Mekatronik Sistemler: hızlı tekrar paketi

Formül kâğıtları, her konunun temel yöntem adımları ve 12 alıştırma sorusu; tam çözümler en sonda.

Yeni sorularDerse dön

Yazdırma penceresinde, bir kopyayı cihazınızda saklamak için “PDF olarak kaydet” seçeneğini seçin.

1Formüller ve yöntemler

DC motorlar

Endüvi devresi
V = E + IaRa
Zıt EMK ve tork
E = k·ω, T = k·Ia
Sürat
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Yüksüz hız ve durma torku
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Güçler
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Yol alma
Istart = V/(Ra + Rst)
Hız regülasyonu
SR = (n0 − nFL)/nFL
Geliştirilen en büyük güç
Pmax = V²/(4Ra)
Kıyıcılı sürücü
Va = D·Vdc

Yöntem

  1. Endüvi devresini çizin: V kaynağı, Ra direnci ve zıt EMK E seri bağlıdır.
  2. Gerilim, akım ve zıt EMK’yı ilişkilendirmek için V = E + Ia·Ra kullanın.
  3. Hız için E = k·ω, tork için T = k·Ia kullanın; ω = 2π·n/60.
  4. Güç ve verim için V·Ia’dan başlayın, bakır kaybı Ia²·Ra’yı, sonra dönme kayıplarını çıkarın.

Dişliler ve dişli dizileri

Birbirini kavrayan dişliler
n1·N1 = n2·N2
Tork
T2 = T1·(N2/N1)·η
Güç
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Bileşik dişli dizisi
toplam oran = kademe oranlarının çarpımı

Veri toplama ve örnekleme

Nyquist ölçütü
fs > 2·fmax, fN = fs/2
Örtüşme frekansı
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
Adım büyüklüğü
1 LSB = VFSR/2ᴺ
Kuantalama hatası (yuvarlama)
±½ LSB
Kesen ADC kodu
D = ⌊Vin/LSB⌋
r çözünürlüğü için bit sayısı
2ᴺ ≥ span/r
İdeal SQNR, tam ölçekli sinüs
SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
Veri hızı
kanal × fs × N bit/s
Çoklayıcılı ADC
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/baud; 8N1 = bayt başına 10 bit; bayt/s = baud/çerçeve başına bit
Baud hızı bölücüsü
baud = fclk/(16·D)

Yöntem

  1. Verilenleri yazın: örnekleme hızı, sinyal frekansları, bit sayısı, giriş aralığı, baud hızı.
  2. Örnekleme sorularında her frekansı fs/2 ile karşılaştırın; daha yüksek bir frekans, fs’nin en yakın katıyla fa = |f − k·fs| frekansında görünür.
  3. Çözünürlük sorularında 1 LSB = VFSR/2ᴺ değerini bulun ya da 2ᴺ ≥ aralık/çözünürlük koşulunu sağlayan en küçük N’yi seçin.
  4. Veri hızı ve UART bağlantılarında gönderilen her şeyi sayın: kanalları, saniyedeki örnekleri, örnek başına bitleri ya da tam baytları ve her çerçevenin başlama, eşlik ve durma bitlerini.

Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerler

Bölücü gerilimleri
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Çıkarılan
Vab = Va − Vb
Denge
R1/R2 = R3/R4
Kayar telli köprü
R/Rx = l/(100 − l)
Thévenin direnci
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
Gerinim ölçer çarpanı
ΔR/R = GF·ε
Köprü çıkışı
çeyrek Vs·GF·ε/4, yarım Vs·GF·ε/2, tam Vs·GF·ε
Küçük değişim, tek kol
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Gerilme
σ = E·ε

Yöntem

  1. Köprüyü aynı kaynağa bağlı iki gerilim bölücü olarak ele alın.
  2. Denge için R₁/R₂ = R₃/R₄ yazın ve bilinmeyen direnci çözün.
  3. Dengesiz bir köprüde Va ve Vb’yi bölücülerden bulup çıkarın; çıkışı bir ölçü aleti yüklüyorsa Thévenin eşdeğerini kullanın.
  4. Gerinim ölçerlerde gerinimi ΔR/R = GF·ε’ye çevirin ve çeyrek, yarım veya tam köprü için sırasıyla Vs·GF·ε/4, /2 veya ×1 kullanın.

Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Sistem tipi
G(s)’in s = 0’daki kutup sayısı
Hata sabitleri
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Basamak A
ess = A/(1 + Kp)
Rampa A·t
ess = A/Kv
Parabol A·t²/2
ess = A/Ka
PID denetleyici
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
İkinci dereceden hedef
s² + 2ζωns + ωn²
Aşım ve zamanlama
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Yöntem

  1. C(s)·G(s) açık çevriminin s = 0’daki kutuplarını sayın: sistem tipi budur.
  2. Girişe uygun hata sabitini hesaplayın: basamak için Kp, rampa için Kv, parabol için Ka.
  3. ess = A/(1 + Kp), A/Kv veya A/Ka formülünü uygulayın ya da ihtiyacınız olan kazanç için çözün.
  4. Bir sönüm veya hız özelliği için kapalı çevrim karakteristik polinomunu yazın ve s² + 2ζω_n·s + ω_n² ile eşleştirin.

2Alıştırma soruları

1.DC motorlarOrta
T (N·m)n (rpm)3 N·mn0​n = ?

Bir DC motor (k = 0,3 N·m/A, Ra = 1,2 Ω) 120 V ile çalışıyor ve 3 N·m’lik bir yük torkunu sürüyor. Hızını (n) rpm cinsinden bulun.

V = 120 Vk = 0,3 N·m/ARa = 1,2 ΩT = 3 N·m
n = rpm
2.DC motorlarZor
T (N·m)n (rpm)9 N·m400 rpm

k = 1,5 V·s/rad ve Ra = 2 Ω olan bir DC motor, 400 rpm’de 9 N·m’lik bir yükü sürmelidir. Gereken endüvi gerilimini (V) bulun.

k = 1,5 V·s/radRa = 2 ΩT = 9 N·mn = 400 rpm
V = V
3.Dişliler ve dişli dizileriOrta
N1​ = 25N2​ = 48

2900 rpm ile çalışan 1,1 kW’lık bir motor 25 dişli bir pinyonu döndürüyor; pinyon 48 dişli bir dişliyi kavrıyor. Dişli çiftinin verimi %96. Dişli milindeki çıkış torku T2 değerini bulun.

P = 1,1 kWn1 = 2900 rpmN1 = 25N2 = 48η = 96%
T2 = N·m
4.Dişliler ve dişli dizileriZor
A = 40B = 80C = 48D = 72

1450 rpm’deki 2,2 kW’lık bir motor A dişlisini (40 diş) tahrik ediyor; A, B dişlisiyle (80 diş) kavrıyor. B ile aynı mil üzerindeki C dişlisi (48 diş), çıkış milindeki D dişlisini (72 diş) tahrik ediyor. Her dişli kavramasının verimi %97’dır. Çıkış torku Tout değerini bulun.

P = 2,2 kWnin = 1450 rpmA = 40B = 80C = 48D = 72ηmesh = 97%
Tout = N·m
5.Veri toplama ve örneklemeOrta
124⋮4 ch∿01N = 1420 kHz? MB

Bir kaydedici, 14 bitlik bir ADC ile 4 kanalı her biri 20 kHz’de örnekliyor. Her örnek tam bayt olarak saklanıyor. 2 dakikalık bir kayıt için gereken belleği M MB cinsinden bulun (1 MB = 10⁶ bayt).

n = 4fs = 20 kHzN = 14t = 2 min
M = MB
6.Veri toplama ve örneklemeZor
126⋮6 ch∿01tc​ = 5 µstset​ = 1 µsfs​ = ?

6 kanallı bir çoklayıcı tek bir ADC’yi besliyor. Her dönüşüm 5 µs sürüyor ve her kanal geçişinden sonra girişin oturması için 1 µs gerekiyor. Kanallar ara vermeden sırayla taranıyor. Her kanalın örnekleme hızını fs kHz cinsinden bulun.

n = 6tc = 5 µstset = 1 µs
fs = kHz
7.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerlerOrta
+−9 V220 Ω220 Ω + ΔR220 Ω220 Ωab+−Vab​ = ?

Bir köprünün dört kolu 220 Ω’dur ve Vs = 9 V’tur. R₂ sensörü ΔR = 22 Ω artıyor. Kesin çıkışı (Vab) mV cinsinden bulun.

Vs = 9 VR = 220 ΩΔR = 22 Ω
Vab = mV
8.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerlerZor
+−5 V1000 Ω − ΔR1000 Ω + ΔR1000 Ω + ΔR1000 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

Bir yük hücresinin (gerinim ölçerlerden oluşan tam köprü) anma yükü 500 kg’da anma çıkışı 3 mV/V’tur. 5 V ile uyarılıyor. 100 kg’lık yük altındaki çıkışını (Vo) bulun.

3 mV/VFrated = 500 kgVs = 5 VF = 100 kg
Vo = mV
9.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiOrta
R(s)+K(s + 1)(s + 2)C(s)−

Birim geri beslemeli bir çevrimde G(s) = K/((s + 1)(s + 2))’dır. Basamak girişi için kalıcı durum hatasını % 25 yapan kazancı (K) bulun.

G(s) = K/((s + 1)(s + 2))ess = 25 %
K =
10.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiZor
R(s)+K = 505s(s + 10)C(s)−

K = 50 orantılı denetleyicisi, birim geri beslemeli bir çevrimde G(s) = 5/(s(s + 10)) sistemini sürmektedir. Basamak yanıtının tepe zamanını tp bulun.

G(s) = 5/(s(s + 10))K = 50
tp = s
11.Basamak yanıtıOrta
t (s)y(t)0,5?

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 16/(s² + 9s + 32)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Basamak yanıtının yüzde aşımını %OS bulun.

G(s) = 16/(s² + 9s + 32)
%OS = %
12.Basamak yanıtıZor
R(s)+120s(s + 12)G(s)C(s)−

Birim negatif geri beslemeli bir çevrimde G(s) = 120/(s(s + 12)). ts ≈ 4/(ζωₙ) kullanarak kapalı çevrim basamak yanıtının %2 yerleşme süresini ts bulun.

G(s) = 120/(s(s + 12))
ts = s

3Çözeltiler

1.DC motorlar

Cevap: n = 3438 rpm

DC motor: endüvi, zıt EMK E ile seri bir Ra direncidir; dolayısıyla V = E + Ia·Ra. Zıt EMK hızla birlikte artar, E = k·ω; tork ise akımla artar, T = k·Ia. SI birimlerinde her ikisinde de aynı k motor sabiti (V·s/rad = N·m/A) kullanılır. Hızları ω = 2π·n/60 ile dönüştürün. Geliştirilen güç E·Ia = T·ω’dır; giriş gücü V·Ia’dir ve aradaki farkı Ia²Ra bakır kaybı ile dönme kayıpları oluşturur. Hız, torkla doğrusal olarak düşer: ω = V/k − Ra·T/k²; yüksüz hız V/k’dan başlayıp k·V/Ra durma torkunda sıfıra iner. Duruşta E = 0’dır; bu yüzden bir direnç sınırlamadıkça yol alma akımı V/Ra büyüktür.

Endüvi akımı

Ia = T/k = 3/0,3 = 10 A

Zıt EMK ve hız

E = 120 − 10·1,2 = 108 V
ω = E/k = 360 rad/s → n = 3438 rpm

Cevap

n = 3438 rpm
2.DC motorlar

Cevap: V = 74,83 V

DC motor: endüvi, zıt EMK E ile seri bir Ra direncidir; dolayısıyla V = E + Ia·Ra. Zıt EMK hızla birlikte artar, E = k·ω; tork ise akımla artar, T = k·Ia. SI birimlerinde her ikisinde de aynı k motor sabiti (V·s/rad = N·m/A) kullanılır. Hızları ω = 2π·n/60 ile dönüştürün. Geliştirilen güç E·Ia = T·ω’dır; giriş gücü V·Ia’dir ve aradaki farkı Ia²Ra bakır kaybı ile dönme kayıpları oluşturur. Hız, torkla doğrusal olarak düşer: ω = V/k − Ra·T/k²; yüksüz hız V/k’dan başlayıp k·V/Ra durma torkunda sıfıra iner. Duruşta E = 0’dır; bu yüzden bir direnç sınırlamadıkça yol alma akımı V/Ra büyüktür.

Zıt EMK

E = 1,5·41,89 = 62,83 V

Endüvi akımı

Ia = 9/1,5 = 6 A

Endüvi gerilimi

V = 62,83 + 6·2 = 74,83 V

Cevap

V = 74,83 V
3.Dişliler ve dişli dizileri

Cevap: T2 = 6,676 N·m

Dişli dizileri: birbirini kavrayan dişlilerin dişlerdeki hızı aynıdır, bu yüzden n₁·N₁ = n₂·N₂: dişi az olan dişli daha hızlı döner. Aynı mil üzerindeki dişliler aynı hızla döner. Güç (kayıplar düşülerek) aktarılır, bu yüzden hız düştüğünde tork artar: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η ve P = T·ω, burada ω = 2π·n/60.

Motor torku

ω₁ = 2π·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1100/303,7 = 3,622 N·m

Çıkış torku

T2 = 3,622·48/25·0,96 = 6,676 N·m

Cevap

T2 = 6,676 N·m
4.Dişliler ve dişli dizileri

Cevap: Tout = 40,9 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.

Çıkış hızı

nout = 1450·(40/80)·(48/72) = 483,3 rpm
ωout = 2π·483,3/60 = 50,61 rad/s

Çıkış gücü ve tork

Pout = 2200·0,97² = 2070 W
Tout = Pout/ωout = 2070/50,61 = 40,9 N·m

Cevap

Tout = 40,9 N·m
5.Veri toplama ve örnekleme

Cevap: M = 19,2 MB

Veri hızları: her kanal saniyede N bitlik fs örnek verir; ham hız kanal × fs × N bit/s’dir. Bellekte bir örnek tam bayt yer kaplar (12 bitlik bir örnek 2 bayta kaydedilir), bu yüzden bir kayıt için bellek kanal × fs × örnek başına bayt × süre kadardır. Çoklayıcılı bir ADC kanalları art arda dönüştürür: her dönüşüm (oturma süresiyle birlikte) t sürer, dolayısıyla n kanallık bir tur n·t sürer ve her kanal 1/(n·t) hızıyla örneklenir.

Örnek başına bayt

⌈14/8⌉ = 2 B

Bayt hızı

4·20000·2 = 160000 B/s

Bellek

M = 160000·120 = 1,92 × 10⁷ B = 19,2 MB

Cevap

M = 19,2 MB
6.Veri toplama ve örnekleme

Cevap: fs = 27,78 kHz

Veri hızları: her kanal saniyede N bitlik fs örnek verir; ham hız kanal × fs × N bit/s’dir. Bellekte bir örnek tam bayt yer kaplar (12 bitlik bir örnek 2 bayta kaydedilir), bu yüzden bir kayıt için bellek kanal × fs × örnek başına bayt × süre kadardır. Çoklayıcılı bir ADC kanalları art arda dönüştürür: her dönüşüm (oturma süresiyle birlikte) t sürer, dolayısıyla n kanallık bir tur n·t sürer ve her kanal 1/(n·t) hızıyla örneklenir.

Kanal başına süre

5 + 1 = 6 µs

Tarama başına süre

6·6 = 36 µs

Kanal başına örnekleme hızı

fs = 1/36 µs = 27,78 kHz

Cevap

fs = 27,78 kHz
7.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerler

Cevap: Vab = 214,3 mV

Wheatstone köprüsü: iki gerilim bölücü tek bir Vs kaynağını paylaşır. Soldaki R1–R2 bölücüsü Va = Vs·R2/(R1 + R2), sağdaki R3–R4 bölücüsü Vb = Vs·R4/(R3 + R4) verir; çıkış Vab = Va − Vb’dir. Köprü, R1/R2 = R3/R4, yani R1·R4 = R2·R3 olduğunda dengededir (Vab = 0, ölçü aletinden akım geçmez). Çıkıştan bakıldığında köprü, Rth = R1∥R2 + R3∥R4 olan bir Thévenin kaynağıdır.

Düğüm gerilimleri

Va = 9·242/462 = 4,714 V
Vb = 4,5 V

Çıkarılan

Vab = 214,3 mV

Cevap

Vab = 214,3 mV

Vs·ΔR/(4R) = 225 mV doğrusal tahmini % 5 fazladır: çeyrek köprü tam doğrusal değildir.

8.Wheatstone köprüsü ve gerinim ölçerler

Cevap: Vo = 3 mV

Gerinim ölçerler: bir gerinim ölçer direncini gerinimle değiştirir: ΔR/R = GF·ε; burada GF gerinim ölçer çarpanı olup metal folyo için yaklaşık 2’dir. Tüm kolları R olan bir köprüde tek etkin gerinim ölçer (çeyrek köprü) Vo ≈ Vs·GF·ε/4 verir. Bitişik kollarda zıt gerinimli iki etkin gerinim ölçer (yarım köprü) Vs·GF·ε/2, dört etkin gerinim ölçer (tam köprü) ise Vs·GF·ε verir. Gerilme, Hooke yasasından bulunur: σ = E·ε. Yük hücreleri duyarlılıklarını mV/V olarak belirtir: tam yükte, volt başına uyarma gerilimi için çıkış.

Tam ölçek çıkışı

3·5 = 15 mV

Bu yükteki çıkış

Vo = 15·100/500 = 3 mV

Cevap

Vo = 3 mV
9.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: K = 6

Kalıcı durum hatası: birim geri beslemeli bir çevrimde, açık çevrim transfer fonksiyonu G(s) ise hata E(s) = R(s)/(1 + G(s))’dir ve son değer teoremine göre ess = lims→0 s·E(s). Sistem tipi, G(s)’in s = 0’daki kutup sayısıdır. Hata sabitleri Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) ve Ka = lim s²·G(s)’dir; hepsi s → 0 içindir. A büyüklüğündeki bir basamak ess = A/(1 + Kp), bir A·t rampası A/Kv ve bir A·t²/2 parabolü A/Ka verir. 0 tipi bir çevrim basamağı sonlu bir hatayla izler; 1 tipi bir çevrim basamağı tam olarak, rampayı ise sonlu bir hatayla izler.

Gerekli hata sabiti

1/(1 + Kp) = 0,25 → Kp = 3

Kazanç

K/2 = 3 → K = 6

Cevap

K = 6

Kapalı çevrim kararlılığını da kontrol edin: bu ikinci dereceden çevrimde her K > 0 kararlıdır.

10.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: tp = 0,2094 s

P, PI ve PID denetimi: C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s denetleyicisi hata üzerinde etki eder. Orantılı kazanç çevrimi hızlandırır ve 0 tipi bir sistemin hatasını azaltır, ancak onu hiçbir zaman ortadan kaldırmaz. İntegral terimi s = 0’da bir kutup ekler: sistem tipi bir artar ve basamak hatasız izlenir. Türev terimi sönüm ekler. Kazançları seçmek için kapalı çevrim karakteristik polinomunu yazın ve s² + 2ζωns + ωn² ile karşılaştırın. Ardından %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd (ωd = ωn√(1 − ζ²)) ve ts ≈ 4/(ζωn) olur.

Karakteristik polinom

s(s + 10) + 50·5 = s² + 10s + 250

ωₙ ve ζ

ωₙ = √250 = 15,81 rad/s
ζ = 10/(2·15,81) = 0,3162

Tepe zamanı

ωd = 15,81·√(1 − 0,3162²) = 15 rad/s
tp = π/15 = 0,2094 s

Cevap

tp = 0,2094 s
11.Basamak yanıtı

Cevap: %OS = 1,618 %

Basamak yanıtı: birinci dereceden bir G(s) = K/(τs + 1) sistemi, U büyüklüğündeki basamağa y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) ile yanıt verir: bir zaman sabiti τ sonra K·U son değerinin %63,2’sine, 4τ sonra %98’ine ulaşır. İkinci dereceden bir G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) sisteminin kutupları s = −ζωₙ ± jωd’dir; ωd = ωₙ√(1 − ζ²). 0 < ζ < 1 için basamak yanıtı aşım yapar: yüzde aşım %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tepe zamanı tp = π/ωd ve %2 yerleşme süresi ts ≈ 4/(ζωₙ). ωₙ ve ζ’yi okumak için paydayı s² + 2ζωₙs + ωₙ² ile karşılaştırın. Kütle–yay–sönümleyici için ωₙ = √(k/m) ve ζ = c/(2√(km)); seri RLC devresi için ωₙ = 1/√(LC) ve ζ = (R/2)·√(C/L).

Standart biçimle karşılaştırın

Payda s² + 2ζωₙs + ωₙ² ile eşleşmelidir.

ωₙ² = 32 → ωₙ = 5,657 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·5,657) = 0,7955

Sonuç

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−4,124 = 1,618 %

Cevap

%OS = 1,618 %
12.Basamak yanıtı

Cevap: ts = 0,6667 s

Basamak yanıtı: birinci dereceden bir G(s) = K/(τs + 1) sistemi, U büyüklüğündeki basamağa y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) ile yanıt verir: bir zaman sabiti τ sonra K·U son değerinin %63,2’sine, 4τ sonra %98’ine ulaşır. İkinci dereceden bir G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) sisteminin kutupları s = −ζωₙ ± jωd’dir; ωd = ωₙ√(1 − ζ²). 0 < ζ < 1 için basamak yanıtı aşım yapar: yüzde aşım %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tepe zamanı tp = π/ωd ve %2 yerleşme süresi ts ≈ 4/(ζωₙ). ωₙ ve ζ’yi okumak için paydayı s² + 2ζωₙs + ωₙ² ile karşılaştırın. Kütle–yay–sönümleyici için ωₙ = √(k/m) ve ζ = c/(2√(km)); seri RLC devresi için ωₙ = 1/√(LC) ve ζ = (R/2)·√(C/L).

Kapalı çevrim transfer fonksiyonu

T(s) = 120/(s² + 12s + 120): ωₙ = 10,95 rad/s, ζ = 0,5477

Yerleşme süresi

ζωₙ = 12/2 = 6
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0,6667 s

Cevap

ts = 0,6667 s

Bu çevrimde K ne olursa olsun ζωₙ = a/2’dir: K’yı artırmak aşımı artırır ama yerleşme süresini kısaltmaz.

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems