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)6,4 N·mn0​n = ?

Een gelijkstroommotor (k = 0,8 N·m/A, Ra = 1,2 Ω) draait op 110 V en drijft een lastkoppel van 6,4 N·m aan. Bepaal zijn toerental n in rpm.

V = 110 Vk = 0,8 N·m/ARa = 1,2 ΩT = 6,4 N·m
n = rpm
2.GelijkstroommotorenMoeilijk
+−48 VRa​ = 3 ΩM+−EωT

Een kleine gelijkstroommotor heeft een ankerweerstand van 3 Ω en draait op 48 V. Bepaal het grootste mechanische vermogen Pmax dat hij bij enig toerental kan ontwikkelen, als je rotatieverliezen verwaarloost.

V = 48 VRa = 3 Ω
Pmax = W
3.Tandwielen en tandwieloverbrengingenGemiddeld
N1​ = ?N2​

Twee evenwijdige assen liggen 90 mm uit elkaar. Ze moeten worden verbonden met een paar rechte tandwielen met een module van 4 mm en een vertraging van 2 : 1. Hoeveel tanden N1 moet het rondsel hebben?

a = 90 mmm = 4 mmi = 2
N1 =
4.Tandwielen en tandwieloverbrengingenMoeilijk
d1​ = 100 mmd2​ = 300 mm720 rpmC = 800 mmθ = ?

Een open riem verbindt een schijf van 100 mm en een schijf van 300 mm waarvan de hartafstand 800 mm is. Bepaal de omspanningshoek θ op de kleinere schijf, in graden.

d1 = 100 mmd2 = 300 mmC = 800 mm
θ = °
5.Data-acquisitie en bemonsteringGemiddeld
Vin​N = 8VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Bepaal de ideale signaal-kwantisatieruisverhouding SQNR van een 8-bits ADC voor een sinus met volle uitsturing.

N = 8
SQNR = dB
6.Data-acquisitie en bemonsteringMoeilijk
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​1/fbaud​20 MHz / (16·D)

Een microcontroller met een klok van 20 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 4800 baud. Bepaal de procentuele fout van de werkelijke baudrate (positief als hij te snel is).

fclk = 20 MHzdoel = 4800 Bd
e = %
7.Brug van Wheatstone en rekstrookjesGemiddeld
+−10 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−Vab​ = ?

Een brug heeft vier armen van 350 Ω en Vs = 10 V. De sensor R₂ neemt toe met ΔR = 0,35 Ω. Bepaal met de benadering voor kleine veranderingen de uitgang Vab in mV.

Vs = 10 VR = 350 ΩΔR = 0,35 Ω
Vab = mV
8.Brug van Wheatstone en rekstrookjesMoeilijk
+−5 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−2,625 mV

Een rekstrookje (GF = 2,1) op een constructiedeel met E = 110 GPa vormt een kwartbrug die wordt bekrachtigd met 5 V. De uitgang geeft 2,625 mV. Bepaal de axiale spanning σ in MPa.

Vs = 5 VGF = 2,1Vo = 2,625 mVE = 110 GPa
σ = MPa
9.Stationaire fout en PID-regelingGemiddeld
R(s)+K = 412s + 1C(s)−

Een proces G(s) = 1/(2s + 1) wordt geregeld met een proportionele versterking K = 4 in een lus met eenheidsterugkoppeling. Bepaal de stationaire fout ess voor een stap, als percentage van de stapgrootte.

G(s) = 1/(2s + 1)K = 4
ess = %
10.Stationaire fout en PID-regelingMoeilijk
R(s)+K = 402s(s + 8)C(s)−

Een proportionele regelaar K = 40 stuurt het proces G(s) = 2/(s(s + 8)) aan in een lus met eenheidsterugkoppeling. Bepaal de 2%-insteltijd ts van de stapresponsie, met ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 2/(s(s + 8))K = 40
ts = s
11.StapresponsieGemiddeld
t (s)y(t)2tp​ = ?

Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 188/(s² + 5s + 94) en krijgt een eenheidsstap als ingang. Bepaal de piektijd tp van de stapresponsie.

G(s) = 188/(s² + 5s + 94)
tp = s
12.StapresponsieMoeilijk
t (s)y(t)1tp​ = 0,2 s10 %

De stapresponsie van een tweede-ordesysteem zonder nullen toont 10 % overshoot, en de eerste piek treedt op bij t = 0,2 s. Bepaal de eigenfrequentie ωn.

%OS = 10 %tp = 0,2 s
ωn = rad/s

3Oplossingen

1.Gelijkstroommotoren

Antwoord: n = 1198 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.

Ankerstroom

Ia = T/k = 6,4/0,8 = 8 A

Tegen-EMK en toerental

E = 110 − 8·1,2 = 100,4 V
ω = E/k = 125,5 rad/s → n = 1198 rpm

Antwoord

n = 1198 rpm
2.Gelijkstroommotoren

Antwoord: Pmax = 192 W

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.

Vermogen als functie van de tegen-EMK

P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 24 V

Maximaal vermogen

Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 48²/(4·3) = 192 W

Antwoord

Pmax = 192 W

Op dit punt is het rendement slechts 50 %, dus echte motoren draaien ruim boven het halve toerental.

3.Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Antwoord: N1 = 15

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 = 2·90/4 = 45

Verdeel volgens de verhouding

N1 = 45/(1 + 2) = 15

Antwoord

N1 = 15
4.Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Antwoord: θ = 165,6 °

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(0,125) = 7,181°

Omspanningshoek

θ = 180 − 2·7,181 = 165,6°

Antwoord

θ = 165,6°
5.Data-acquisitie en bemonstering

Antwoord: SQNR = 49,92 dB

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.

Ideale SQNR

SQNR = 6,02·8 + 1,76 = 49,92 dB

Antwoord

SQNR = 49,92 dB
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 = 20·10⁶/(16·4800) = 260,4 → 260

Werkelijke baudrate

20·10⁶/(16·260) = 4808 Bd

Fout

(4808 − 4800)/4800·100 = 0,1603 %

Antwoord

e = 0,1603 %

Een fout onder ongeveer 2 % is meestal acceptabel.

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 = 0,35/350 = 0,001

Gelineariseerde uitgang

Vab ≈ 10·0,001/4 = 2,5 mV

Antwoord

Vab = 2,5 mV

De exacte waarde is 2,499 mV; de benadering is goed zolang ΔR/R klein is.

8.Brug van Wheatstone en rekstrookjes

Antwoord: σ = 110 MPa

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.

Rek

ε = 4·0,002625/(5·2,1) = 0,001

Spanning

σ = 110·10³ MPa·0,001 = 110 MPa

Antwoord

σ = 110 MPa
9.Stationaire fout en PID-regeling

Antwoord: ess = 20 %

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 = 4·1 = 4

Stapfout

ess = 100/(1 + 4) = 20 %

Antwoord

ess = 20 %
10.Stationaire fout en PID-regeling

Antwoord: ts = 1 s

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 + 8) + 40·2 = s² + 8s + 80

ωₙ en ζ

ωₙ = √80 = 8,944 rad/s
ζ = 8/(2·8,944) = 0,4472

Insteltijd

ζωₙ = 8/2 = 4
ts ≈ 4/4 = 1 s

Antwoord

ts = 1 s

De insteltijd hangt hier niet af van K: een grotere K laat de respons alleen sneller oscilleren.

11.Stapresponsie

Antwoord: tp = 0,3354 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 = 94 → ωₙ = 9,695 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·9,695) = 0,2579

Resultaat

ωd = 9,695·√(1 − 0,2579²) = 9,367 rad/s → tp = π/ωd = 0,3354 s

Antwoord

tp = 0,3354 s
12.Stapresponsie

Antwoord: ωn = 19,48 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).

Dempingsverhouding

ζ = −ln(0,1)/√(π² + ln²(0,1)) = 2,303/√(9,87 + 5,302) = 0,5912

Eigenfrequentie

ωd = π/tp = π/0,2 = 15,71 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 15,71/0,8066 = 19,48 rad/s

Antwoord

ωn = 19,48 rad/s

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems