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)Tst​ = ?n0​

Een gelijkstroommotor met k = 2 N·m/A en Ra = 0,4 Ω is aangesloten op 240 V. Bepaal zijn blokkeerkoppel Tstall, het koppel bij toerental nul.

V = 240 Vk = 2 N·m/ARa = 0,4 Ω
Tstall = N·m
2.GelijkstroommotorenMoeilijk
+−120 VRa​ = 4 ΩM+−EωT

Een kleine gelijkstroommotor heeft een ankerweerstand van 4 Ω en draait op 120 V. Bepaal het grootste mechanische vermogen Pmax dat hij bij enig toerental kan ontwikkelen, als je rotatieverliezen verwaarloost.

V = 120 VRa = 4 Ω
Pmax = W
3.Tandwielen en tandwieloverbrengingenGemiddeld
d1​ = 125 mmd2​ = 300 mm1440 rpmT1​ = 1000 NT2​ = 300 NP = ?

Een riem loopt op een aandrijvende schijf van 125 mm met 1440 rpm. De spanning is 1000 N in het trekkende deel en 300 N in het slappe deel. Bepaal het overgebrachte vermogen P, in kW.

d1 = 125 mmn1 = 1440 rpmT1 = 1000 NT2 = 300 N
P = kW
4.Tandwielen en tandwieloverbrengingenMoeilijk
d1​ = 125 mmd2​ = 200 mm720 rpmC = 1000 mmθ = ?

Een open riem verbindt een schijf van 125 mm en een schijf van 200 mm waarvan de hartafstand 1000 mm is. Bepaal de omspanningshoek θ op de kleinere schijf, in graden.

d1 = 125 mmd2 = 200 mmC = 1000 mm
θ = °
5.Data-acquisitie en bemonsteringGemiddeld
Vin​N = 24VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Bepaal de ideale signaal-kwantisatieruisverhouding SQNR van een 24-bits ADC voor een sinus met volle uitsturing.

N = 24
SQNR = dB
6.Data-acquisitie en bemonsteringMoeilijk
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​Tb​10·Tb​57600 Bd, 8N1

Een 24-bits ADC stuurt elke sample via een UART met 57600 baud, formaat 8N1 (startbit, 8 databits, 1 stopbit). Elke sample wordt als 3 hele byte(s) verzonden en de verbinding is voortdurend bezet. Bepaal de hoogste signaalfrequentie fmax die zonder aliasing kan worden bemonsterd, in Hz.

baud = 57600 BdN = 248N1
fmax = Hz
7.Brug van Wheatstone en rekstrookjesGemiddeld
+−5 V470 Ω470 Ω + ΔR470 Ω470 Ωab+−Vab​ = ?

Een brug heeft vier armen van 470 Ω en Vs = 5 V. De sensor R₂ neemt toe met ΔR = 1,175 Ω. Bepaal met de benadering voor kleine veranderingen de uitgang Vab in mV.

Vs = 5 VR = 470 ΩΔR = 1,175 Ω
Vab = mV
8.Brug van Wheatstone en rekstrookjesMoeilijk
+−5 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−Vo​

Een kwartbrug (één actief rekstrookje, GF = 2,1) wordt bekrachtigd met 5 V. De grootste te meten rek is 750 µε, en die moet 5 V geven aan de ingang van een analoog-digitaalomzetter. Bepaal de versterking G van de versterker.

Vs = 5 VGF = 2,1εmax = 750 µεVFS = 5 V
G =
9.Stationaire fout en PID-regelingGemiddeld
r(t) = 1t+20s(s + 2)(s + 5)C(s)−

Een helling r(t) = 1t wordt aangelegd op een lus met eenheidsterugkoppeling met G(s) = 20/(s(s + 2)(s + 5)). Bepaal de stationaire fout ess.

G(s) = 20/(s(s + 2)(s + 5))r(t) = 1t
ess =
10.Stationaire fout en PID-regelingMoeilijk
R(s)+K1s(s + 4)C(s)−

Een proportionele regelaar K stuurt het proces G(s) = 1/(s(s + 4)) aan in een lus met eenheidsterugkoppeling. Bepaal de versterking K waarmee de gesloten lus een dempingsverhouding ζ = 0,8 krijgt.

G(s) = 1/(s(s + 4))ζ = 0,8
K =
11.StapresponsieGemiddeld
t (s)y(t)2?

Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 42/(s² + 4s + 21) en krijgt een eenheidsstap als ingang. Bepaal de procentuele overshoot %OS van de stapresponsie.

G(s) = 42/(s² + 4s + 21)
%OS = %
12.StapresponsieMoeilijk
k = 800 N/mc = 48 N·s/mm = 2 kgF = 20 Nx(t)

Een massa m = 2 kg hangt aan een veer k = 800 N/m met een viskeuze demper c = 48 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). In rust in evenwicht wordt plotseling een constante kracht F = 20 N aangelegd. Bepaal de procentuele overshoot %OS van de uitwijking.

m = 2 kgk = 800 N/mc = 48 N·s/mF = 20 N
%OS = %

3Oplossingen

1.Gelijkstroommotoren

Antwoord: Tstall = 1200 N·m

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.

Blokkeerstroom

Ia = V/Ra = 240/0,4 = 600 A

Blokkeerkoppel

Tstall = 2·600 = 1200 N·m

Antwoord

Tstall = 1200 N·m
2.Gelijkstroommotoren

Antwoord: Pmax = 900 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 = 60 V

Maximaal vermogen

Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 120²/(4·4) = 900 W

Antwoord

Pmax = 900 W

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

3.Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Antwoord: P = 6,597 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 = 9,425 m/s

Vermogen

P = (1000 − 300)·9,425 = 6597 W = 6,597 kW

Antwoord

P = 6,597 kW
4.Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Antwoord: θ = 175,7 °

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(0,0375) = 2,149°

Omspanningshoek

θ = 180 − 2·2,149 = 175,7°

Antwoord

θ = 175,7°
5.Data-acquisitie en bemonstering

Antwoord: SQNR = 146,2 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 = 6,02·24 + 1,76 = 146,2 dB

Antwoord

SQNR = 146,2 dB
6.Data-acquisitie en bemonstering

Antwoord: fmax = 960 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

3·10 = 30 bit

Hoogste bemonsteringsfrequentie

fs,max = 57600/30 = 1920 Hz

Nyquistgrens

fmax = 1920/2 = 960 Hz

Antwoord

fmax = 960 Hz
7.Brug van Wheatstone en rekstrookjes

Antwoord: Vab = 3,125 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 = 1,175/470 = 0,0025

Gelineariseerde uitgang

Vab ≈ 5·0,0025/4 = 3,125 mV

Antwoord

Vab = 3,125 mV

De exacte waarde is 3,121 mV; de benadering is goed zolang ΔR/R klein is.

8.Brug van Wheatstone en rekstrookjes

Antwoord: G = 2540

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 van de brug bij volle schaal

Vo = 1,969 mV

Versterking

G = 5/0,001969 = 2540

Antwoord

G = 2540
9.Stationaire fout en PID-regeling

Antwoord: ess = 0,5

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.

Snelheidsconstante

Kv = lim s·G(s) = 2

Hellingsfout

ess = 1/2 = 0,5

Antwoord

ess = 0,5
10.Stationaire fout en PID-regeling

Antwoord: K = 6,25

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 + 4) + 1K = s² + 4s + 1K

Eigenfrequentie

2·0,8·ωₙ = 4 → ωₙ = 2,5 rad/s

Versterking

1K = ωₙ² = 6,25 → K = 6,25

Antwoord

K = 6,25
11.Stapresponsie

Antwoord: %OS = 21,79 %

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 = 21 → ωₙ = 4,583 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·4,583) = 0,4364

Resultaat

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,524 = 21,79 %

Antwoord

%OS = 21,79 %
12.Stapresponsie

Antwoord: %OS = 9,478 %

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).

Eigenfrequentie en dempingsfactor

ωₙ = √(k/m) = √(800/2) = 20 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 48/(2·√(800·2)) = 0,6

Resultaat

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 9,478 %

Antwoord

%OS = 9,478 %

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems