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 = 0,75 N·m/A i Ra = 0,8 Ω jest dołączony do napięcia 48 V. Wyznacz jego moment utyku Tstall, czyli moment przy zerowej prędkości.
V = 48 Vk = 0,75 N·m/ARa = 0,8 Ω
Tstall = N·m
2.Silniki prądu stałegoTrudny
Mały silnik prądu stałego ma rezystancję twornika 2 Ω i jest zasilany napięciem 110 V. Pomijając straty mechaniczne, wyznacz największą moc mechaniczną Pmax, jaką może rozwinąć przy dowolnej prędkości.
V = 110 VRa = 2 Ω
Pmax = W
3.Koła i przekładnie zębateŚredni
Silnik o mocy 1,1 kW pracujący z prędkością 1440 rpm napędza zębnik o 30 zębach, który zazębia się z kołem o 45 zębach. Pomiń straty. Wyznacz moment wyjściowy T2 na wale koła.
P = 1,1 kWn1 = 1440 rpmN1 = 30N2 = 45η = 100%
T2 = N·m
4.Koła i przekładnie zębateTrudny
Silnik o mocy 3 kW i prędkości 960 rpm napędza koło A (18 zębów), które współpracuje z kołem B (50 zębów). Koło C (20 zębów) na tym samym wale co B napędza koło D (30 zębów) na wale wyjściowym. Każda para kół ma sprawność 95 %. Wyznacz moment wyjściowy Tout.
10-bitowy ADC o zakresie wejściowym od 0 do 3,3 V obcina: jego kod wyjściowy to ⌊Vin/LSB⌋, gdzie 1 LSB = VFSR/2ᴺ. Wyznacz dziesiętny kod wyjściowy D dla napięcia wejściowego 1,791 V.
N = 10VFSR = 3,3 VVin = 1,791 V
D =
6.Akwizycja danych i próbkowanieTrudny
Mikrokontroler z zegarem 16 MHz ustawia szybkość transmisji UART jako fclk/(16·D), gdzie D jest liczbą całkowitą zaokrągloną do najbliższej wartości. Szybkość docelowa to 19200 bodów. Wyznacz procentowy błąd rzeczywistej szybkości transmisji (dodatni, gdy jest za duża).
fclk = 16 MHzwartość docelowa = 19200 Bd
e = %
7.Mostek Wheatstone’a i tensometryŚredni
Mostek ma cztery ramiona 1000 Ω i Vs = 6 V. Czujnik R₂ zwiększa się o ΔR = 80 Ω. Wyznacz dokładne napięcie wyjściowe Vab w mV.
Vs = 6 VR = 1000 ΩΔR = 80 Ω
Vab = mV
8.Mostek Wheatstone’a i tensometryTrudny
Mostek z ramionami 120 Ω jest zasilany napięciem 3 V i ma cztery czynne tensometry, dwa rozciągane i dwa ściskane (mostek pełny). Współczynnik czułości wynosi 2,05, a odkształcenie 500 µε. Wyznacz napięcie wyjściowe mostka Vo w mV.
Vs = 3 VGF = 2,05ε = 500 µε
Vo = mV
9.Uchyb ustalony i regulacja PIDŚredni
Na pętlę ze sprzężeniem jednostkowym o G(s) = 2(s + 1)/(s²(s + 10)) podano wejście paraboliczne r(t) = 1·t²/2. Wyznacz uchyb ustalony ess.
G(s) = 2(s + 1)/(s²(s + 10))r(t) = 1·t²/2
ess =
10.Uchyb ustalony i regulacja PIDTrudny
Regulator proporcjonalny K = 16 steruje obiektem G(s) = 4/(s(s + 5)) w pętli ze sprzężeniem jednostkowym. Znajdź czas szczytu tp odpowiedzi skokowej.
G(s) = 4/(s(s + 5))K = 16
tp = s
11.Odpowiedź skokowaŚredni
Układ ma transmitancję G(s) = 138/(s² + 8s + 69) i otrzymuje jednostkowe wymuszenie skokowe. Bieguny to s = σ ± jωd. Znajdź część rzeczywistą σ.
G(s) = 138/(s² + 8s + 69)
σ =
12.Odpowiedź skokowaTrudny
Pętla jednostkowego ujemnego sprzężenia zwrotnego ma G(s) = 60/(s(s + 4)). Znajdź 2-procentowy czas ustalania ts odpowiedzi skokowej układu zamkniętego, korzystając z ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 60/(s(s + 4))
ts = s
3Roztwory
1.Silniki prądu stałego
Odpowiedź: Tstall = 45 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 = 48/0,8 = 60 A
Moment utyku
Tstall = 0,75·60 = 45 N·m
Odpowiedź
Tstall = 45 N·m
2.Silniki prądu stałego
Odpowiedź: Pmax = 1513 W
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.
Moc w funkcji siły przeciwelektromotorycznej
P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 55 V
Moc maksymalna
Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 110²/(4·2) = 1513 W
Odpowiedź
Pmax = 1513 W
W tym punkcie sprawność wynosi tylko 50 %, więc rzeczywiste silniki pracują wyraźnie powyżej połowy prędkości.
3.Koła i przekładnie zębate
Odpowiedź: T2 = 10,94 N·m
Przekładnie zębate: zazębione koła mają tę samą prędkość na zębach, więc n₁·N₁ = n₂·N₂: koło o mniejszej liczbie zębów obraca się szybciej. Koła na jednym wale obracają się z tą samą prędkością obrotową. Moc jest przekazywana dalej (minus straty), więc moment obrotowy rośnie, gdy prędkość obrotowa maleje: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, a P = T·ω, gdzie ω = 2π·n/60.
Moment silnika
ω₁ = 2π·1440/60 = 150,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1100/150,8 = 7,295 N·m
Moment wyjściowy
T2 = 7,295·45/30·1 = 10,94 N·m
Odpowiedź
T2 = 10,94 N·m
4.Koła i przekładnie zębate
Odpowiedź: Tout = 112,2 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.
Prędkość obrotowa wyjściowa
nout = 960·(18/50)·(20/30) = 230,4 rpm
ωout = 2π·230,4/60 = 24,13 rad/s
Moc i moment wyjściowy
Pout = 3000·0,95² = 2708 W
Tout = Pout/ωout = 2708/24,13 = 112,2 N·m
Odpowiedź
Tout = 112,2 N·m
5.Akwizycja danych i próbkowanie
Odpowiedź: D = 555
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.
Wielkość kroku
1 LSB = 3,3/210 = 3,223 mV
Kod
Vin/LSB = 1791/3,223 = 555,8
kod = ⌊555,8⌋ = 555
Odpowiedź
D = 555
Zapisany dwójkowo to 1000101011.
6.Akwizycja danych i próbkowanie
Odpowiedź: e = 0,1603 %
UART: asynchroniczne łącze szeregowe wysyła każdy bajt w ramce: jeden bit startu (niski), bity danych, opcjonalny bit parzystości i jeden lub dwa bity stopu (wysokie). Szybkość transmisji w bodach to liczba bitów na sekundę, więc jeden bit trwa Tb = 1/baud, a ramka n bitów trwa n/baud. Popularny format 8N1 ma 10 bitów na bajt. Generator szybkości transmisji dzieli zegar: baud = fclk/(16·D) dla liczby całkowitej D, więc rzeczywista szybkość nieco różni się od zamierzonej; błąd poniżej około 2 % zwykle jest akceptowalny.
Dzielnik
D = 16·10⁶/(16·19200) = 52,08 → 52
Rzeczywista szybkość transmisji
16·10⁶/(16·52) = 19231 Bd
Błąd
(19231 − 19200)/19200·100 = 0,1603 %
Odpowiedź
e = 0,1603 %
Błąd poniżej około 2 % zwykle jest akceptowalny.
7.Mostek Wheatstone’a i tensometry
Odpowiedź: Vab = 115,4 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.
Napięcia węzłów
Va = 6·1080/2080 = 3,115 V
Vb = 3 V
Wydalone
Vab = 115,4 mV
Odpowiedź
Vab = 115,4 mV
Oszacowanie liniowe Vs·ΔR/(4R) = 120 mV jest o 4 % za wysokie: ćwierćmostek nie jest całkiem liniowy.
8.Mostek Wheatstone’a i tensometry
Odpowiedź: Vo = 3,075 mV
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.
Względna zmiana rezystancji
ΔR/R = 2,05·500·10⁻⁶ = 0,001025
Napięcie wyjściowe mostka
Vo = Vs·GF·ε = 3·0,001025 = 3,075 mV
Odpowiedź
Vo = 3,075 mV
9.Uchyb ustalony i regulacja PID
Odpowiedź: ess = 5
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 = 2·1/10 = 0,2
Uchyb dla paraboli
ess = 1/0,2 = 5
Odpowiedź
ess = 5
10.Uchyb ustalony i regulacja PID
Odpowiedź: tp = 0,4134 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) + 16·4 = s² + 5s + 64
ωₙ i ζ
ωₙ = √64 = 8 rad/s
ζ = 5/(2·8) = 0,3125
Czas szczytu
ωd = 8·√(1 − 0,3125²) = 7,599 rad/s
tp = π/7,599 = 0,4134 s
Odpowiedź
tp = 0,4134 s
11.Odpowiedź skokowa
Odpowiedź: σ = −4
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 = 69 → ωₙ = 8,307 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·8,307) = 0,4815
Wynik
σ = −ζωₙ = −8/2 = −4
Odpowiedź
σ = −4
12.Odpowiedź skokowa
Odpowiedź: ts = 2 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).