У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.
1Формули та методи
Двигуни постійного струму
Коло якоря
V = E + IaRa
Зворотна ЕРС і момент
E = k·ω, T = k·Ia
Швидкість
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Швидкість неробочого ходу й стопорний момент
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Потужності
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Пуск
Istart = V/(Ra + Rst)
Регулювання швидкості
SR = (n0 − nFL)/nFL
Максимальна розвинена потужність
Pmax = V²/(4Ra)
Привід із чопером
Va = D·Vdc
Метод
Накресліть коло якоря: джерело V, опір Ra і зворотна ЕРС E послідовно.
Скористайтеся V = E + Ia·Ra, щоб зв’язати напругу, струм і зворотну ЕРС.
Використовуйте E = k·ω для швидкості й T = k·Ia для моменту, де ω = 2π·n/60.
Для потужності та ККД почніть із V·Ia, відніміть втрати в міді Ia²·Ra, а потім втрати на обертання.
Зубчасті колеса й передачі
Зачеплення коліс
n1·N1 = n2·N2
Крутний момент
T2 = T1·(N2/N1)·η
Потужність
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Багатоступенева передача
загальне передаточне відношення = добуток передаточних відношень ступенів
Збір даних і дискретизація
Критерій Найквіста
fs > 2·fmax, fN = fs/2
Частота аліасу
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
Розмір кроку
1 LSB = VFSR/2ᴺ
Похибка квантування (округлення)
±½ LSB
Код АЦП з відсіканням
D = ⌊Vin/LSB⌋
Кількість розрядів для роздільності r
2ᴺ ≥ span/r
Ідеальне SQNR, синус на повну шкалу
SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
Швидкість передавання даних
канали × fs × N біт/с
АЦП з мультиплексуванням
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/бод; 8N1 = 10 біт на байт; байт/с = бод/біт у кадрі
Дільник швидкості передавання (бод)
baud = fclk/(16·D)
Метод
Випишіть, що дано: частоту дискретизації, частоти сигналу, кількість розрядів, вхідний діапазон, швидкість у бодах.
У задачах на дискретизацію порівнюйте кожну частоту з fs/2; вища частота виглядає як fa = |f − k·fs| з найближчим кратним fs.
У задачах на роздільність знайдіть 1 LSB = VFSR/2ᴺ або найменше N, для якого 2ᴺ ≥ діапазон/роздільність.
У задачах на швидкість даних і лінії UART враховуйте все, що передається: канали, відліки за секунду, біти чи цілі байти на відлік, а також стартові, паритетні й стопові біти кожного кадру.
Міст Вітстона й тензорезистори
Напруги дільників
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Виведення
Vab = Va − Vb
Баланс
R1/R2 = R3/R4
Реохордний міст
R/Rx = l/(100 − l)
Опір Тевенена
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
Коефіцієнт тензочутливості
ΔR/R = GF·ε
Вихід мосту
чвертьміст Vs·GF·ε/4, напівміст Vs·GF·ε/2, повний міст Vs·GF·ε
Мала зміна, одне плече
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Напруження
σ = E·ε
Метод
Розглядайте міст як два дільники напруги на одному джерелі живлення.
Для рівноваги покладіть R₁/R₂ = R₃/R₄ і розв’яжіть відносно невідомого резистора.
Для незбалансованого мосту знайдіть Va і Vb з дільників і відніміть; коли вимірювач навантажує вихід, скористайтеся еквівалентом Тевенена.
Для тензорезисторів переведіть деформацію в ΔR/R = GF·ε і користуйтеся Vs·GF·ε/4, /2 або ×1 для чвертьмосту, напівмосту чи повного мосту.
Усталена похибка та ПІД-регулювання
Тип системи
кількість полюсів G(s) у точці s = 0
Константи похибок
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Східчастий сигнал A
ess = A/(1 + Kp)
Лінійно наростальний сигнал A·t
ess = A/Kv
Параболічний сигнал A·t²/2
ess = A/Ka
ПІД-регулятор
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Цільова система другого порядку
s² + 2ζωns + ωn²
Перерегулювання та часові показники
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)
Метод
Підрахуйте полюси розімкненого контуру C(s)·G(s) у точці s = 0: це тип системи.
Знайдіть константу похибки, що відповідає входу: Kp для східчастого, Kv для лінійно наростального, Ka для параболічного сигналу.
Застосуйте ess = A/(1 + Kp), A/Kv або A/Ka, або розв’яжіть це відносно потрібного коефіцієнта підсилення.
Для вимоги щодо демпфування чи швидкодії запишіть характеристичний поліном замкненої системи й порівняйте його з s² + 2ζω_n·s + ω_n².
2Задачі для практики
1.Двигуни постійного струмуСередня
Двигун постійного струму з k = 1,5 N·m/A і Ra = 0,5 Ω під’єднано до 220 V. Знайдіть його стопорний момент Tstall, тобто момент при нульовій швидкості.
V = 220 Vk = 1,5 N·m/ARa = 0,5 Ω
Tstall = N·m
2.Двигуни постійного струмуСкладна
Двигун постійного струму незалежного збудження на 240 V (Ra = 0,5 Ω) обертається з 1800 rpm при струмі якоря 30 A. Навантаження змінюється, і струм стає 60 A, а поле не змінюється. Знайдіть нову швидкість n2.
V = 240 VRa = 0,5 Ωn1 = 1800 rpmIa1 = 30 AIa2 = 60 A
n2 = rpm
3.Зубчасті колеса й передачіСередня
Два паралельні вали розташовані на відстані 202,5 mm. Їх треба з’єднати парою циліндричних прямозубих коліс із модулем 3 mm і передаточним відношенням 3,5 : 1 (знижувальна передача). Скільки зубців N1 має мати шестірня?
a = 202,5 mmm = 3 mmi = 3,5
N1 =
4.Зубчасті колеса й передачіСкладна
У багатоступеневій зубчастій передачі колесо A (24 зуб.) на вхідному валу обертається з частотою 1440 rpm і приводить колесо B (36 зуб.). Колесо C (20 зуб.) закріплене на одному валу з B і приводить колесо D (80 зуб.) на вихідному валу. Знайдіть вихідну частоту обертання nout.
nin = 1440 rpmA = 24B = 36C = 20D = 80
nout = rpm
5.Збір даних і дискретизаціяСередня
Синусоїда 18 kHz дискретизується з частотою 10 kHz без антиаліасингового фільтра. На якій частоті fa вона з’являється у відліках? Подайте в kHz.
f = 18 kHzfs = 10 kHz
fa = kHz
6.Збір даних і дискретизаціяСкладна
16-канальний мультиплексор живить один АЦП. Кожне перетворення триває 1 мкс, а після кожного перемикання каналу входу потрібно 2 мкс, щоб встановитися. Канали сканують по черзі без пауз. Знайдіть частоту дискретизації fs кожного каналу в кГц.
n = 16tc = 1 µstset = 2 µs
fs = kHz
7.Міст Вітстона й тензорезисториСередня
Міст має чотири плеча по 300 Ω і Vs = 15 V. Датчик R₂ збільшується на ΔR = 15 Ω. Знайдіть точний вихід Vab у mV.
Vs = 15 VR = 300 ΩΔR = 15 Ω
Vab = mV
8.Міст Вітстона й тензорезисториСкладна
Чвертьміст з одним активним тензорезистором (GF = 2) живиться від 10 V. Під навантаженням вихід показує 3,75 mV. Знайдіть деформацію ε у µε.
Vs = 10 VGF = 2Vo = 3,75 mV
ε = µε
9.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСередня
Лінійно наростальний сигнал r(t) = 1t подано на контур з одиничним зворотним зв’язком і G(s) = 2(s + 3)/(s(s + 5)(s + 10)). Знайдіть усталену похибку ess.
G(s) = 2(s + 3)/(s(s + 5)(s + 10))r(t) = 1t
ess =
10.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
ПД-регулятор C(s) = 10 + Kd·s керує об’єктом G(s) = 5/(s(s + 2)) у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Знайдіть диференціальний коефіцієнт Kd, за якого замкнена система має коефіцієнт демпфування ζ = 0,8.
G(s) = 5/(s(s + 2))Kp = 10ζ = 0,8
Kd = s
11.Перехідна характеристикаСередня
Система має передатну функцію G(s) = 141/(s² + 5s + 47) і отримує на вході одиничну сходинку. Полюси: s = σ ± jωd. Знайдіть дійсну частину σ.
G(s) = 141/(s² + 5s + 47)
σ =
12.Перехідна характеристикаСкладна
Маса m = 2 kg висить на пружині k = 500 N/m з в’язким демпфером c = 25 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). З положення рівноваги в спокої раптово прикладають сталу силу F = 20 N. Знайдіть найбільше зміщення xmax у mm.
m = 2 kgk = 500 N/mc = 25 N·s/mF = 20 N
xmax = mm
3Розчини
1.Двигуни постійного струму
Відповідь: Tstall = 660 N·m
Двигун постійного струму: якір — це опір Ra, увімкнений послідовно із зворотною ЕРС E, тож V = E + Ia·Ra. Зворотна ЕРС зростає зі швидкістю, E = k·ω, а момент — зі струмом, T = k·Ia, з однаковою константою двигуна k (V·s/rad = N·m/A) в одиницях SI. Швидкості переводьте за формулою ω = 2π·n/60. Розвинена потужність дорівнює E·Ia = T·ω; споживана потужність — V·Ia, а різницю становлять втрати в міді Ia²Ra та втрати на обертання. Швидкість спадає за прямою лінією зі збільшенням моменту, ω = V/k − Ra·T/k², від швидкості неробочого ходу V/k до нуля при стопорному моменті k·V/Ra. У стані спокою E = 0, тож пусковий струм V/Ra великий, якщо його не обмежує резистор.
Стопорний струм
Ia = V/Ra = 220/0,5 = 440 A
Стопорний момент
Tstall = 1,5·440 = 660 N·m
Відповідь
Tstall = 660 N·m
2.Двигуни постійного струму
Відповідь: n2 = 1680 rpm
Двигун постійного струму: якір — це опір Ra, увімкнений послідовно із зворотною ЕРС E, тож V = E + Ia·Ra. Зворотна ЕРС зростає зі швидкістю, E = k·ω, а момент — зі струмом, T = k·Ia, з однаковою константою двигуна k (V·s/rad = N·m/A) в одиницях SI. Швидкості переводьте за формулою ω = 2π·n/60. Розвинена потужність дорівнює E·Ia = T·ω; споживана потужність — V·Ia, а різницю становлять втрати в міді Ia²Ra та втрати на обертання. Швидкість спадає за прямою лінією зі збільшенням моменту, ω = V/k − Ra·T/k², від швидкості неробочого ходу V/k до нуля при стопорному моменті k·V/Ra. У стані спокою E = 0, тож пусковий струм V/Ra великий, якщо його не обмежує резистор.
Зворотна ЕРС до і після
E1 = 240 − 30·0,5 = 225 V
E2 = 240 − 60·0,5 = 210 V
Нова швидкість
n2 = 1800·210/225 = 1680 rpm
Відповідь
n2 = 1680 rpm
3.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: N1 = 30
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.
Сумарна кількість зубців
N1 + N2 = 2a/m = 2·202,5/3 = 135
Розподіл за передаточним відношенням
N1 = 135/(1 + 3,5) = 30
Відповідь
N1 = 30
4.Зубчасті колеса й передачі
Відповідь: nout = 240 rpm
Зубчасті передачі: у колесах, що зачеплені, швидкість у точці контакту зубців однакова, тож n₁·N₁ = n₂·N₂: колесо з меншою кількістю зубців обертається швидше. Колеса на одному валу обертаються з однаковою частотою. Потужність передається далі (за вирахуванням втрат), тож зі зменшенням частоти обертання крутний момент зростає: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, а P = T·ω, де ω = 2π·n/60.
Перший ступінь
nB = 1440·24/36 = 960 rpm = nC
Другий ступінь
nout = 960·20/80 = 240 rpm
Відповідь
nout = 240 rpm
загальне передаточне відношення = 6 : 1
5.Збір даних і дискретизація
Відповідь: fa = 2 kHz
Дискретизація: АЦП вимірює сигнал fs разів за секунду. За теоремою Найквіста–Шеннона частота f фіксується правильно лише доти, доки f < fs/2, частота Найквіста (згортання), тож частота дискретизації має перевищувати подвоєну найвищу частоту сигналу. Вища частота не втрачається: вона з’являється як аліас на fa = |f − k·fs|, де ціле k дає результат між 0 і fs/2. Відліки не розрізняють їх, тому аналоговий антиаліасинговий фільтр має прибрати все, що вище fs/2, перед АЦП.
Частота Найквіста
fs/2 = 5 kHz < f = 18 kHz
Найближче кратне частоти дискретизації
k = round(18/10) = 2
Частота аліасу
fa = |18 − 2·10| = 2 kHz
Відповідь
fa = 2 kHz
Штрихова крива на рисунку — це аліас: вона проходить через ті самі відліки.
6.Збір даних і дискретизація
Відповідь: fs = 20,83 kHz
Швидкості даних: кожен канал дає fs відліків за секунду по N біт, тож сира швидкість дорівнює канали × fs × N біт/с. У пам’яті відлік займає цілі байти (12-бітний відлік зберігається в 2 байтах), тож пам’ять для запису дорівнює канали × fs × байти на відлік × час. АЦП з мультиплексуванням перетворює канали один за одним: кожне перетворення (із часом встановлення) триває t, тож один цикл із n каналів триває n·t, а кожен канал дискретизується з частотою 1/(n·t).
Час на канал
1 + 2 = 3 µs
Час на сканування
16·3 = 48 µs
Частота дискретизації на канал
fs = 1/48 µs = 20,83 kHz
Відповідь
fs = 20,83 kHz
7.Міст Вітстона й тензорезистори
Відповідь: Vab = 182,9 mV
Міст Вітстона: два дільники напруги живляться від одного джерела Vs. Лівий дільник R1–R2 дає Va = Vs·R2/(R1 + R2), а правий дільник R3–R4 дає Vb = Vs·R4/(R3 + R4); вихід — Vab = Va − Vb. Міст збалансований (Vab = 0, у вимірювачі немає струму), коли R1/R2 = R3/R4, тобто R1·R4 = R2·R3. З боку виходу міст — це джерело Тевенена з Rth = R1∥R2 + R3∥R4.
Напруги вузлів
Va = 15·315/615 = 7,683 V
Vb = 7,5 V
Виведення
Vab = 182,9 mV
Відповідь
Vab = 182,9 mV
Лінійна оцінка Vs·ΔR/(4R) = 187,5 mV завищена на 2,5 %: чвертьміст не зовсім лінійний.
8.Міст Вітстона й тензорезистори
Відповідь: ε = 750 µε
Тензорезистори: тензорезистор змінює опір під дією деформації: ΔR/R = GF·ε, де коефіцієнт тензочутливості GF для металевої фольги близько 2. У мосту, всі плечі якого дорівнюють R, один активний тензорезистор (чвертьміст) дає Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Два активні тензорезистори з протилежними деформаціями в сусідніх плечах (напівміст) дають Vs·GF·ε/2, а чотири (повний міст) — Vs·GF·ε. Напруження випливає із закону Гука, σ = E·ε. Тензометричні датчики сили вказують чутливість у mV/V: вихід при повному навантаженні на один вольт живлення.
Розв’яжіть рівняння чвертьмосту
ε = 4·0,00375/(10·2) = 0,00075
У мікродеформаціях
ε = 750 µε
Відповідь
ε = 750 µε
9.Усталена похибка та ПІД-регулювання
Відповідь: ess = 8,333
Усталена похибка: у контурі з одиничним зворотним зв’язком і передавальною функцією розімкненої системи G(s) похибка дорівнює E(s) = R(s)/(1 + G(s)), а за теоремою про кінцеве значення ess = lims→0 s·E(s). Тип системи — це кількість полюсів G(s) у точці s = 0. Константи похибок: Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) і Ka = lim s²·G(s), усі при s → 0. Східчастий сигнал величини A дає ess = A/(1 + Kp), лінійно наростальний A·t дає A/Kv, а параболічний A·t²/2 дає A/Ka. Контур типу 0 відпрацьовує східчастий сигнал зі скінченною похибкою, контур типу 1 відпрацьовує його точно, а лінійно наростальний — зі скінченною похибкою.
Швидкісна константа
Kv = lim s·G(s) = 0,12
Похибка за лінійно наростального сигналу
ess = 1/0,12 = 8,333
Відповідь
ess = 8,333
10.Усталена похибка та ПІД-регулювання
Відповідь: Kd = 1,863 s
П-, ПІ- і ПІД-регулювання: регулятор C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s діє на похибку. Пропорційний коефіцієнт підсилення робить контур швидшим і зменшує похибку об’єкта типу 0, але ніколи не усуває її. Інтегральна складова додає полюс у точці s = 0: тип системи зростає на одиницю, і східчастий сигнал відпрацьовується без похибки. Диференціальна складова додає демпфування. Щоб підібрати коефіцієнти, запишіть характеристичний поліном замкненої системи й порівняйте його з s² + 2ζωns + ωn². Тоді %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd при ωd = ωn√(1 − ζ²), а ts ≈ 4/(ζωn).
Характеристичний поліном
s(s + 2) + 5(10 + Kds) = s² + (2 + 5Kd)s + 50
Власна частота
ωₙ = √50 = 7,071 rad/s
Диференціальний коефіцієнт підсилення
2 + 5Kd = 2·0,8·7,071 = 11,31
Kd = 1,863 s
Відповідь
Kd = 1,863 s
Диференціальна складова додає демпфування, не змінюючи ωₙ.
11.Перехідна характеристика
Відповідь: σ = −2,5
Перехідна характеристика: система першого порядку G(s) = K/(τs + 1) відповідає на сходинку розміром U як y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): вона досягає 63,2 % кінцевого значення K·U за одну сталу часу τ і 98 % за 4τ. Система другого порядку G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) має полюси s = −ζωₙ ± jωd, де ωd = ωₙ√(1 − ζ²). За 0 < ζ < 1 перехідна характеристика має перерегулювання: відсоток перерегулювання %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), час піку tp = π/ωd, а 2-відсотковий час встановлення ts ≈ 4/(ζωₙ). Порівняйте знаменник із s² + 2ζωₙs + ωₙ², щоб знайти ωₙ і ζ. Для системи маса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) і ζ = c/(2√(km)); для послідовного RLC-кола ωₙ = 1/√(LC) і ζ = (R/2)·√(C/L).
Порівняйте зі стандартною формою
Знаменник має збігатися з s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 47 → ωₙ = 6,856 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·6,856) = 0,3647
Результат
σ = −ζωₙ = −5/2 = −2,5
Відповідь
σ = −2,5
12.Перехідна характеристика
Відповідь: xmax = 50,35 mm
Перехідна характеристика: система першого порядку G(s) = K/(τs + 1) відповідає на сходинку розміром U як y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): вона досягає 63,2 % кінцевого значення K·U за одну сталу часу τ і 98 % за 4τ. Система другого порядку G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) має полюси s = −ζωₙ ± jωd, де ωd = ωₙ√(1 − ζ²). За 0 < ζ < 1 перехідна характеристика має перерегулювання: відсоток перерегулювання %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), час піку tp = π/ωd, а 2-відсотковий час встановлення ts ≈ 4/(ζωₙ). Порівняйте знаменник із s² + 2ζωₙs + ωₙ², щоб знайти ωₙ і ζ. Для системи маса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) і ζ = c/(2√(km)); для послідовного RLC-кола ωₙ = 1/√(LC) і ζ = (R/2)·√(C/L).