Trong cửa sổ in, hãy chọn “Lưu dưới dạng PDF” để giữ một bản trên thiết bị của bạn.
1Công thức và phương pháp
Động cơ một chiều
Mạch phần ứng
V = E + IaRa
Sức điện động ngược và mômen
E = k·ω, T = k·Ia
Tốc độ
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Tốc độ không tải và mômen hãm
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Các công suất
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Khởi động
Istart = V/(Ra + Rst)
Độ điều chỉnh tốc độ
SR = (n0 − nFL)/nFL
Công suất phát triển cực đại
Pmax = V²/(4Ra)
Truyền động bằng bộ băm xung
Va = D·Vdc
Phương pháp
Vẽ mạch phần ứng: nguồn V, điện trở Ra và sức điện động ngược E mắc nối tiếp.
Dùng V = E + Ia·Ra để liên hệ điện áp, dòng điện và sức điện động ngược.
Dùng E = k·ω cho tốc độ và T = k·Ia cho mômen, với ω = 2π·n/60.
Với công suất và hiệu suất, bắt đầu từ V·Ia, trừ tổn thất đồng Ia²·Ra rồi đến các tổn thất quay.
Bánh răng và hệ bánh răng
Bánh răng ăn khớp
n1·N1 = n2·N2
Mômen xoắn
T2 = T1·(N2/N1)·η
Công suất
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Hệ bánh răng ghép
tỉ số truyền tổng = tích các tỉ số truyền từng cấp
Thu thập dữ liệu và lấy mẫu
Tiêu chuẩn Nyquist
fs > 2·fmax, fN = fs/2
Tần số răng cưa (alias)
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
Kích thước bước lượng tử
1 LSB = VFSR/2ᴺ
Sai số lượng tử hóa (làm tròn)
±½ LSB
Mã ADC cắt cụt
D = ⌊Vin/LSB⌋
Số bit cho độ phân giải r
2ᴺ ≥ span/r
SQNR lý tưởng, sóng sin toàn thang
SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
Tốc độ dữ liệu
số kênh × fs × N bit/s
ADC ghép kênh
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/baud; 8N1 = 10 bit cho mỗi byte; byte/s = baud/số bit mỗi khung
Bộ chia tốc độ baud
baud = fclk/(16·D)
Phương pháp
Ghi ra những gì đã cho: tốc độ lấy mẫu, các tần số tín hiệu, số bit, dải đầu vào, tốc độ baud.
Với các câu hỏi về lấy mẫu, so sánh từng tần số với fs/2; tần số cao hơn xuất hiện tại fa = |f − k·fs| với bội số gần nhất của fs.
Với các câu hỏi về độ phân giải, tìm 1 LSB = VFSR/2ᴺ, hoặc N nhỏ nhất thỏa 2ᴺ ≥ khoảng/độ phân giải.
Với tốc độ dữ liệu và đường truyền UART, đếm mọi thứ được gửi đi: số kênh, số mẫu mỗi giây, số bit hoặc số byte nguyên mỗi mẫu, và các bit khởi đầu, chẵn lẻ và dừng của mỗi khung.
Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng
Điện áp bộ chia
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Lượng ra
Vab = Va − Vb
Cân bằng
R1/R2 = R3/R4
Cầu dây trượt
R/Rx = l/(100 − l)
Điện trở Thévenin
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
Hệ số cảm biến
ΔR/R = GF·ε
Đầu ra của cầu
một phần tư Vs·GF·ε/4, một nửa Vs·GF·ε/2, đầy đủ Vs·GF·ε
Thay đổi nhỏ, một nhánh
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Ứng suất
σ = E·ε
Phương pháp
Coi cầu như hai bộ chia áp mắc song song trên cùng một nguồn.
Để cầu cân bằng, đặt R₁/R₂ = R₃/R₄ rồi giải tìm điện trở chưa biết.
Với cầu không cân bằng, tìm Va và Vb từ các bộ chia áp rồi lấy hiệu; dùng mạch tương đương Thévenin khi đồng hồ đo làm tải đầu ra.
Với cảm biến biến dạng (strain gauge), đổi biến dạng sang ΔR/R = GF·ε rồi dùng Vs·GF·ε/4, /2 hoặc ×1 cho cầu một phần tư, nửa cầu hoặc cầu đầy đủ.
Sai số xác lập và điều khiển PID
Loại của hệ
số cực của G(s) tại s = 0
Hằng số sai số
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Bước nhảy A
ess = A/(1 + Kp)
Tín hiệu dốc A·t
ess = A/Kv
Parabol A·t²/2
ess = A/Ka
Bộ điều khiển PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Mục tiêu bậc hai
s² + 2ζωns + ωn²
Độ vượt quá và thời gian
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)
Phương pháp
Đếm các cực của vòng hở C(s)·G(s) tại s = 0: đó là loại của hệ.
Tính hằng số sai số khớp với đầu vào: Kp cho bước nhảy, Kv cho tín hiệu dốc, Ka cho parabol.
Áp dụng ess = A/(1 + Kp), A/Kv hay A/Ka, hoặc giải nó theo độ lợi bạn cần.
Với yêu cầu về độ cản hoặc tốc độ, viết đa thức đặc trưng vòng kín và so sánh nó với s² + 2ζω_n·s + ω_n².
2Bài tập
1.Động cơ một chiềuTrung bình
Một động cơ một chiều lấy 20 A từ nguồn 240 V. Điện trở phần ứng của nó là 1 Ω và các tổn thất quay (ma sát, cản gió và sắt từ) là 132 W. Tìm hiệu suất η của nó.
V = 240 VIa = 20 ARa = 1 ΩProt = 132 W
η = %
2.Động cơ một chiềuKhó
Một động cơ một chiều kích từ độc lập trên 120 V (Ra = 0,8 Ω) chạy ở 1500 rpm với dòng phần ứng 20 A. Tải thay đổi và dòng điện trở thành 12 A, với từ trường không đổi. Tìm tốc độ mới n2.
V = 120 VRa = 0,8 Ωn1 = 1500 rpmIa1 = 20 AIa2 = 12 A
n2 = rpm
3.Bánh răng và hệ bánh răngTrung bình
Một dây đai chạy trên puli dẫn 125 mm ở 960 vòng/phút. Lực căng là 1500 N ở nhánh căng và 375 N ở nhánh chùng. Tìm công suất P truyền đi, theo kW.
d1 = 125 mmn1 = 960 rpmT1 = 1500 NT2 = 375 N
P = kW
4.Bánh răng và hệ bánh răngKhó
Một dây đai hở nối puli 100 mm và puli 400 mm có tâm cách nhau 1200 mm. Tìm góc ôm θ trên puli nhỏ hơn, theo độ.
d1 = 100 mmd2 = 400 mmC = 1200 mm
θ = °
5.Thu thập dữ liệu và lấy mẫuTrung bình
Một ADC 10 bit có dải đầu vào từ 0 đến 3,3 V cắt cụt: mã đầu ra của nó là ⌊Vin/LSB⌋ với 1 LSB = VFSR/2ᴺ. Tìm mã đầu ra thập phân D cho đầu vào 1,419 V.
N = 10VFSR = 3,3 VVin = 1,419 V
D =
6.Thu thập dữ liệu và lấy mẫuKhó
Một vi điều khiển có xung nhịp 24 MHz đặt tốc độ baud UART là fclk/(16·D), với D là số nguyên được làm tròn đến giá trị gần nhất. Mục tiêu là 19200 baud. Tìm sai số phần trăm của tốc độ baud thực (dương khi nó quá nhanh).
fclk = 24 MHzmục tiêu = 19200 Bd
e = %
7.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạngTrung bình
Một cầu có bốn nhánh 100 Ω và Vs = 12 V. Cảm biến R₂ tăng thêm ΔR = 10 Ω. Tìm đầu ra chính xác Vab theo mV.
Vs = 12 VR = 100 ΩΔR = 10 Ω
Vab = mV
8.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạngKhó
Một cầu một phần tư (một cảm biến hoạt động, GF = 2,05) được kích thích bằng 5 V. Biến dạng lớn nhất cần đo là 500 µε, và nó phải cho 10 V ở đầu vào của bộ chuyển đổi tương tự–số. Tìm độ lợi bộ khuếch đại G.
Vs = 5 VGF = 2,05εmax = 500 µεVFS = 10 V
G =
9.Sai số xác lập và điều khiển PIDTrung bình
Đầu vào parabol r(t) = 4·t²/2 được đưa vào một vòng phản hồi đơn vị với G(s) = 4(s + 4)/(s²(s + 10)). Tìm sai số xác lập ess.
G(s) = 4(s + 4)/(s²(s + 10))r(t) = 4·t²/2
ess =
10.Sai số xác lập và điều khiển PIDKhó
Một bộ điều khiển PI C(s) = Kp + Ki/s điều khiển đối tượng G(s) = 4/(s + 2) trong một vòng phản hồi đơn vị. Vòng kín phải có ωₙ = 5 rad/s và ζ = 0,5. Tìm độ lợi tỉ lệ Kp.
G(s) = 4/(s + 2)ωₙ = 5 rad/sζ = 0,5
Kp =
11.Đáp ứng bướcTrung bình
Một hệ có hàm truyền G(s) = 15/(s² + 4s + 15) và nhận tín hiệu vào là bước nhảy đơn vị. Tìm tần số riêng ωn theo rad/s.
G(s) = 15/(s² + 4s + 15)
ωn = rad/s
12.Đáp ứng bướcKhó
Một vòng hồi tiếp âm đơn vị có G(s) = 95/(s(s + 6)). Tìm thời gian xác lập 2 % ts của đáp ứng bước vòng kín, dùng ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 95/(s(s + 6))
ts = s
3Dung dịch
1.Động cơ một chiều
Đáp số: η = 88,92 %
Động cơ một chiều: phần ứng là một điện trở Ra mắc nối tiếp với sức điện động ngược E, nên V = E + Ia·Ra. Sức điện động ngược tăng theo tốc độ, E = k·ω, và mômen tăng theo dòng điện, T = k·Ia, với cùng hằng số động cơ k (V·s/rad = N·m/A) trong hệ SI. Đổi tốc độ bằng ω = 2π·n/60. Công suất phát triển là E·Ia = T·ω; công suất vào là V·Ia, và tổn thất đồng Ia²Ra cùng tổn thất quay tạo nên chênh lệch. Tốc độ giảm theo đường thẳng với mômen, ω = V/k − Ra·T/k², từ tốc độ không tải V/k đến không tại mômen hãm k·V/Ra. Khi đứng yên E = 0, nên dòng khởi động V/Ra lớn trừ khi có điện trở hạn chế nó.
Các công suất
Pin = 240·20 = 4800 W
Pdev = 220·20 = 4400 W
Pout = 4400 − 132 = 4268 W
Hiệu suất
η = 4268/4800·100 = 88,92 %
Đáp số
η = 88,92 %
2.Động cơ một chiều
Đáp số: n2 = 1592 rpm
Động cơ một chiều: phần ứng là một điện trở Ra mắc nối tiếp với sức điện động ngược E, nên V = E + Ia·Ra. Sức điện động ngược tăng theo tốc độ, E = k·ω, và mômen tăng theo dòng điện, T = k·Ia, với cùng hằng số động cơ k (V·s/rad = N·m/A) trong hệ SI. Đổi tốc độ bằng ω = 2π·n/60. Công suất phát triển là E·Ia = T·ω; công suất vào là V·Ia, và tổn thất đồng Ia²Ra cùng tổn thất quay tạo nên chênh lệch. Tốc độ giảm theo đường thẳng với mômen, ω = V/k − Ra·T/k², từ tốc độ không tải V/k đến không tại mômen hãm k·V/Ra. Khi đứng yên E = 0, nên dòng khởi động V/Ra lớn trừ khi có điện trở hạn chế nó.
Sức điện động ngược trước và sau
E1 = 120 − 20·0,8 = 104 V
E2 = 120 − 12·0,8 = 110,4 V
Tốc độ mới
n2 = 1500·110,4/104 = 1592 rpm
Đáp số
n2 = 1592 rpm
3.Bánh răng và hệ bánh răng
Đáp số: P = 7,069 kW
Truyền động đai: khi không trượt, cả hai puli có cùng tốc độ mép v = π·d·n/60, nên n₁·d₁ = n₂·d₂ và tỉ số tốc độ là d₂/d₁. Độ trượt s làm puli bị dẫn chậm hơn một chút: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Công suất truyền là P = (T₁ − T₂)·v, với T₁ là lực căng ở nhánh căng và T₂ ở nhánh chùng. Ma sát giới hạn tỉ số các lực căng: T₁/T₂ = eμθ, trong đó θ là góc ôm tính theo radian trên puli nhỏ hơn; với đai hở θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) với khoảng cách tâm C.
Tốc độ dây đai
v = 6,283 m/s
Công suất
P = (1500 − 375)·6,283 = 7069 W = 7,069 kW
Đáp số
P = 7,069 kW
4.Bánh răng và hệ bánh răng
Đáp số: θ = 165,6 °
Truyền động đai: khi không trượt, cả hai puli có cùng tốc độ mép v = π·d·n/60, nên n₁·d₁ = n₂·d₂ và tỉ số tốc độ là d₂/d₁. Độ trượt s làm puli bị dẫn chậm hơn một chút: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Công suất truyền là P = (T₁ − T₂)·v, với T₁ là lực căng ở nhánh căng và T₂ ở nhánh chùng. Ma sát giới hạn tỉ số các lực căng: T₁/T₂ = eμθ, trong đó θ là góc ôm tính theo radian trên puli nhỏ hơn; với đai hở θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) với khoảng cách tâm C.
Góc của dây đai
asin(0,125) = 7,181°
Góc ôm
θ = 180 − 2·7,181 = 165,6°
Đáp số
θ = 165,6°
5.Thu thập dữ liệu và lấy mẫu
Đáp số: D = 440
Độ phân giải ADC: một bộ chuyển đổi N bit chia dải toàn thang VFSR thành 2ᴺ mã, từ 0 đến 2ᴺ − 1. Một bước là 1 LSB = VFSR/2ᴺ: thay đổi nhỏ nhất mà bộ chuyển đổi có thể hiển thị. ADC cắt cụt cho mã ⌊Vin/LSB⌋; ADC làm tròn không bao giờ lệch quá ½ LSB so với giá trị thật, đó là sai số lượng tử hóa của nó. Mỗi bit thêm vào làm LSB giảm một nửa và thêm khoảng 6 dB vào tỉ số tín hiệu trên nhiễu lượng tử hóa lý tưởng SQNR = 6,02·N + 1,76 dB cho sóng sin toàn thang. Để đạt độ phân giải r trên một khoảng, chọn N nhỏ nhất thỏa 2ᴺ ≥ khoảng/r.
Kích thước bước lượng tử
1 LSB = 3,3/210 = 3,223 mV
Mã
Vin/LSB = 1419/3,223 = 440,3
mã = ⌊440,3⌋ = 440
Đáp số
D = 440
Ở dạng nhị phân đó là 0110111000.
6.Thu thập dữ liệu và lấy mẫu
Đáp số: e = 0,1603 %
UART: một đường truyền nối tiếp không đồng bộ gửi mỗi byte thành một khung: một bit khởi đầu (mức thấp), các bit dữ liệu, một bit chẵn lẻ tùy chọn và một hoặc hai bit dừng (mức cao). Tốc độ baud là số bit mỗi giây, nên một bit kéo dài Tb = 1/baud và một khung n bit kéo dài n/baud. Định dạng 8N1 phổ biến có 10 bit cho mỗi byte. Bộ tạo baud chia tần số xung nhịp: baud = fclk/(16·D) với D là số nguyên, nên tốc độ baud thực khác mục tiêu đôi chút; sai số dưới khoảng 2 % thường chấp nhận được.
Bộ chia
D = 24·10⁶/(16·19200) = 78,13 → 78
Tốc độ baud thực
24·10⁶/(16·78) = 19231 Bd
Sai số
(19231 − 19200)/19200·100 = 0,1603 %
Đáp số
e = 0,1603 %
Sai số dưới khoảng 2 % thường chấp nhận được.
7.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng
Đáp số: Vab = 285,7 mV
Cầu Wheatstone: hai bộ chia áp dùng chung một nguồn Vs. Bộ chia bên trái R1–R2 cho Va = Vs·R2/(R1 + R2) và bộ chia bên phải R3–R4 cho Vb = Vs·R4/(R3 + R4); đầu ra là Vab = Va − Vb. Cầu cân bằng (Vab = 0, không có dòng qua đồng hồ) khi R1/R2 = R3/R4, tức R1·R4 = R2·R3. Nhìn từ đầu ra, cầu là một nguồn Thévenin với Rth = R1∥R2 + R3∥R4.
Điện áp các nút
Va = 12·110/210 = 6,286 V
Vb = 6 V
Lượng ra
Vab = 285,7 mV
Đáp số
Vab = 285,7 mV
Ước lượng tuyến tính Vs·ΔR/(4R) = 300 mV cao hơn 5 %: cầu một phần tư không hoàn toàn tuyến tính.
8.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng
Đáp số: G = 7805
Cảm biến biến dạng (strain gauge): một cảm biến thay đổi điện trở theo biến dạng: ΔR/R = GF·ε, trong đó hệ số cảm biến GF khoảng 2 với lá kim loại. Trong cầu có mọi nhánh bằng R, một cảm biến hoạt động (cầu một phần tư) cho Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Hai cảm biến hoạt động có biến dạng ngược chiều ở các nhánh kề nhau (nửa cầu) cho Vs·GF·ε/2, và bốn cảm biến (cầu đầy đủ) cho Vs·GF·ε. Ứng suất suy ra từ định luật Hooke, σ = E·ε. Các cảm biến lực (load cell) nêu độ nhạy theo mV/V: đầu ra ở đầy tải trên mỗi vôn kích thích.
Đầu ra của cầu ở toàn thang đo
Vo = 1,281 mV
Độ khuếch đại
G = 10/0,001281 = 7805
Đáp số
G = 7805
9.Sai số xác lập và điều khiển PID
Đáp số: ess = 2,5
Sai số xác lập: trong một vòng phản hồi đơn vị với hàm truyền vòng hở G(s), sai số là E(s) = R(s)/(1 + G(s)), và theo định lý giá trị cuối ess = lims→0 s·E(s). Loại của hệ là số cực của G(s) tại s = 0. Các hằng số sai số là Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) và Ka = lim s²·G(s), đều với s → 0. Một bước nhảy có độ lớn A cho ess = A/(1 + Kp), một tín hiệu dốc A·t cho A/Kv và một parabol A·t²/2 cho A/Ka. Một vòng loại 0 bám theo bước nhảy với sai số hữu hạn, một vòng loại 1 bám theo nó chính xác và bám theo tín hiệu dốc với sai số hữu hạn.
Hằng số gia tốc
Ka = 4·4/10 = 1,6
Sai số parabol
ess = 4/1,6 = 2,5
Đáp số
ess = 2,5
10.Sai số xác lập và điều khiển PID
Đáp số: Kp = 0,75
Điều khiển P, PI và PID: bộ điều khiển C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s tác động lên sai số. Một độ lợi tỉ lệ làm vòng nhanh hơn và giảm sai số của đối tượng loại 0, nhưng không bao giờ loại bỏ nó. Thành phần tích phân thêm một cực tại s = 0: loại của hệ tăng thêm một, và một bước nhảy được bám theo không có sai số. Thành phần vi phân thêm sự cản. Để chọn các độ lợi, viết đa thức đặc trưng vòng kín và so sánh nó với s² + 2ζωns + ωn². Khi đó %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd với ωd = ωn√(1 − ζ²), và ts ≈ 4/(ζωn).
Đa thức đặc trưng
1 + C(s)G(s) = 0, nhân với s(s + 2).
s² + (2 + 4Kp)s + 4Ki
Đa thức mục tiêu
s² + 2·0,5·5s + 5² = s² + 5s + 25
Cân bằng các hệ số
2 + 4Kp = 5 → Kp = 0,75
Đáp số
Kp = 0,75
Thành phần tích phân làm vòng thành loại 1, nên một bước nhảy được bám theo mà không có sai số xác lập.
11.Đáp ứng bước
Đáp số: ωn = 3,873 rad/s
Đáp ứng bước: một hệ bậc nhất G(s) = K/(τs + 1) đáp ứng với một bước nhảy có biên độ U là y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): nó đạt 63,2 % giá trị cuối K·U sau một hằng số thời gian τ và 98 % sau 4τ. Một hệ bậc hai G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) có các cực s = −ζωₙ ± jωd với ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Với 0 < ζ < 1, đáp ứng bước có độ vọt lố: độ vọt lố phần trăm %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), thời gian đỉnh tp = π/ωd, và thời gian xác lập 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). So sánh mẫu số với s² + 2ζωₙs + ωₙ² để suy ra ωₙ và ζ. Với hệ khối lượng–lò xo–giảm chấn ωₙ = √(k/m) và ζ = c/(2√(km)); với mạch RLC nối tiếp ωₙ = 1/√(LC) và ζ = (R/2)·√(C/L).
So sánh với dạng chuẩn
Mẫu số phải khớp với s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 15 → ωₙ = 3,873 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·3,873) = 0,5164
Kết quả
ωₙ = 3,873 rad/s
Đáp số
ωn = 3,873 rad/s
12.Đáp ứng bước
Đáp số: ts = 1,333 s
Đáp ứng bước: một hệ bậc nhất G(s) = K/(τs + 1) đáp ứng với một bước nhảy có biên độ U là y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): nó đạt 63,2 % giá trị cuối K·U sau một hằng số thời gian τ và 98 % sau 4τ. Một hệ bậc hai G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) có các cực s = −ζωₙ ± jωd với ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Với 0 < ζ < 1, đáp ứng bước có độ vọt lố: độ vọt lố phần trăm %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), thời gian đỉnh tp = π/ωd, và thời gian xác lập 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). So sánh mẫu số với s² + 2ζωₙs + ωₙ² để suy ra ωₙ và ζ. Với hệ khối lượng–lò xo–giảm chấn ωₙ = √(k/m) và ζ = c/(2√(km)); với mạch RLC nối tiếp ωₙ = 1/√(LC) và ζ = (R/2)·√(C/L).