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
+−110 VRa​ = 1,5 ΩIa​ = 5 AM+−EωT

Een gelijkstroommotor neemt 5 A op uit een voeding van 110 V. Zijn ankerweerstand is 1,5 Ω en zijn rotatieverliezen (wrijving, luchtweerstand en ijzer) zijn 31 W. Bepaal zijn rendement η.

V = 110 VIa = 5 ARa = 1,5 ΩProt = 31 W
η = %
2.GelijkstroommotorenMoeilijk
+−48 VRs​ = ?Ra​ = 1,2 ΩM+−En = 300 rpmT = 3 N·m

Een gelijkstroommotor (k = 0,75 V·s/rad, Ra = 1,2 Ω) op een vaste voeding van 48 V drijft een last van 3 N·m aan. Bepaal de serieweerstand Rs die hem vertraagt tot 300 rpm.

V = 48 Vk = 0,75 V·s/radRa = 1,2 ΩT = 3 N·mn = 300 rpm
Rs = Ω
3.Tandwielen en tandwieloverbrengingenGemiddeld
N1​ = 25N2​ = 32

Een motor van 1,1 kW die met 960 rpm draait, drijft een rondsel met 25 tanden aan, dat ingrijpt in een tandwiel met 32 tanden. Het tandwielpaar heeft een rendement van 98%. Bereken het uitgaande koppel T2 op de as van het tandwiel.

P = 1,1 kWn1 = 960 rpmN1 = 25N2 = 32η = 98%
T2 = N·m
4.Tandwielen en tandwieloverbrengingenMoeilijk
A = 24B = 36C = 15D = 80

In een meertraps tandwieloverbrenging drijft tandwiel A (24 tanden) op de ingaande as, die met 1450 rpm draait, tandwiel B (36 tanden) aan. Tandwiel C (15 tanden) zit vast op dezelfde as als B en drijft tandwiel D (80 tanden) op de uitgaande as aan. Bereken het uitgaande toerental nout.

nin = 1450 rpmA = 24B = 36C = 15D = 80
nout = rpm
5.Data-acquisitie en bemonsteringGemiddeld
tTs​ = 1/fs​f = 7,5 kHzfs​ = 10 kHz

Een sinus van 7,5 kHz wordt zonder anti-aliasingfilter bemonsterd met 10 kHz. Bij welke frequentie fa verschijnt hij in de samples? Geef het antwoord in kHz.

f = 7,5 kHzfs = 10 kHz
fa = kHz
6.Data-acquisitie en bemonsteringMoeilijk
128⋮8 ch∿01tc​ = 2,5 µstset​ = 0,5 µsfs​ = ?

Een multiplexer met 8 kanalen voedt één ADC. Elke conversie duurt 2,5 µs, en na elke kanaalwissel heeft de ingang 0,5 µs nodig om in te stellen. De kanalen worden om de beurt zonder pauze afgetast. Bepaal de bemonsteringsfrequentie fs van elk kanaal, in kHz.

n = 8tc = 2,5 µstset = 0,5 µs
fs = kHz
7.Brug van Wheatstone en rekstrookjesGemiddeld
+−12 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−Vab​ = ?

Een brug heeft vier armen van 350 Ω en Vs = 12 V. De sensor R₂ neemt toe met ΔR = 17,5 Ω. Bepaal de exacte uitgang Vab in mV.

Vs = 12 VR = 350 ΩΔR = 17,5 Ω
Vab = mV
8.Brug van Wheatstone en rekstrookjesMoeilijk
+−3 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vo​ = ?

Een brug met armen van 120 Ω wordt bekrachtigd met 3 V en heeft één actief rekstrookje (kwartbrug). De k-factor is 2 en de rek is 1500 µε. Bepaal de uitgang Vo van de brug in mV.

Vs = 3 VGF = 2ε = 1500 µε
Vo = mV
9.Stationaire fout en PID-regelingGemiddeld
r(t) = 1t+Ks(s + 10)C(s)−

Een lus met eenheidsterugkoppeling met G(s) = K/(s(s + 10)) moet de helling r(t) = 1t volgen met een stationaire fout van 0,05. Bepaal de versterking K.

G(s) = K/(s(s + 10))r(t) = 1tess = 0,05
K =
10.Stationaire fout en PID-regelingMoeilijk
R(s)+K = 510s(s + 5)C(s)−

Een proportionele regelaar K = 5 stuurt het proces G(s) = 10/(s(s + 5)) aan in een lus met eenheidsterugkoppeling. Bepaal de procentuele overshoot %OS van de stapresponsie.

G(s) = 10/(s(s + 5))K = 5
%OS = %
11.StapresponsieGemiddeld
t (s)y(t)3tp​ = ?

Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 123/(s² + 10s + 41) en krijgt een eenheidsstap als ingang. Bepaal de piektijd tp van de stapresponsie.

G(s) = 123/(s² + 10s + 41)
tp = s
12.StapresponsieMoeilijk
t (s)y(t)115 %

Een tweede-ordesysteem zonder nullen moet een stapresponsie hebben met 15 % overshoot. Bepaal de dempingsfactor ζ.

%OS = 15 %
ζ =

3Oplossingen

1.Gelijkstroommotoren

Antwoord: η = 87,55 %

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 = 110·5 = 550 W
Pdev = 102,5·5 = 512,5 W
Pout = 512,5 − 31 = 481,5 W

Rendement

η = 481,5/550·100 = 87,55 %

Antwoord

η = 87,55 %
2.Gelijkstroommotoren

Antwoord: Rs = 4,91 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.

Stroom en tegen-EMK

Ia = 3/0,75 = 4 A
E = 0,75·31,42 = 23,56 V

Serieweerstand

Ra + Rs = (48 − 23,56)/4 = 6,11 Ω
Rs = 4,91 Ω

Antwoord

Rs = 4,91 Ω

De weerstand verspilt 78,55 W; een chopper regelt het toerental met veel minder verlies.

3.Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Antwoord: T2 = 13,73 N·m

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.

Motorkoppel

ω₁ = 2π·960/60 = 100,5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1100/100,5 = 10,94 N·m

Uitgaand koppel

T2 = 10,94·32/25·0,98 = 13,73 N·m

Antwoord

T2 = 13,73 N·m
4.Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Antwoord: nout = 181,3 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 = 1450·24/36 = 966,7 rpm = nC

Tweede trap

nout = 966,7·15/80 = 181,3 rpm

Antwoord

nout = 181,3 rpm

totale overbrengingsverhouding = 8 : 1

5.Data-acquisitie en bemonstering

Antwoord: fa = 2,5 kHz

Bemonstering: een ADC meet het signaal fs keer per seconde. Volgens het Nyquist–Shannon-theorema wordt een frequentie f alleen correct vastgelegd zolang f < fs/2, de Nyquistfrequentie (vouwfrequentie), dus de bemonsteringsfrequentie moet groter zijn dan twee keer de hoogste signaalfrequentie. Een hogere frequentie gaat niet verloren: ze verschijnt als alias bij fa = |f − k·fs|, met het hele getal k dat het resultaat tussen 0 en fs/2 brengt. De samples kunnen de twee niet uit elkaar houden, dus een analoog anti-aliasingfilter moet alles boven fs/2 verwijderen vóór de ADC.

Nyquistfrequentie

fs/2 = 5 kHz < f = 7,5 kHz

Dichtstbijzijnde veelvoud van de bemonsteringsfrequentie

k = round(7,5/10) = 1

Aliasfrequentie

fa = |7,5 − 1·10| = 2,5 kHz

Antwoord

fa = 2,5 kHz

De gestippelde kromme in de figuur is de alias: ze loopt door precies dezelfde samples.

6.Data-acquisitie en bemonstering

Antwoord: fs = 41,67 kHz

Datasnelheden: elk kanaal levert fs samples per seconde van N bits, dus de ruwe snelheid is kanalen × fs × N bit/s. In het geheugen neemt een sample hele bytes in beslag (een sample van 12 bits wordt in 2 bytes opgeslagen), dus het geheugen voor een opname is kanalen × fs × bytes per sample × tijd. Een gemultiplexte ADC zet de kanalen na elkaar om: elke conversie (inclusief insteltijd) duurt t, dus een ronde van n kanalen duurt n·t en elk kanaal wordt bemonsterd met 1/(n·t).

Tijd per kanaal

2,5 + 0,5 = 3 µs

Tijd per scan

8·3 = 24 µs

Bemonsteringsfrequentie per kanaal

fs = 1/24 µs = 41,67 kHz

Antwoord

fs = 41,67 kHz
7.Brug van Wheatstone en rekstrookjes

Antwoord: Vab = 146,3 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.

Knooppuntspanningen

Va = 12·367,5/717,5 = 6,146 V
Vb = 6 V

Output

Vab = 146,3 mV

Antwoord

Vab = 146,3 mV

De lineaire schatting Vs·ΔR/(4R) = 150 mV is 2,5 % te hoog: een kwartbrug is niet helemaal lineair.

8.Brug van Wheatstone en rekstrookjes

Antwoord: Vo = 2,25 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 = 2·1500·10⁻⁶ = 0,003

Uitgang van de brug

Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 3·0,003/4 = 2,25 mV

Antwoord

Vo = 2,25 mV
9.Stationaire fout en PID-regeling

Antwoord: K = 200

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 = 1/0,05 = 20

Versterking

K = 10·Kv = 200

Antwoord

K = 200

Een grote versterking maakt deze lus zeer licht gedempt: ζ = 0,3536. Dat conflict is de reden dat compensatoren worden gebruikt.

10.Stationaire fout en PID-regeling

Antwoord: %OS = 30,5 %

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 + 5) + 5·10 = s² + 5s + 50

ωₙ en ζ

ωₙ = √50 = 7,071 rad/s
ζ = 5/(2·7,071) = 0,3536

Overshoot

%OS = 100·e−0,3536π/√(1 − 0,3536²) = 30,5 %

Antwoord

%OS = 30,5 %
11.Stapresponsie

Antwoord: tp = 0,7854 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 = 41 → ωₙ = 6,403 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·6,403) = 0,7809

Resultaat

ωd = 6,403·√(1 − 0,7809²) = 4 rad/s → tp = π/ωd = 0,7854 s

Antwoord

tp = 0,7854 s
12.Stapresponsie

Antwoord: ζ = 0,5169

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(0,15)/√(π² + ln²(0,15)) = 1,897/√(9,87 + 3,599) = 0,5169

Antwoord

ζ = 0,5169

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems