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)1,25 N·mn0​n = ?

Een gelijkstroommotor (k = 0,25 N·m/A, Ra = 0,5 Ω) draait op 24 V en drijft een lastkoppel van 1,25 N·m aan. Bepaal zijn toerental n in rpm.

V = 24 Vk = 0,25 N·m/ARa = 0,5 ΩT = 1,25 N·m
n = rpm
2.GelijkstroommotorenMoeilijk
+−48 VRa​ = 0,5 ΩM+−En = ?T = 1,6 N·m

Een separaat bekrachtigde gelijkstroommotor (k = 0,2 V·s/rad bij vol veld, Ra = 0,5 Ω, V = 48 V) drijft een constant lastkoppel van 1,6 N·m aan. De veldflux wordt verlaagd tot 90 % van de volle waarde. Bepaal het nieuwe toerental n.

V = 48 Vk = 0,2 V·s/radRa = 0,5 ΩT = 1,6 N·mΦ = 90 %
n = rpm
3.Tandwielen en tandwieloverbrengingenGemiddeld
N1​ = 15N2​ = 20

Een motor van 15 kW die met 1450 rpm draait, drijft een rondsel met 15 tanden aan, dat ingrijpt in een tandwiel met 20 tanden. Het tandwielpaar heeft een rendement van 97%. Bereken het uitgaande koppel T2 op de as van het tandwiel.

P = 15 kWn1 = 1450 rpmN1 = 15N2 = 20η = 97%
T2 = N·m
4.Tandwielen en tandwieloverbrengingenMoeilijk
A = 40B = 72C = 20D = 24

In een meertraps tandwieloverbrenging drijft tandwiel A (40 tanden) op de ingaande as, die met 3000 rpm draait, tandwiel B (72 tanden) aan. Tandwiel C (20 tanden) zit vast op dezelfde as als B en drijft tandwiel D (24 tanden) op de uitgaande as aan. Bereken het uitgaande toerental nout.

nin = 3000 rpmA = 40B = 72C = 20D = 24
nout = rpm
5.Data-acquisitie en bemonsteringGemiddeld
Vin​N = ?2,5 V2ᴺ − 10≤ 0,5 mV

Een ADC met een ingangsbereik van 0 tot 2,5 V moet stappen van 0,5 mV of kleiner kunnen onderscheiden. Bepaal het kleinste aantal bits N.

VFSR = 2,5 Vresolutie = 0,5 mV
N =
6.Data-acquisitie en bemonsteringMoeilijk
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​1/fbaud​12 MHz / (16·D)

Een microcontroller met een klok van 12 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 9600 baud. Bepaal de procentuele fout van de werkelijke baudrate (positief als hij te snel is).

fclk = 12 MHzdoel = 9600 Bd
e = %
7.Brug van Wheatstone en rekstrookjesGemiddeld
+−3 V470 Ω470 Ω + ΔR470 Ω470 Ωab+−Vab​ = ?

Een brug heeft vier armen van 470 Ω en Vs = 3 V. De sensor R₂ neemt toe met ΔR = 2,35 Ω. Bepaal met de benadering voor kleine veranderingen de uitgang Vab in mV.

Vs = 3 VR = 470 ΩΔR = 2,35 Ω
Vab = mV
8.Brug van Wheatstone en rekstrookjesMoeilijk
+−5 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vo​

Een kwartbrug (één actief rekstrookje, GF = 2) wordt bekrachtigd met 5 V. De grootste te meten rek is 1500 µε, en die moet 2,5 V geven aan de ingang van een analoog-digitaalomzetter. Bepaal de versterking G van de versterker.

Vs = 5 VGF = 2εmax = 1500 µεVFS = 2,5 V
G =
9.Stationaire fout en PID-regelingGemiddeld
R(s)+K(s + 2)(s + 10)C(s)−

Een lus met eenheidsterugkoppeling heeft G(s) = K/((s + 2)(s + 10)). Bepaal de versterking K die een stationaire fout van 10 % geeft voor een stapingang.

G(s) = K/((s + 2)(s + 10))ess = 10 %
K =
10.Stationaire fout en PID-regelingMoeilijk
R(s)+K = 81s(s + 4)C(s)−

Een proportionele regelaar K = 8 stuurt het proces G(s) = 1/(s(s + 4)) aan in een lus met eenheidsterugkoppeling. Bepaal de piektijd tp van de stapresponsie.

G(s) = 1/(s(s + 4))K = 8
tp = s
11.StapresponsieGemiddeld
t (s)y(t)2ts​ = ?

Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 50/(s² + 2s + 25) en krijgt een eenheidsstap als ingang. Bepaal de 2%-insteltijd ts van de stapresponsie, met ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 50/(s² + 2s + 25)
ts = s
12.StapresponsieMoeilijk
+−5 VR = 4 ΩL = 10 mHC = 22 µFvC​

Een serie-RLC-schakeling met R = 4 Ω, L = 10 mH en C = 22 µF wordt op t = 0 aangesloten op een stap van 5 V. De condensator is ongeladen en er loopt voor de stap geen stroom. Bepaal de ongedempte eigenfrequentie ωn in rad/s.

R = 4 ΩL = 10 mHC = 22 µFV = 5 V
ωn = rad/s

3Oplossingen

1.Gelijkstroommotoren

Antwoord: n = 821,2 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 = 1,25/0,25 = 5 A

Tegen-EMK en toerental

E = 24 − 5·0,5 = 21,5 V
ω = E/k = 86 rad/s → n = 821,2 rpm

Antwoord

n = 821,2 rpm
2.Gelijkstroommotoren

Antwoord: n = 2311 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.

Verzwakte motorconstante

k₂ = 0,9·0,2 = 0,18 V·s/rad

Nieuwe ankerstroom

Ia = 1,6/0,18 = 8,889 A

Nieuw toerental

ω = (48 − 8,889·0,5)/0,18 = 242 rad/s → n = 2311 rpm

Antwoord

n = 2311 rpm

Zo draait een gelijkstroomaandrijving boven zijn basistoerental: door veldverzwakking.

3.Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Antwoord: T2 = 127,8 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 15000/151,8 = 98,79 N·m

Uitgaand koppel

T2 = 98,79·20/15·0,97 = 127,8 N·m

Antwoord

T2 = 127,8 N·m
4.Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Antwoord: nout = 1389 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 = 3000·40/72 = 1667 rpm = nC

Tweede trap

nout = 1667·20/24 = 1389 rpm

Antwoord

nout = 1389 rpm

totale overbrengingsverhouding = 2,16 : 1

5.Data-acquisitie en bemonstering

Antwoord: N = 13

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

2500 mV/0,5 mV = 5000

Bits

log₂(5000) = 12,29
212 = 4096 < 5000 ≤ 213 = 8192
N = 13

Antwoord

N = 13
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 = 12·10⁶/(16·9600) = 78,13 → 78

Werkelijke baudrate

12·10⁶/(16·78) = 9615 Bd

Fout

(9615 − 9600)/9600·100 = 0,1603 %

Antwoord

e = 0,1603 %

Een fout onder ongeveer 2 % is meestal acceptabel.

7.Brug van Wheatstone en rekstrookjes

Antwoord: Vab = 3,75 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 = 2,35/470 = 0,005

Gelineariseerde uitgang

Vab ≈ 3·0,005/4 = 3,75 mV

Antwoord

Vab = 3,75 mV

De exacte waarde is 3,741 mV; de benadering is goed zolang ΔR/R klein is.

8.Brug van Wheatstone en rekstrookjes

Antwoord: G = 666,7

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 = 3,75 mV

Versterking

G = 2,5/0,00375 = 666,7

Antwoord

G = 666,7
9.Stationaire fout en PID-regeling

Antwoord: K = 180

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 foutconstante

1/(1 + Kp) = 0,1 → Kp = 9

Versterking

K/20 = 9 → K = 180

Antwoord

K = 180

Controleer ook de stabiliteit van de gesloten lus: voor deze tweedegraads lus is elke K > 0 stabiel.

10.Stationaire fout en PID-regeling

Antwoord: tp = 1,571 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 + 4) + 8·1 = s² + 4s + 8

ωₙ en ζ

ωₙ = √8 = 2,828 rad/s
ζ = 4/(2·2,828) = 0,7071

Piektijd

ωd = 2,828·√(1 − 0,7071²) = 2 rad/s
tp = π/2 = 1,571 s

Antwoord

tp = 1,571 s
11.Stapresponsie

Antwoord: ts = 4 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 = 25 → ωₙ = 5 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·5) = 0,2

Resultaat

ζωₙ = 1 → ts ≈ 4/1 = 4 s

Antwoord

ts = 4 s
12.Stapresponsie

Antwoord: ωn = 2132 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).

Eigenfrequentie en dempingsfactor

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·2,2 × 10⁻⁵) = 2132 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (4/2)·√(2,2 × 10⁻⁵/0,01) = 0,09381

Resultaat

ωₙ = 2132 rad/s

Antwoord

ωn = 2132 rad/s

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems