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 = 0,12 V·s/rad draait op 24 V. Bepaal zijn onbelaste toerental n0 in rpm, als je alle verliezen bij nullast verwaarloost.

V = 24 Vk = 0,12 V·s/rad
n0 = rpm
2.GelijkstroommotorenMoeilijk
+−220 VD = ?Ra​ = 0,8 ΩM+−En = 500 rpmT = 1 N·m

Een gelijkstroomchopper voedt een motor (k = 0,2 V·s/rad, Ra = 0,8 Ω) uit een gelijkspanningsbus van 220 V. De gemiddelde ankerspanning is D·220 V. Bepaal de duty cycle D waarmee de motor draait op 500 rpm bij een last van 1 N·m.

Vdc = 220 Vk = 0,2 V·s/radRa = 0,8 ΩT = 1 N·mn = 500 rpm
D = %
3.Tandwielen en tandwieloverbrengingenGemiddeld
d1​ = 100 mmd2​ = 400 mm960 rpmn2​ = ?

Een schijf van 100 mm met 960 rpm drijft via een riem met 3 % slip een schijf van 400 mm aan. Bepaal het toerental n2 van de aangedreven schijf.

n1 = 960 rpmd1 = 100 mmd2 = 400 mms = 3 %
n2 = rpm
4.Tandwielen en tandwieloverbrengingenMoeilijk
d1​ = 160 mmd2​ = 300 mm1450 rpmC = 1000 mmT1​ = 1000 NT2​P = ?

Een open riem verbindt een aandrijvende schijf van 160 mm met 1450 rpm met een schijf van 300 mm; de hartafstand is 1000 mm. De wrijvingscoëfficiënt is 0,3 en de spanning in het trekkende deel mag niet meer dan 1000 N zijn. Bepaal het grootste vermogen P dat de riem kan overbrengen zonder te slippen, in kW (verwaarloos centrifugaaleffecten).

d1 = 160 mmn1 = 1450 rpmd2 = 300 mmC = 1000 mmμ = 0,3T1 = 1000 N
P = kW
5.Data-acquisitie en bemonsteringGemiddeld
Vin​N = ?100 mm2ᴺ − 10≤ 0,5 mm

Een sensor meet afstand over een bereik van 100 mm, en zijn uitgang vult het hele ingangsbereik van een ADC. De meting moet 0,5 mm kunnen onderscheiden. Bepaal het kleinste aantal bits N dat de ADC nodig heeft.

bereik = 100 mmresolutie = 0,5 mm
N =
6.Data-acquisitie en bemonsteringMoeilijk
Vin​N = ?VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Een audiometing vraagt een ideale signaal-kwantisatieruisverhouding van minstens 96 dB voor een sinus met volle uitsturing. Bepaal het kleinste aantal ADC-bits N.

SQNR ≥ 96 dB
N =
7.Brug van Wheatstone en rekstrookjesGemiddeld
+−3 V500 Ω500 Ω + ΔR500 Ω500 Ωab+−Vab​ = ?

Een brug heeft vier armen van 500 Ω en Vs = 3 V. De sensor R₂ neemt toe met ΔR = 25 Ω. Bepaal de exacte uitgang Vab in mV.

Vs = 3 VR = 500 ΩΔR = 25 Ω
Vab = mV
8.Brug van Wheatstone en rekstrookjesMoeilijk
+−5 V350 Ω − ΔR350 Ω + ΔR350 Ω + ΔR350 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

Een brug met armen van 350 Ω wordt bekrachtigd met 5 V en heeft vier actieve rekstrookjes, twee op trek en twee op druk (volle brug). De k-factor is 2 en de rek is 1200 µε. Bepaal de uitgang Vo van de brug in mV.

Vs = 5 VGF = 2ε = 1200 µε
Vo = mV
9.Stationaire fout en PID-regelingGemiddeld
R(s)+K = 2045s + 1C(s)−

Een proces G(s) = 4/(5s + 1) wordt geregeld met een proportionele versterking K = 20 in een lus met eenheidsterugkoppeling. Bepaal de stationaire fout ess voor een stap, als percentage van de stapgrootte.

G(s) = 4/(5s + 1)K = 20
ess = %
10.Stationaire fout en PID-regelingMoeilijk
R(s)+K2s(s + 8)C(s)−

Een proportionele regelaar K stuurt het proces G(s) = 2/(s(s + 8)) aan in een lus met eenheidsterugkoppeling. Bepaal de versterking K waarmee de gesloten lus een dempingsverhouding ζ = 0,5 krijgt.

G(s) = 2/(s(s + 8))ζ = 0,5
K =
11.StapresponsieGemiddeld
t (s)y(t)1

Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 42/(s² + 10s + 42) en krijgt een eenheidsstap als ingang. De polen zijn s = σ ± jωd. Bepaal het reële deel σ.

G(s) = 42/(s² + 10s + 42)
σ =
12.StapresponsieMoeilijk
k = 100 N/mc = 11 N·s/mm = 2 kgF = 25 Nx(t)

Een massa m = 2 kg hangt aan een veer k = 100 N/m met een viskeuze demper c = 11 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). In rust in evenwicht wordt plotseling een constante kracht F = 25 N aangelegd. Bepaal de grootste uitwijking xmax in mm.

m = 2 kgk = 100 N/mc = 11 N·s/mF = 25 N
xmax = mm

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 = 24/0,12 = 200 rad/s
n0 = 60·200/(2π) = 1910 rpm

Antwoord

n0 = 1910 rpm
2.Gelijkstroommotoren

Antwoord: D = 6,578 %

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.

Vereiste ankerspanning

Va = 0,2·52,36 + 5·0,8 = 14,47 V

Duty cycle

D = 14,47/220 = 6,578 %

Antwoord

D = 6,578 %
3.Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Antwoord: n2 = 232,8 rpm

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.

Toerental zonder slip

960·100/400 = 240 rpm

Met slip

n2 = 240·0,97 = 232,8 rpm

Antwoord

n2 = 232,8 rpm
4.Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Antwoord: P = 7,211 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.

Omspanningshoek

θ = 3,001 rad

Spanning in het slappe deel

eμθ = e0,9004 = 2,461, T₂ = 1000/2,461 = 406,4 N

Vermogen

P = (1000 − 406,4)·12,15 = 7,211 kW

Antwoord

P = 7,211 kW
5.Data-acquisitie en bemonstering

Antwoord: N = 8

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

100/0,5 = 200

Bits

log₂(200) = 7,644
27 = 128 < 200 ≤ 28 = 256
N = 8

Antwoord

N = 8
6.Data-acquisitie en bemonstering

Antwoord: N = 16

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.

Los op voor N

N ≥ (96 − 1,76)/6,02 = 15,65

Naar boven afronden

N = 16
controle: 6,02·16 + 1,76 = 98,08 dB ≥ 96 dB

Antwoord

N = 16
7.Brug van Wheatstone en rekstrookjes

Antwoord: Vab = 36,59 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 = 3·525/1025 = 1,537 V
Vb = 1,5 V

Output

Vab = 36,59 mV

Antwoord

Vab = 36,59 mV

De lineaire schatting Vs·ΔR/(4R) = 37,5 mV is 2,5 % te hoog: een kwartbrug is niet helemaal lineair.

8.Brug van Wheatstone en rekstrookjes

Antwoord: Vo = 12 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 = 2·1200·10⁻⁶ = 0,0024

Uitgang van de brug

Vo = Vs·GF·ε = 5·0,0024 = 12 mV

Antwoord

Vo = 12 mV
9.Stationaire fout en PID-regeling

Antwoord: ess = 1,235 %

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 = 20·4 = 80

Stapfout

ess = 100/(1 + 80) = 1,235 %

Antwoord

ess = 1,235 %
10.Stationaire fout en PID-regeling

Antwoord: K = 32

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) + 2K = s² + 8s + 2K

Eigenfrequentie

2·0,5·ωₙ = 8 → ωₙ = 8 rad/s

Versterking

2K = ωₙ² = 64 → K = 32

Antwoord

K = 32
11.Stapresponsie

Antwoord: σ = −5

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 = 42 → ωₙ = 6,481 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·6,481) = 0,7715

Resultaat

σ = −ζωₙ = −10/2 = −5

Antwoord

σ = −5
12.Stapresponsie

Antwoord: xmax = 316,4 mm

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) = √(100/2) = 7,071 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 11/(2·√(100·2)) = 0,3889

Resultaat

xst = F/k = 25/100 m = 250 mm
%OS = 26,55 %
xmax = 250·(1 + 0,2655) = 316,4 mm

Antwoord

xmax = 316,4 mm

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems