(s)+300s(s + 4)G(s)C(s)−

Een lus met negatieve eenheidsterugkoppeling heeft G(s) = 300/(s(s + 4)). Bepaal de 2%-insteltijd ts van de stapresponsie van de gesloten lus, met ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 300/(s(s + 4))
ts = s

3Oplossingen

1.Gelijkstroommotoren

Antwoord: n0 = 1910 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.

Onbelast toerental

ω₀ = V/k = 120/0,6 = 200 rad/s
n0 = 60·200/(2π) = 1910 rpm

Antwoord

n0 = 1910 rpm
2.Gelijkstroommotoren

Antwoord: V = 33,42 V

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.

Tegen-EMK

E = 0,75·41,89 = 31,42 V

Ankerstroom

Ia = 1,5/0,75 = 2 A

Ankerspanning

V = 31,42 + 2·1 = 33,42 V

Antwoord

V = 33,42 V
3.Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Antwoord: P = 5,655 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 = 18,85 m/s

Vermogen

P = (600 − 300)·18,85 = 5655 W = 5,655 kW

Antwoord

P = 5,655 kW
4.Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Antwoord: nout = 100 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 = 1500·20/72 = 416,7 rpm = nC

Tweede trap

nout = 416,7·12/50 = 100 rpm

Antwoord

nout = 100 rpm

totale overbrengingsverhouding = 15 : 1

5.Data-acquisitie en bemonstering

Antwoord: N = 7

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

1000 mV/10 mV = 100

Bits

log₂(100) = 6,644
26 = 64 < 100 ≤ 27 = 128
N = 7

Antwoord

N = 7
6.Data-acquisitie en bemonstering

Antwoord: fmax = 218,2 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 = 9600/22 = 436,4 Hz

Nyquistgrens

fmax = 436,4/2 = 218,2 Hz

Antwoord

fmax = 218,2 Hz
7.Brug van Wheatstone en rekstrookjes

Antwoord: Rth = 49,58 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 = 20·50/70 = 14,29 Ω
R₃∥R₄ = 120·50/170 = 35,29 Ω

Thévenin-weerstand

Rth = 49,58 Ω

Antwoord

Rth = 49,58 Ω
8.Brug van Wheatstone en rekstrookjes

Antwoord: Vo = 14,4 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.

Uitgang bij volle schaal

1,5·12 = 18 mV

Uitgang bij deze belasting

Vo = 18·160/200 = 14,4 mV

Antwoord

Vo = 14,4 mV
9.Stationaire fout en PID-regeling

Antwoord: K = 2000

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.

Vereiste snelheidsconstante

Kv = A/ess = 10/0,01 = 1000

Versterking

K = 2·Kv = 2000

Antwoord

K = 2000

Een grote versterking maakt deze lus zeer licht gedempt: ζ = 0,02236. Dat conflict is de reden dat compensatoren worden gebruikt.

10.Stationaire fout en PID-regeling

Antwoord: K = 4

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 + 2) + 1K = s² + 2s + 1K

Eigenfrequentie

2·0,5·ωₙ = 2 → ωₙ = 2 rad/s

Versterking

1K = ωₙ² = 4 → K = 4

Antwoord

K = 4
11.Stapresponsie

Antwoord: ωn = 9,849 rad/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).

Vergelijk met de standaardvorm

De noemer moet overeenkomen met s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 97 → ωₙ = 9,849 rad/s
2ζωₙ = 14 → ζ = 14/(2·9,849) = 0,7107

Resultaat

ωₙ = 9,849 rad/s

Antwoord

ωn = 9,849 rad/s
12.Stapresponsie

Antwoord: ts = 2 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).

Gesloten-lusoverdrachtsfunctie

T(s) = 300/(s² + 4s + 300): ωₙ = 17,32 rad/s, ζ = 0,1155

Insteltijd

ζωₙ = 4/2 = 2
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 2 s

Antwoord

ts = 2 s

Voor deze lus is ζωₙ = a/2 welke K ook is: een hogere K geeft meer overshoot maar verkort de insteltijd niet.

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems