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)9 N·mn0​nFL​

Een gelijkstroommotor (k = 0,6 V·s/rad, Ra = 1,2 Ω) draait op 220 V. Bij vollast neemt hij 15 A op. Bepaal zijn toerentalregeling SR = (n₀ − nFL)/nFL in procent, als je de nullaststroom verwaarloost.

V = 220 Vk = 0,6 V·s/radRa = 1,2 ΩIFL = 15 A
SR = %
2.GelijkstroommotorenMoeilijk
T (N·m)n (rpm)2,4 N·m400 rpm

Een gelijkstroommotor met k = 0,4 V·s/rad en Ra = 1,2 Ω moet een last van 2,4 N·m aandrijven bij 400 rpm. Bepaal de ankerspanning V die hij nodig heeft.

k = 0,4 V·s/radRa = 1,2 ΩT = 2,4 N·mn = 400 rpm
V = V
3.Tandwielen en tandwieloverbrengingenGemiddeld
Tw​ = ?z = 1, 2900 rpm

Een motor van 0,55 kW met 2900 rpm drijft een worm met 1 gang(en) aan. Het wormwiel heeft 30 tanden en de overbrenging heeft een rendement van 50%. Vind het uitgaande koppel Tw op de as van het wiel.

z = 1Nw = 30n = 2900 rpmP = 0,55 kWη = 50%
Tw = N·m
4.Tandwielen en tandwieloverbrengingenMoeilijk
A = 16B = 24C = 18D = 48

Een motor van 1,1 kW met 1440 rpm drijft tandwiel A (16 tanden) aan, dat ingrijpt in tandwiel B (24 tanden). Tandwiel C (18 tanden) op dezelfde as als B drijft tandwiel D (48 tanden) op de uitgaande as aan. Elke tandwielingrijping heeft een rendement van 98%. Vind het uitgaande koppel Tout.

P = 1,1 kWnin = 1440 rpmA = 16B = 24C = 18D = 48ηmesh = 98%
Tout = N·m
5.Data-acquisitie en bemonsteringGemiddeld
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​Tb​11·Tb​2400 Bd, 8N2

Een UART verstuurt bytes met 2400 baud in het formaat 8N2: 8 databits, geen pariteit en 2 stopbit(s), plus de startbit. Bepaal het grootste aantal databytes per seconde dat hij kan overdragen.

baud = 2400 Bd8N2
RB = B/s
6.Data-acquisitie en bemonsteringMoeilijk
Vin​N = ?VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Een audiometing vraagt een ideale signaal-kwantisatieruisverhouding van minstens 90 dB voor een sinus met volle uitsturing. Bepaal het kleinste aantal ADC-bits N.

SQNR ≥ 90 dB
N =
7.Brug van Wheatstone en rekstrookjesGemiddeld
+−9 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vab​ = ?

Een brug heeft vier armen van 120 Ω en Vs = 9 V. De sensor R₂ neemt toe met ΔR = 0,96 Ω. Bepaal met de benadering voor kleine veranderingen de uitgang Vab in mV.

Vs = 9 VR = 120 ΩΔR = 0,96 Ω
Vab = mV
8.Brug van Wheatstone en rekstrookjesMoeilijk
+−5 V120 Ω − ΔR120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vo​ = ?

Een brug met armen van 120 Ω wordt bekrachtigd met 5 V en heeft twee actieve rekstrookjes in naburige armen, één op trek en één op druk (halve brug). De k-factor is 2 en de rek is 400 µε. Bepaal de uitgang Vo van de brug in mV.

Vs = 5 VGF = 2ε = 400 µε
Vo = mV
9.Stationaire fout en PID-regelingGemiddeld
r(t) = 5 + 5t+50s(s + 10)C(s)−

De ingang r(t) = 5 + 5t (een stap plus een helling) wordt aangelegd op een lus met eenheidsterugkoppeling met G(s) = 50/(s(s + 10)). Bepaal de stationaire fout ess.

G(s) = 50/(s(s + 10))r(t) = 5 + 5t
ess =
10.Stationaire fout en PID-regelingMoeilijk
r(t) = 5t+2 + 5/s4(s + 4)(s + 10)C(s)−

Een PI-regelaar C(s) = 2 + 5/s stuurt het proces G(s) = 4/((s + 4)(s + 10)) aan in een lus met eenheidsterugkoppeling. Bepaal de stationaire fout ess voor de hellingsingang r(t) = 5t.

C(s) = 2 + 5/sG(s) = 4/((s + 4)(s + 10))r(t) = 5t
ess =
11.StapresponsieGemiddeld
t (s)y(t)1ts​ = ?

Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 42/(s² + 9s + 42) en krijgt een eenheidsstap als ingang. Bepaal de 2%-insteltijd ts van de stapresponsie, met ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 42/(s² + 9s + 42)
ts = s
12.StapresponsieMoeilijk
t (s)y(t)1tp​ = 0,2 s2 %

De stapresponsie van een tweede-ordesysteem zonder nullen toont 2 % overshoot, en de eerste piek treedt op bij t = 0,2 s. Bepaal de eigenfrequentie ωn.

%OS = 2 %tp = 0,2 s
ωn = rad/s

3Oplossingen

1.Gelijkstroommotoren

Antwoord: SR = 8,911 %

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.

Toerental bij nullast en vollast

n₀ = 60·220/(2π·0,6) = 3501 rpm
nFL = 60·(220 − 15·1,2)/(2π·0,6) = 3215 rpm

Toerentalregeling

SR = (3501 − 3215)/3215·100 = 8,911 %

Antwoord

SR = 8,911 %
2.Gelijkstroommotoren

Antwoord: V = 23,96 V

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.

Tegen-EMK

E = 0,4·41,89 = 16,76 V

Ankerstroom

Ia = 2,4/0,4 = 6 A

Ankerspanning

V = 16,76 + 6·1,2 = 23,96 V

Antwoord

V = 23,96 V
3.Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Antwoord: Tw = 27,17 N·m

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 het wiel

nw = n·z/Nw = 2900·1/30 = 96,67 rpm

Uitgaand koppel

ωw = 2π·96,67/60 = 10,12 rad/s
Tw = η·P/ωw = 0,5·550/10,12 = 27,17 N·m

Antwoord

Tw = 27,17 N·m
4.Tandwielen en tandwieloverbrengingen

Antwoord: Tout = 28,02 N·m

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.

Uitgaand toerental

nout = 1440·(16/24)·(18/48) = 360 rpm
ωout = 2π·360/60 = 37,7 rad/s

Uitgaand vermogen en koppel

Pout = 1100·0,98² = 1056 W
Tout = Pout/ωout = 1056/37,7 = 28,02 N·m

Antwoord

Tout = 28,02 N·m
5.Data-acquisitie en bemonstering

Antwoord: RB = 218,2 B/s

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 frame

1 + 8 + 0 + 2 = 11

Bytesnelheid

2400/11 = 218,2 B/s

Antwoord

RB = 218,2 B/s
6.Data-acquisitie en bemonstering

Antwoord: N = 15

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 ≥ (90 − 1,76)/6,02 = 14,66

Naar boven afronden

N = 15
controle: 6,02·15 + 1,76 = 92,06 dB ≥ 90 dB

Antwoord

N = 15
7.Brug van Wheatstone en rekstrookjes

Antwoord: Vab = 18 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 = 0,96/120 = 0,008

Gelineariseerde uitgang

Vab ≈ 9·0,008/4 = 18 mV

Antwoord

Vab = 18 mV

De exacte waarde is 17,93 mV; de benadering is goed zolang ΔR/R klein is.

8.Brug van Wheatstone en rekstrookjes

Antwoord: Vo = 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 = 2·400·10⁻⁶ = 0,0008

Uitgang van de brug

Vo = Vs·GF·ε/2 = 5·0,0008/2 = 2 mV

Antwoord

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

Antwoord: ess = 1

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) = 5

Stapdeel

Kp = ∞ → estep = 0

Hellingsfout

ess = 5/5 = 1

Antwoord

ess = 1
10.Stationaire fout en PID-regeling

Antwoord: ess = 10

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).

Snelheidsconstante

s·C(s) = 2s + 5 → 5 voor s → 0.

Kv = 5·4/40 = 0,5

Hellingsfout

ess = 5/0,5 = 10

Antwoord

ess = 10

De PI-regelaar neemt de stapfout volledig weg; een helling wordt gevolgd met een constante achterstand.

11.Stapresponsie

Antwoord: ts = 0,8889 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 = 42 → ωₙ = 6,481 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·6,481) = 0,6944

Resultaat

ζωₙ = 4,5 → ts ≈ 4/4,5 = 0,8889 s

Antwoord

ts = 0,8889 s
12.Stapresponsie

Antwoord: ωn = 25,09 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).

Dempingsverhouding

ζ = −ln(0,02)/√(π² + ln²(0,02)) = 3,912/√(9,87 + 15,3) = 0,7797

Eigenfrequentie

ωd = π/tp = π/0,2 = 15,71 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 15,71/0,6261 = 25,09 rad/s

Antwoord

ωn = 25,09 rad/s

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems