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
+−120 VRa​ = 1 ΩIa​ = 4 AM+−EωT

Een gelijkstroommotor neemt 4 A op uit een voeding van 120 V. Zijn ankerweerstand is 1 Ω en zijn rotatieverliezen (wrijving, luchtweerstand en ijzer) zijn 28 W. Bepaal zijn rendement η.

V = 120 VIa = 4 ARa = 1 ΩProt = 28 W
η = %
2.GelijkstroommotorenMoeilijk
+−48 VRs​ = ?Ra​ = 0,25 ΩM+−En = 300 rpmT = 0,72 N·m

Een gelijkstroommotor (k = 0,12 V·s/rad, Ra = 0,25 Ω) op een vaste voeding van 48 V drijft een last van 0,72 N·m aan. Bepaal de serieweerstand Rs die hem vertraagt tot 300 rpm.

V = 48 Vk = 0,12 V·s/radRa = 0,25 ΩT = 0,72 N·mn = 300 rpm
Rs = Ω
3.Tandwielen en tandwieloverbrengingenGemiddeld
d1​ = 100 mmd2​ = 500 mm720 rpmT1​ = 800 NT2​ = 240 NP = ?

Een riem loopt op een aandrijvende schijf van 100 mm met 720 rpm. De spanning is 800 N in het trekkende deel en 240 N in het slappe deel. Bepaal het overgebrachte vermogen P, in kW.

d1 = 100 mmn1 = 720 rpmT1 = 800 NT2 = 240 N
P = kW
4.Tandwielen en tandwieloverbrengingenMoeilijk
A = 15B = 20C = 36D = ?

In een samengestelde tandwieloverbrenging draait tandwiel A (15 tanden) op de ingaande as met 960 rpm en drijft tandwiel B (20 tanden) aan. Tandwiel C (36 tanden) zit vast op dezelfde as als B en drijft tandwiel D op de uitgaande as aan. De uitgaande as moet met 576 rpm draaien. Hoeveel tanden ND moet tandwiel D hebben?

nin = 960 rpmA = 15B = 20C = 36nout = 576 rpm
ND =
5.Data-acquisitie en bemonsteringGemiddeld
tTs​ = 1/fs​f = 1,3 kHzfs​ = 2 kHz

Een sinus van 1,3 kHz wordt zonder anti-aliasingfilter bemonsterd met 2 kHz. Bij welke frequentie fa verschijnt hij in de samples? Geef het antwoord in Hz.

f = 1,3 kHzfs = 2 kHz
fa = Hz
6.Data-acquisitie en bemonsteringMoeilijk
f0fs​/2fs​9 kHz3f₁?

Een blokgolf van 9 kHz wordt zonder anti-aliasingfilter bemonsterd met 20 kHz. Een blokgolf bevat de oneven harmonischen 3f₁, 5f₁, 7f₁, … Bij welke frequentie fa verschijnt zijn harmonische 3f₁ in de bemonsterde data? Geef het antwoord in kHz.

f₁ = 9 kHzfs = 20 kHzharmonische: 3f₁
fa = kHz
7.Brug van Wheatstone en rekstrookjesGemiddeld
+−6 V500 Ω500 Ω500 Ω500 Ωab+−

Een rekstrookje van 500 Ω is één arm (R₂) van een brug met vier gelijke armen van 500 Ω en een bekrachtiging van 6 V. Bepaal het vermogen Pg dat in het rekstrookje wordt gedissipeerd, in mW. Zelfopwarming beperkt de bekrachtiging.

Vs = 6 VR = 500 Ω
Pg = mW
8.Brug van Wheatstone en rekstrookjesMoeilijk
+−3 V1000 Ω − ΔR1000 Ω + ΔR1000 Ω + ΔR1000 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

Een brug met armen van 1000 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 200 µε. Bepaal de uitgang Vo van de brug in mV.

Vs = 3 VGF = 2ε = 200 µε
Vo = mV
9.Stationaire fout en PID-regelingGemiddeld
R(s)+K = 1910,5s + 1C(s)−

Een proces G(s) = 1/(0,5s + 1) wordt geregeld met een proportionele versterking K = 19 in een lus met eenheidsterugkoppeling. Bepaal de stationaire fout ess voor een stap, als percentage van de stapgrootte.

G(s) = 1/(0,5s + 1)K = 19
ess = %
10.Stationaire fout en PID-regelingMoeilijk
R(s)+K5s(s + 2)C(s)−

Een proportionele regelaar K stuurt het proces G(s) = 5/(s(s + 2)) aan in een lus met eenheidsterugkoppeling. Bepaal de versterking K waarmee de gesloten lus een dempingsverhouding ζ = 0,4 krijgt.

G(s) = 5/(s(s + 2))ζ = 0,4
K =
11.StapresponsieGemiddeld
t (s)y(t)3tp​ = ?

Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 66/(s² + 5s + 22) en krijgt een eenheidsstap als ingang. Bepaal de piektijd tp van de stapresponsie.

G(s) = 66/(s² + 5s + 22)
tp = s
12.StapresponsieMoeilijk
t (s)y(t)18 %

Een tweede-ordesysteem zonder nullen moet een stapresponsie hebben met 8 % overshoot. Bepaal de dempingsfactor ζ.

%OS = 8 %
ζ =

3Oplossingen

1.Gelijkstroommotoren

Antwoord: η = 90,83 %

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 = 120·4 = 480 W
Pdev = 116·4 = 464 W
Pout = 464 − 28 = 436 W

Rendement

η = 436/480·100 = 90,83 %

Antwoord

η = 90,83 %
2.Gelijkstroommotoren

Antwoord: Rs = 7,122 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 = 0,72/0,12 = 6 A
E = 0,12·31,42 = 3,77 V

Serieweerstand

Ra + Rs = (48 − 3,77)/6 = 7,372 Ω
Rs = 7,122 Ω

Antwoord

Rs = 7,122 Ω

De weerstand verspilt 256,4 W; een chopper regelt het toerental met veel minder verlies.

3.Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Antwoord: P = 2,111 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 = 3,77 m/s

Vermogen

P = (800 − 240)·3,77 = 2111 W = 2,111 kW

Antwoord

P = 2,111 kW
4.Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Antwoord: ND = 45

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

Toerental van de tussenas

nB = nC = 960·15/20 = 720 rpm

Tanden op tandwiel D

ND = C·nC/nout = 36·720/576 = 45

Antwoord

ND = 45
5.Data-acquisitie en bemonstering

Antwoord: fa = 700 Hz

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 = 1 kHz < f = 1,3 kHz

Dichtstbijzijnde veelvoud van de bemonsteringsfrequentie

k = round(1300/2000) = 1

Aliasfrequentie

fa = |1300 − 1·2000| = 700 Hz

Antwoord

fa = 700 Hz

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

6.Data-acquisitie en bemonstering

Antwoord: fa = 7 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.

Frequentie van de harmonische

3f₁ = 3·9 kHz = 27 kHz

Dichtstbijzijnde veelvoud van de bemonsteringsfrequentie

m = round(1,35) = 1

Aliasfrequentie

fa = |27 − 1·20| = 7 kHz

Antwoord

fa = 7 kHz

De alias komt binnen de signaalband terecht, waar geen digitaal filter hem kan verwijderen. Alleen een analoog filter vóór de ADC helpt.

7.Brug van Wheatstone en rekstrookjes

Antwoord: Pg = 18 mW

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.

Spanning over het rekstrookje

V = 6/2 = 3 V

Vermogen

Pg = 3²/500 = 18 mW

Antwoord

Pg = 18 mW
8.Brug van Wheatstone en rekstrookjes

Antwoord: Vo = 1,2 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 = 2·200·10⁻⁶ = 0,0004

Uitgang van de brug

Vo = Vs·GF·ε = 3·0,0004 = 1,2 mV

Antwoord

Vo = 1,2 mV
9.Stationaire fout en PID-regeling

Antwoord: ess = 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.

Positieconstante

Kp = 19·1 = 19

Stapfout

ess = 100/(1 + 19) = 5 %

Antwoord

ess = 5 %
10.Stationaire fout en PID-regeling

Antwoord: K = 1,25

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 + 2) + 5K = s² + 2s + 5K

Eigenfrequentie

2·0,4·ωₙ = 2 → ωₙ = 2,5 rad/s

Versterking

5K = ωₙ² = 6,25 → K = 1,25

Antwoord

K = 1,25
11.Stapresponsie

Antwoord: tp = 0,7916 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 = 22 → ωₙ = 4,69 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·4,69) = 0,533

Resultaat

ωd = 4,69·√(1 − 0,533²) = 3,969 rad/s → tp = π/ωd = 0,7916 s

Antwoord

tp = 0,7916 s
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).

Dempingsverhouding

ζ = −ln(0,08)/√(π² + ln²(0,08)) = 2,526/√(9,87 + 6,379) = 0,6266

Antwoord

ζ = 0,6266

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems