W oknie drukowania wybierz „Zapisz jako PDF”, aby zachować kopię na swoim urządzeniu.
1Wzory i metody
Silniki prądu stałego
Obwód twornika
V = E + IaRa
Siła przeciwelektromotoryczna i moment
E = k·ω, T = k·Ia
Prędkość
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Prędkość biegu jałowego i moment utyku
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Moce
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Rozruch
Istart = V/(Ra + Rst)
Zmienność prędkości
SR = (n0 − nFL)/nFL
Maksymalna moc wytworzona
Pmax = V²/(4Ra)
Napęd z przerywaczem
Va = D·Vdc
Metoda
Narysuj obwód twornika: napięcie zasilania V, rezystancja Ra i siła przeciwelektromotoryczna E połączone szeregowo.
Użyj V = E + Ia·Ra, aby powiązać napięcie, prąd i siłę przeciwelektromotoryczną.
Użyj E = k·ω dla prędkości i T = k·Ia dla momentu, z ω = 2π·n/60.
Dla mocy i sprawności zacznij od V·Ia, odejmij straty w miedzi Ia²·Ra, a potem straty mechaniczne.
Koła i przekładnie zębate
Zazębione koła
n1·N1 = n2·N2
Moment skręcający
T2 = T1·(N2/N1)·η
Moc
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Przekładnia wielostopniowa
przełożenie całkowite = iloczyn przełożeń poszczególnych stopni
Akwizycja danych i próbkowanie
Kryterium Nyquista
fs > 2·fmax, fN = fs/2
Częstotliwość aliasu
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
Wielkość kroku
1 LSB = VFSR/2ᴺ
Błąd kwantyzacji (zaokrąglanie)
±½ LSB
Kod ADC przy obcinaniu
D = ⌊Vin/LSB⌋
Liczba bitów dla rozdzielczości r
2ᴺ ≥ span/r
Idealny SQNR, sinusoida o pełnej skali
SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
Szybkość transmisji danych
kanały × fs × N bit/s
Multipleksowany przetwornik ADC
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/baud; 8N1 = 10 bitów na bajt; bajty/s = baud/bity w ramce
Dzielnik szybkości transmisji
baud = fclk/(16·D)
Metoda
Zapisz, co jest dane: częstotliwość próbkowania, częstotliwości sygnałów, liczbę bitów, zakres wejściowy, szybkość transmisji w bodach.
W zadaniach o próbkowaniu porównaj każdą częstotliwość z fs/2; wyższa częstotliwość pojawia się jako fa = |f − k·fs| dla najbliższej wielokrotności fs.
W zadaniach o rozdzielczości wyznacz 1 LSB = VFSR/2ᴺ albo najmniejsze N, dla którego 2ᴺ ≥ zakres/rozdzielczość.
W zadaniach o szybkości danych i łączach UART policz wszystko, co jest wysyłane: kanały, próbki na sekundę, bity lub całe bajty na próbkę oraz bity startu, parzystości i stopu każdej ramki.
Potraktuj mostek jako dwa dzielniki napięcia na tym samym zasilaniu.
Dla równowagi przyjmij R₁/R₂ = R₃/R₄ i wyznacz nieznany rezystor.
Dla mostka niezrównoważonego wyznacz Va i Vb z dzielników i odejmij je; użyj układu zastępczego Thévenina, gdy miernik obciąża wyjście.
Dla tensometrów zamień odkształcenie na ΔR/R = GF·ε i użyj Vs·GF·ε/4, /2 lub ×1 odpowiednio dla ćwierćmostka, półmostka i mostka pełnego.
Uchyb ustalony i regulacja PID
Typ układu
liczba biegunów G(s) w s = 0
Stałe uchybowe
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Skok A
ess = A/(1 + Kp)
Narastanie liniowe A·t
ess = A/Kv
Parabola A·t²/2
ess = A/Ka
Regulator PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Cel drugiego rzędu
s² + 2ζωns + ωn²
Przeregulowanie i czasy
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)
Metoda
Policz bieguny układu otwartego C(s)·G(s) w s = 0: to typ układu.
Wyznacz stałą uchybową pasującą do wejścia: Kp dla skoku, Kv dla narastania liniowego, Ka dla paraboli.
Zastosuj ess = A/(1 + Kp), A/Kv lub A/Ka albo rozwiąż to względem potrzebnego wzmocnienia.
Przy wymaganiu dotyczącym tłumienia lub prędkości zapisz wielomian charakterystyczny układu zamkniętego i porównaj go z s² + 2ζω_n·s + ω_n².
2Zadania do ćwiczenia
1.Silniki prądu stałegoŚredni
Silnik prądu stałego o k = 1,2 N·m/A i Ra = 0,5 Ω jest dołączony do napięcia 220 V. Wyznacz jego moment utyku Tstall, czyli moment przy zerowej prędkości.
V = 220 Vk = 1,2 N·m/ARa = 0,5 Ω
Tstall = N·m
2.Silniki prądu stałegoTrudny
Silnik obcowzbudny na 48 V (Ra = 1,2 Ω) pracuje z prędkością 1500 obr/min przy prądzie twornika 5 A. Obciążenie się zmienia i prąd wynosi 2 A, przy niezmienionym polu. Wyznacz nową prędkość n2.
V = 48 VRa = 1,2 Ωn1 = 1500 rpmIa1 = 5 AIa2 = 2 A
n2 = rpm
3.Koła i przekładnie zębateŚredni
Dwa równoległe wały są oddalone o 54 mm. Mają być połączone parą kół zębatych walcowych o module 1,5 mm i przełożeniu redukującym 2 : 1. Ile zębów N2 musi mieć koło?
a = 54 mmm = 1,5 mmi = 2
N2 =
4.Koła i przekładnie zębateTrudny
W przekładni planetarnej koło słoneczne ma 15 zębów, a każdy satelita 20 zębów. Jarzmo jest unieruchomione, a koło słoneczne napędzane z prędkością 600 rpm. Wyznacz prędkość obrotową nr koła koronowego (wartość bezwzględną).
Ns = 15Np = 20ns = 600 rpm
nr = rpm
5.Akwizycja danych i próbkowanieŚredni
Wyznacz idealny stosunek sygnału do szumu kwantyzacji SQNR 10-bitowego ADC dla sinusoidy o pełnej skali.
N = 10
SQNR = dB
6.Akwizycja danych i próbkowanieTrudny
Pomiar dźwięku wymaga idealnego stosunku sygnału do szumu kwantyzacji co najmniej 100 dB dla sinusoidy o pełnej skali. Wyznacz najmniejszą liczbę bitów ADC N.
SQNR ≥ 100 dB
N =
7.Mostek Wheatstone’a i tensometryŚredni
Mostek ma cztery ramiona 470 Ω i Vs = 6 V. Czujnik R₂ zwiększa się o ΔR = 2,35 Ω. Używając przybliżenia małych zmian, wyznacz napięcie wyjściowe Vab w mV.
Vs = 6 VR = 470 ΩΔR = 2,35 Ω
Vab = mV
8.Mostek Wheatstone’a i tensometryTrudny
Ćwierćmostek (jeden czynny tensometr, GF = 2,1) jest zasilany napięciem 3 V. Największe mierzone odkształcenie wynosi 600 µε i ma dawać 2,5 V na wejściu przetwornika analogowo-cyfrowego. Wyznacz wzmocnienie wzmacniacza G.
Vs = 3 VGF = 2,1εmax = 600 µεVFS = 2,5 V
G =
9.Uchyb ustalony i regulacja PIDŚredni
Na pętlę ze sprzężeniem jednostkowym o G(s) = 4(s + 1)/(s²(s + 10)) podano wejście paraboliczne r(t) = 0,5·t²/2. Wyznacz uchyb ustalony ess.
G(s) = 4(s + 1)/(s²(s + 10))r(t) = 0,5·t²/2
ess =
10.Uchyb ustalony i regulacja PIDTrudny
Regulator proporcjonalny K = 1 steruje obiektem G(s) = 10/(s(s + 5)) w pętli ze sprzężeniem jednostkowym. Znajdź czas szczytu tp odpowiedzi skokowej.
G(s) = 10/(s(s + 5))K = 1
tp = s
11.Odpowiedź skokowaŚredni
Układ ma transmitancję G(s) = 95/(s² + 14s + 95) i otrzymuje jednostkowe wymuszenie skokowe. Znajdź przeregulowanie procentowe %OS odpowiedzi skokowej.
G(s) = 95/(s² + 14s + 95)
%OS = %
12.Odpowiedź skokowaTrudny
Pętla jednostkowego ujemnego sprzężenia zwrotnego ma G(s) = 70/(s(s + 12)). Znajdź 2-procentowy czas ustalania ts odpowiedzi skokowej układu zamkniętego, korzystając z ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 70/(s(s + 12))
ts = s
3Roztwory
1.Silniki prądu stałego
Odpowiedź: Tstall = 528 N·m
Silnik prądu stałego: twornik to rezystancja Ra połączona szeregowo z siłą przeciwelektromotoryczną E, więc V = E + Ia·Ra. Siła przeciwelektromotoryczna rośnie z prędkością, E = k·ω, a moment z prądem, T = k·Ia, przy tej samej stałej silnika k (V·s/rad = N·m/A) w jednostkach SI. Prędkości zamieniaj wzorem ω = 2π·n/60. Moc wytworzona to E·Ia = T·ω; moc wejściowa to V·Ia, a różnicę stanowią straty w miedzi Ia²Ra oraz straty mechaniczne. Prędkość maleje liniowo z momentem, ω = V/k − Ra·T/k², od prędkości biegu jałowego V/k do zera przy momencie utyku k·V/Ra. W spoczynku E = 0, więc prąd rozruchowy V/Ra jest duży, o ile nie ogranicza go rezystor.
Prąd utyku
Ia = V/Ra = 220/0,5 = 440 A
Moment utyku
Tstall = 1,2·440 = 528 N·m
Odpowiedź
Tstall = 528 N·m
2.Silniki prądu stałego
Odpowiedź: n2 = 1629 rpm
Silnik prądu stałego: twornik to rezystancja Ra połączona szeregowo z siłą przeciwelektromotoryczną E, więc V = E + Ia·Ra. Siła przeciwelektromotoryczna rośnie z prędkością, E = k·ω, a moment z prądem, T = k·Ia, przy tej samej stałej silnika k (V·s/rad = N·m/A) w jednostkach SI. Prędkości zamieniaj wzorem ω = 2π·n/60. Moc wytworzona to E·Ia = T·ω; moc wejściowa to V·Ia, a różnicę stanowią straty w miedzi Ia²Ra oraz straty mechaniczne. Prędkość maleje liniowo z momentem, ω = V/k − Ra·T/k², od prędkości biegu jałowego V/k do zera przy momencie utyku k·V/Ra. W spoczynku E = 0, więc prąd rozruchowy V/Ra jest duży, o ile nie ogranicza go rezystor.
Siła przeciwelektromotoryczna przed zmianą i po niej
E1 = 48 − 5·1,2 = 42 V
E2 = 48 − 2·1,2 = 45,6 V
Nowa prędkość
n2 = 1500·45,6/42 = 1629 rpm
Odpowiedź
n2 = 1629 rpm
3.Koła i przekładnie zębate
Odpowiedź: N2 = 48
Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.
Łączna liczba zębów
N1 + N2 = 2a/m = 2·54/1,5 = 72
Podział według przełożenia
N1 = 72/(1 + 2) = 24
N2 = 2·24 = 48
Odpowiedź
N2 = 48
4.Koła i przekładnie zębate
Odpowiedź: nr = 163,6 rpm
Przekładnie planetarne: prędkości koła słonecznego, koronowego i jarzma wiąże wzór Willisa (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns: widziana z jarzma przekładnia jest zwykłą przekładnią z satelitami jako kołami pośredniczącymi. Unieruchomienie jednego członu zamienia ją w reduktor o jednym przełożeniu.
Liczba zębów koła koronowego
Nr = Ns + 2·Np = 15 + 2·20 = 55
Wzór Willisa przy nieruchomym jarzmie
Przy nc = 0 koło słoneczne napędza koło koronowe przez satelity, które działają jak koła pośredniczące.
nr = −ns·Ns/Nr = −600·15/55 = −163,6 rpm
|nr| = 163,6 rpm
Odpowiedź
nr = 163,6 rpm
Koło koronowe obraca się przeciwnie do koła słonecznego.
5.Akwizycja danych i próbkowanie
Odpowiedź: SQNR = 61,96 dB
Rozdzielczość ADC: N-bitowy przetwornik dzieli swój zakres pełnej skali VFSR na 2ᴺ kodów, od 0 do 2ᴺ − 1. Jeden krok to 1 LSB = VFSR/2ᴺ: najmniejsza zmiana, jaką przetwornik potrafi pokazać. ADC z obcinaniem podaje kod ⌊Vin/LSB⌋; ADC z zaokrąglaniem nigdy nie odbiega od prawdziwej wartości o więcej niż ½ LSB, co jest jego błędem kwantyzacji. Każdy dodatkowy bit zmniejsza LSB o połowę i dodaje około 6 dB do idealnego stosunku sygnału do szumu kwantyzacji SQNR = 6,02·N + 1,76 dB dla sinusoidy o pełnej skali. Aby osiągnąć rozdzielczość r na danym zakresie, wybierz najmniejsze N, dla którego 2ᴺ ≥ zakres/r.
Idealny SQNR
SQNR = 6,02·10 + 1,76 = 61,96 dB
Odpowiedź
SQNR = 61,96 dB
6.Akwizycja danych i próbkowanie
Odpowiedź: N = 17
Rozdzielczość ADC: N-bitowy przetwornik dzieli swój zakres pełnej skali VFSR na 2ᴺ kodów, od 0 do 2ᴺ − 1. Jeden krok to 1 LSB = VFSR/2ᴺ: najmniejsza zmiana, jaką przetwornik potrafi pokazać. ADC z obcinaniem podaje kod ⌊Vin/LSB⌋; ADC z zaokrąglaniem nigdy nie odbiega od prawdziwej wartości o więcej niż ½ LSB, co jest jego błędem kwantyzacji. Każdy dodatkowy bit zmniejsza LSB o połowę i dodaje około 6 dB do idealnego stosunku sygnału do szumu kwantyzacji SQNR = 6,02·N + 1,76 dB dla sinusoidy o pełnej skali. Aby osiągnąć rozdzielczość r na danym zakresie, wybierz najmniejsze N, dla którego 2ᴺ ≥ zakres/r.
Rozwiąż względem N
N ≥ (100 − 1,76)/6,02 = 16,32
Zaokrąglij w górę
N = 17
sprawdzenie: 6,02·17 + 1,76 = 104,1 dB ≥ 100 dB
Odpowiedź
N = 17
7.Mostek Wheatstone’a i tensometry
Odpowiedź: Vab = 7,5 mV
Mostek Wheatstone’a: dwa dzielniki napięcia mają wspólne zasilanie Vs. Lewy dzielnik R1–R2 daje Va = Vs·R2/(R1 + R2), a prawy dzielnik R3–R4 daje Vb = Vs·R4/(R3 + R4); wyjściem jest Vab = Va − Vb. Mostek jest zrównoważony (Vab = 0, brak prądu w mierniku), gdy R1/R2 = R3/R4, czyli R1·R4 = R2·R3. Widziany od strony wyjścia mostek jest źródłem Thévenina o Rth = R1∥R2 + R3∥R4.
Zmiana względna
ΔR/R = 2,35/470 = 0,005
Wyjście zlinearyzowane
Vab ≈ 6·0,005/4 = 7,5 mV
Odpowiedź
Vab = 7,5 mV
Dokładna wartość to 7,481 mV; przybliżenie jest dobre, dopóki ΔR/R jest małe.
8.Mostek Wheatstone’a i tensometry
Odpowiedź: G = 2646
Tensometry: tensometr zmienia rezystancję pod wpływem odkształcenia: ΔR/R = GF·ε, gdzie współczynnik czułości GF wynosi około 2 dla tensometrów foliowych metalowych. W mostku, w którym wszystkie ramiona mają rezystancję R, jeden czynny tensometr (ćwierćmostek) daje Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Dwa czynne tensometry o przeciwnych odkształceniach w sąsiednich ramionach (półmostek) dają Vs·GF·ε/2, a cztery (mostek pełny) dają Vs·GF·ε. Naprężenie wynika z prawa Hooke’a, σ = E·ε. Przetworniki tensometryczne podają czułość w mV/V: napięcie wyjściowe przy pełnym obciążeniu na każdy wolt zasilania.
Napięcie wyjściowe mostka przy pełnym zakresie
Vo = 0,945 mV
Wzmocnienie
G = 2,5/0,000945 = 2646
Odpowiedź
G = 2646
9.Uchyb ustalony i regulacja PID
Odpowiedź: ess = 1,25
Uchyb ustalony: w pętli ze sprzężeniem jednostkowym o transmitancji układu otwartego G(s) uchyb wynosi E(s) = R(s)/(1 + G(s)), a z twierdzenia o wartości końcowej ess = lims→0 s·E(s). Typ układu to liczba biegunów G(s) w s = 0. Stałe uchybowe to Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) oraz Ka = lim s²·G(s), wszystkie dla s → 0. Skok o wartości A daje ess = A/(1 + Kp), narastanie liniowe A·t daje A/Kv, a parabola A·t²/2 daje A/Ka. Pętla typu 0 nadąża za skokiem ze skończonym uchybem, pętla typu 1 nadąża za nim dokładnie, a za narastaniem liniowym ze skończonym uchybem.
Stała przyspieszeniowa
Ka = 4·1/10 = 0,4
Uchyb dla paraboli
ess = 0,5/0,4 = 1,25
Odpowiedź
ess = 1,25
10.Uchyb ustalony i regulacja PID
Odpowiedź: tp = 1,622 s
Regulacja P, PI i PID: regulator C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s działa na uchyb. Wzmocnienie proporcjonalne przyspiesza układ i zmniejsza uchyb obiektu typu 0, ale nigdy go nie usuwa. Człon całkujący dodaje biegun w s = 0: typ układu rośnie o jeden, a skok jest śledzony bez uchybu. Człon różniczkujący zwiększa tłumienie. Aby dobrać nastawy, zapisz wielomian charakterystyczny układu zamkniętego i porównaj go z s² + 2ζωns + ωn². Wtedy %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, gdzie ωd = ωn√(1 − ζ²), oraz ts ≈ 4/(ζωn).
Wielomian charakterystyczny
s(s + 5) + 1·10 = s² + 5s + 10
ωₙ i ζ
ωₙ = √10 = 3,162 rad/s
ζ = 5/(2·3,162) = 0,7906
Czas szczytu
ωd = 3,162·√(1 − 0,7906²) = 1,936 rad/s
tp = π/1,936 = 1,622 s
Odpowiedź
tp = 1,622 s
11.Odpowiedź skokowa
Odpowiedź: %OS = 3,907 %
Odpowiedź skokowa: układ pierwszego rzędu G(s) = K/(τs + 1) odpowiada na skok o wielkości U przebiegiem y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): po jednej stałej czasowej τ osiąga 63,2 % wartości końcowej K·U, a po 4τ 98 %. Układ drugiego rzędu G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) ma bieguny s = −ζωₙ ± jωd, gdzie ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Dla 0 < ζ < 1 odpowiedź skokowa ma przeregulowanie: przeregulowanie procentowe %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), czas szczytu tp = π/ωd, a 2-procentowy czas ustalania ts ≈ 4/(ζωₙ). Porównaj mianownik z s² + 2ζωₙs + ωₙ², aby odczytać ωₙ i ζ. Dla układu masa–sprężyna–tłumik ωₙ = √(k/m) i ζ = c/(2√(km)); dla szeregowego obwodu RLC ωₙ = 1/√(LC) i ζ = (R/2)·√(C/L).
Porównaj z postacią standardową
Mianownik musi odpowiadać s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 95 → ωₙ = 9,747 rad/s
2ζωₙ = 14 → ζ = 14/(2·9,747) = 0,7182
Wynik
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−3,242 = 3,907 %
Odpowiedź
%OS = 3,907 %
12.Odpowiedź skokowa
Odpowiedź: ts = 0,6667 s
Odpowiedź skokowa: układ pierwszego rzędu G(s) = K/(τs + 1) odpowiada na skok o wielkości U przebiegiem y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): po jednej stałej czasowej τ osiąga 63,2 % wartości końcowej K·U, a po 4τ 98 %. Układ drugiego rzędu G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) ma bieguny s = −ζωₙ ± jωd, gdzie ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Dla 0 < ζ < 1 odpowiedź skokowa ma przeregulowanie: przeregulowanie procentowe %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), czas szczytu tp = π/ωd, a 2-procentowy czas ustalania ts ≈ 4/(ζωₙ). Porównaj mianownik z s² + 2ζωₙs + ωₙ², aby odczytać ωₙ i ζ. Dla układu masa–sprężyna–tłumik ωₙ = √(k/m) i ζ = c/(2√(km)); dla szeregowego obwodu RLC ωₙ = 1/√(LC) i ζ = (R/2)·√(C/L).