机电一体化系统:速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 12 道练习题,完整解答附在最后。

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1公式与方法

直流电机

电枢回路
V = E + IaRa
反电动势与转矩
E = k·ω, T = k·Ia
速率
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
空载转速与堵转转矩
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
各功率
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
起动
Istart = V/(Ra + Rst)
转速调整率
SR = (n0 − nFL)/nFL
最大电磁功率
Pmax = V²/(4Ra)
斩波驱动
Va = D·Vdc

方法

  1. 画出电枢回路:电源 V、电阻 Ra 和反电动势 E 串联。
  2. 用 V = E + Ia·Ra 把电压、电流和反电动势联系起来。
  3. 转速用 E = k·ω,转矩用 T = k·Ia,其中 ω = 2π·n/60。
  4. 对于功率和效率,从 V·Ia 出发,减去铜损 Ia²·Ra,再减去旋转损耗。

齿轮与齿轮系

啮合齿轮
n1·N1 = n2·N2
扭矩
T2 = T1·(N2/N1)·η
功率
P = T·ω, ω = 2π·n/60
复合轮系
总传动比 = 各级传动比之积

数据采集与采样

奈奎斯特准则
fs > 2·fmax, fN = fs/2
混叠频率
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
步长
1 LSB = VFSR/2ᴺ
量化误差(四舍五入)
±½ LSB
截断式 ADC 码值
D = ⌊Vin/LSB⌋
分辨率 r 所需的位数
2ᴺ ≥ span/r
理想 SQNR,满量程正弦波
SQNR = 6.02·N + 1.76 dB
数据速率
通道数 × fs × N 比特/秒
多路复用 ADC
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/波特率;8N1 = 每字节 10 位;字节/秒 = 波特率/每帧位数
波特率分频器
baud = fclk/(16·D)

方法

  1. 先写出已知量:采样率、信号频率、位数、输入量程、波特率。
  2. 采样类题目,把每个频率与 fs/2 比较;更高的频率会出现在 fa = |f − k·fs|,其中取最接近的 fs 整数倍。
  3. 分辨率类题目,求 1 LSB = VFSR/2ᴺ,或求满足 2ᴺ ≥ 量程/分辨率 的最小 N。
  4. 数据速率和 UART 链路类题目,要数清所有发送的内容:通道数、每秒采样数、每个采样的位数或整字节数,以及每帧的起始位、校验位和停止位。

惠斯通电桥与应变片

分压器电压
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
出量
Vab = Va − Vb
平衡
R1/R2 = R3/R4
滑线电桥
R/Rx = l/(100 − l)
戴维南电阻
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
灵敏系数
ΔR/R = GF·ε
电桥输出
1/4 桥 Vs·GF·ε/4,半桥 Vs·GF·ε/2,全桥 Vs·GF·ε
小变化,一个臂
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
应力
σ = E·ε

方法

  1. 把电桥看作接在同一电源上的两个分压器。
  2. 要使电桥平衡,令 R₁/R₂ = R₃/R₄,并解出未知电阻。
  3. 对不平衡电桥,由分压器求出 Va 和 Vb 再相减;当仪表对输出端有负载时,用戴维南等效电路。
  4. 对应变片,把应变换算成 ΔR/R = GF·ε,再用 Vs·GF·ε/4、/2 或 ×1 分别对应 1/4 桥、半桥或全桥。

稳态误差与 PID 控制

系统型别
G(s) 在 s = 0 处的极点个数
误差常数
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
阶跃 A
ess = A/(1 + Kp)
斜坡 A·t
ess = A/Kv
抛物线 A·t²/2
ess = A/Ka
PID 控制器
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
二阶目标
s² + 2ζωns + ωn²
超调量与时间指标
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

方法

  1. 数一数开环 C(s)·G(s) 在 s = 0 处的极点个数:这就是系统型别。
  2. 求出与输入相匹配的误差常数:阶跃用 Kp,斜坡用 Kv,抛物线用 Ka。
  3. 应用 ess = A/(1 + Kp)、A/Kv 或 A/Ka,或者反过来解出所需的增益。
  4. 对于阻尼或转速的指标,写出闭环特征多项式,并与 s² + 2ζω_n·s + ω_n² 匹配。

2练习题

1.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)7.5 N·mn0​nFL​

某直流电机(k = 0.3 V·s/rad,Ra = 0.25 Ω)由 110 V 供电。满载时电流为 25 A。忽略空载电流,求它的转速调整率 SR = (n₀ − nFL)/nFL,以百分数表示。

V = 110 Vk = 0.3 V·s/radRa = 0.25 ΩIFL = 25 A
SR = %
2.直流电机困难
+−24 VRa​ = 0.25 ΩM+−En = ?T = 0.6 N·m

某他励直流电机(满励磁时 k = 0.15 V·s/rad,Ra = 0.25 Ω,V = 24 V)带动 0.6 N·m 的恒定负载转矩。励磁磁通降到满值的 70 %。求新的转速 n。

V = 24 Vk = 0.15 V·s/radRa = 0.25 ΩT = 0.6 N·mΦ = 70 %
n = rpm
3.齿轮与齿轮系中等
d1​ = 120 mmd2​ = 315 mm720 rpmn2​ = ?

一个 120 mm 的带轮以 720 rpm 通过皮带驱动一个 315 mm 的带轮,打滑率为 1.5 %。求从动轮的转速 n2。

n1 = 720 rpmd1 = 120 mmd2 = 315 mms = 1.5 %
n2 = rpm
4.齿轮与齿轮系困难
d1​ = 125 mmd2​ = 200 mm1450 rpmC = 500 mmT1​ = 800 NT2​P = ?

一条开口皮带把一个以 1450 rpm 转动、直径 125 mm 的主动轮与一个 200 mm 的带轮相连;中心距为 500 mm。摩擦系数为 0.3,紧边张力不得超过 800 N。求皮带在不打滑时能传递的最大功率 P,单位 kW(忽略离心效应)。

d1 = 125 mmn1 = 1450 rpmd2 = 200 mmC = 500 mmμ = 0.3T1 = 800 N
P = kW
5.数据采集与采样中等
Vin​N = 6VFSR​2ᴺ − 101 LSB

求 6 位 ADC 在满量程正弦波下的理想信号量化噪声比 SQNR。

N = 6
SQNR = dB
6.数据采集与采样困难
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​PTb​11·Tb​38400 Bd, 8E1

一个 24 位 ADC 通过 UART 以 38400 波特、8E1 格式(起始位、8 个数据位、偶校验、1 个停止位)发送每个采样点。每个采样点以 3 个整字节发送,且链路一直处于忙碌状态。求能无混叠采样的最高信号频率 fmax,单位 Hz。

baud = 38400 BdN = 248E1
fmax = Hz
7.惠斯通电桥与应变片中等
+−3 V1000 Ω1000 Ω1000 Ω1000 Ωab+−

一个 1000 Ω 的应变片是电桥的一个臂(R₂),电桥四个臂均为 1000 Ω,激励电压为 3 V。求应变片上消耗的功率 Pg,单位为 mW。自热限制了激励电压。

Vs = 3 VR = 1000 Ω
Pg = mW
8.惠斯通电桥与应变片困难
+−2.5 V120 Ω − ΔR120 Ω + ΔR120 Ω + ΔR120 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

某电桥的各臂为 120 Ω,激励电压为 2.5 V,采用 四个工作应变片,两个受拉、两个受压(全桥)。灵敏系数为 2,应变为 750 µε。求电桥输出 Vo,单位为 mV。

Vs = 2.5 VGF = 2ε = 750 µε
Vo = mV
9.稳态误差与 PID 控制中等
R(s)+K(s + 4)(s + 5)C(s)−

某单位负反馈回路的 G(s) = K/((s + 4)(s + 5))。求使阶跃输入的稳态误差为 5 % 的增益 K。

G(s) = K/((s + 4)(s + 5))ess = 5 %
K =
10.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+Kp​ + Ki​/s4s + 5C(s)−

PI 控制器 C(s) = Kp + Ki/s 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 4/(s + 5)。闭环必须满足 ωₙ = 6 rad/s 和 ζ = 0.7。求比例增益 Kp。

G(s) = 4/(s + 5)ωₙ = 6 rad/sζ = 0.7
Kp =
11.阶跃响应中等
t (s)y(t)1

某系统的传递函数为 G(s) = 49/(s² + 4s + 49),输入为单位阶跃。 极点为 s = σ ± jωd。求实部 σ。

G(s) = 49/(s² + 4s + 49)
σ =
12.阶跃响应困难
+−10 VR = 89 ΩL = 200 mHC = 1 µFvC​

一个串联 RLC 电路,R = 89 Ω,L = 200 mH,C = 1 µF,在 t = 0 时接到 10 V 的阶跃上。电容未充电,阶跃之前没有电流。 求无阻尼固有频率 ωn,单位 rad/s。

R = 89 ΩL = 200 mHC = 1 µFV = 10 V
ωn = rad/s

3溶液

1.直流电机

答案: SR = 6.024 %

直流电机:电枢是电阻 Ra 与反电动势 E 串联,所以 V = E + Ia·Ra。反电动势随转速增大,E = k·ω;转矩随电流增大,T = k·Ia;在 SI 单位制中两者的电机常数 k 相同(V·s/rad = N·m/A)。转速用 ω = 2π·n/60 换算。电磁功率为 E·Ia = T·ω;输入功率为 V·Ia,差值由铜损 Ia²Ra 和旋转损耗构成。转速随转矩呈直线下降,ω = V/k − Ra·T/k²,从空载转速 V/k 降到堵转转矩 k·V/Ra 处的零。静止时 E = 0,所以起动电流 V/Ra 很大,除非用电阻限流。

空载转速和满载转速

n₀ = 60·110/(2π·0.3) = 3501 rpm
nFL = 60·(110 − 25·0.25)/(2π·0.3) = 3302 rpm

转速调整率

SR = (3501 − 3302)/3302·100 = 6.024 %

答案

SR = 6.024 %
2.直流电机

答案: n = 2053 rpm

直流电机:电枢是电阻 Ra 与反电动势 E 串联,所以 V = E + Ia·Ra。反电动势随转速增大,E = k·ω;转矩随电流增大,T = k·Ia;在 SI 单位制中两者的电机常数 k 相同(V·s/rad = N·m/A)。转速用 ω = 2π·n/60 换算。电磁功率为 E·Ia = T·ω;输入功率为 V·Ia,差值由铜损 Ia²Ra 和旋转损耗构成。转速随转矩呈直线下降,ω = V/k − Ra·T/k²,从空载转速 V/k 降到堵转转矩 k·V/Ra 处的零。静止时 E = 0,所以起动电流 V/Ra 很大,除非用电阻限流。

减弱后的电机常数

k₂ = 0.7·0.15 = 0.105 V·s/rad

新的电枢电流

Ia = 0.6/0.105 = 5.714 A

新的转速

ω = (24 − 5.714·0.25)/0.105 = 215 rad/s → n = 2053 rpm

答案

n = 2053 rpm

弱磁就是直流驱动器在基速以上运行的方法。

3.齿轮与齿轮系

答案: n2 = 270.2 rpm

皮带传动:无打滑时,两个带轮的轮缘线速度相同,v = π·d·n/60,所以 n₁·d₁ = n₂·d₂,速比为 d₂/d₁。打滑率 s 使从动轮稍慢:n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s)。传递的功率为 P = (T₁ − T₂)·v,其中 T₁ 为紧边张力,T₂ 为松边张力。摩擦限制了张力之比:T₁/T₂ = eμθ,其中 θ 是小带轮上的包角(弧度);对开口皮带,θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)),C 为中心距。

无打滑时的转速

720·120/315 = 274.3 rpm

有打滑

n2 = 274.3·0.985 = 270.2 rpm

答案

n2 = 270.2 rpm
4.齿轮与齿轮系

答案: P = 4.498 kW

皮带传动:无打滑时,两个带轮的轮缘线速度相同,v = π·d·n/60,所以 n₁·d₁ = n₂·d₂,速比为 d₂/d₁。打滑率 s 使从动轮稍慢:n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s)。传递的功率为 P = (T₁ − T₂)·v,其中 T₁ 为紧边张力,T₂ 为松边张力。摩擦限制了张力之比:T₁/T₂ = eμθ,其中 θ 是小带轮上的包角(弧度);对开口皮带,θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)),C 为中心距。

包角

θ = 2.991 rad

松边张力

eμθ = e0.8974 = 2.453, T₂ = 800/2.453 = 326.1 N

功率

P = (800 − 326.1)·9.49 = 4.498 kW

答案

P = 4.498 kW
5.数据采集与采样

答案: SQNR = 37.88 dB

ADC 分辨率:N 位转换器把满量程 VFSR 分成 2ᴺ 个码,从 0 到 2ᴺ − 1。一个台阶为 1 LSB = VFSR/2ᴺ:转换器能显示的最小变化。截断式 ADC 给出码 ⌊Vin/LSB⌋;四舍五入式 ADC 与真实值的偏差永远不超过 ½ LSB,即它的量化误差。每增加一位,LSB 减半,对满量程正弦波而言,理想信号量化噪声比 SQNR = 6.02·N + 1.76 dB 约增加 6 dB。要在量程内达到分辨率 r,选取满足 2ᴺ ≥ 量程/r 的最小 N。

理想 SQNR

SQNR = 6.02·6 + 1.76 = 37.88 dB

答案

SQNR = 37.88 dB
6.数据采集与采样

答案: fmax = 581.8 Hz

UART:异步串行链路把每个字节作为一帧发送:一个起始位(低电平)、若干数据位、一个可选的校验位以及一个或两个停止位(高电平)。波特率是每秒的位数,所以一位持续 Tb = 1/波特率,n 位的一帧持续 n/波特率。常见的 8N1 格式每个字节占 10 位。波特率发生器对时钟分频:波特率 = fclk/(16·D),其中 D 为整数,因此实际波特率与目标值略有差别;误差在约 2 % 以内通常可以接受。

线路上每个采样点的位数

3·11 = 33 bit

最高采样率

fs,max = 38400/33 = 1164 Hz

奈奎斯特极限

fmax = 1164/2 = 581.8 Hz

答案

fmax = 581.8 Hz
7.惠斯通电桥与应变片

答案: Pg = 2.25 mW

惠斯通电桥:两个分压器共用一个电源 Vs。左侧分压器 R1–R2 给出 Va = Vs·R2/(R1 + R2),右侧分压器 R3–R4 给出 Vb = Vs·R4/(R3 + R4);输出为 Vab = Va − Vb。当 R1/R2 = R3/R4,即 R1·R4 = R2·R3 时,电桥平衡(Vab = 0,检流计中没有电流)。从输出端看,电桥是一个戴维南电源,其 Rth = R1∥R2 + R3∥R4。

应变片两端的电压

V = 3/2 = 1.5 V

功率

Pg = 1.5²/1000 = 2.25 mW

答案

Pg = 2.25 mW
8.惠斯通电桥与应变片

答案: Vo = 3.75 mV

应变片:应变片的电阻随应变变化:ΔR/R = GF·ε,其中金属箔的灵敏系数 GF 约为 2。在各臂都等于 R 的电桥中,一个工作应变片(1/4 桥)给出 Vo ≈ Vs·GF·ε/4。相邻臂上两个应变相反的工作应变片(半桥)给出 Vs·GF·ε/2,四个(全桥)给出 Vs·GF·ε。应力由胡克定律得出,σ = E·ε。称重传感器的灵敏度以 mV/V 表示:每伏激励电压在满载时的输出。

电阻相对变化

ΔR/R = 2·750·10⁻⁶ = 0.0015

电桥输出

Vo = Vs·GF·ε = 2.5·0.0015 = 3.75 mV

答案

Vo = 3.75 mV
9.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 380

稳态误差:在单位负反馈回路中,设开环传递函数为 G(s),则误差为 E(s) = R(s)/(1 + G(s)),由终值定理得 ess = lims→0 s·E(s)。系统型别是 G(s) 在 s = 0 处的极点个数。误差常数为 Kp = lim G(s)、Kv = lim s·G(s) 和 Ka = lim s²·G(s),均取 s → 0。大小为 A 的阶跃输入给出 ess = A/(1 + Kp),斜坡 A·t 给出 A/Kv,抛物线 A·t²/2 给出 A/Ka。0 型回路跟踪阶跃有有限误差,1 型回路能无误差跟踪阶跃,跟踪斜坡则有有限误差。

所需误差常数

1/(1 + Kp) = 0.05 → Kp = 19

增益

K/20 = 19 → K = 380

答案

K = 380

还要检查闭环稳定性:对这个二阶回路,任何 K > 0 都是稳定的。

10.稳态误差与 PID 控制

答案: Kp = 0.85

P、PI 和 PID 控制:控制器 C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s 作用于误差。比例增益使回路更快,并减小 0 型对象的误差,但无法将其消除。积分项增加一个 s = 0 处的极点:系统型别升高一级,阶跃输入可以被无误差地跟踪。微分项增加阻尼。选取增益时,写出闭环特征多项式,并与 s² + 2ζωns + ωn² 比较。然后 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²),tp = π/ωd,其中 ωd = ωn√(1 − ζ²),ts ≈ 4/(ζωn)。

特征多项式

1 + C(s)G(s) = 0,两边乘以 s(s + 5)。

s² + (5 + 4Kp)s + 4Ki

目标多项式

s² + 2·0.7·6s + 6² = s² + 8.4s + 36

匹配各项系数

5 + 4Kp = 8.4 → Kp = 0.85

答案

Kp = 0.85

积分项使回路成为 1 型,所以阶跃输入可以被无稳态误差地跟踪。

11.阶跃响应

答案: σ = −2

阶跃响应:一阶系统 G(s) = K/(τs + 1) 对大小为 U 的阶跃的响应是 y(t) = K·U·(1 − e−t/τ):经过一个时间常数 τ 达到终值 K·U 的 63.2 %,经过 4τ 达到 98 %。二阶系统 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) 的极点为 s = −ζωₙ ± jωd,其中 ωd = ωₙ√(1 − ζ²)。当 0 < ζ < 1 时,阶跃响应有超调:百分比超调量 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²),峰值时间 tp = π/ωd,2 % 调节时间 ts ≈ 4/(ζωₙ)。把分母与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 比较,即可读出 ωₙ 和 ζ。对于质量–弹簧–阻尼器,ωₙ = √(k/m),ζ = c/(2√(km));对于串联 RLC 电路,ωₙ = 1/√(LC),ζ = (R/2)·√(C/L)。

与标准形式比较

分母必须与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 对应。

ωₙ² = 49 → ωₙ = 7 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·7) = 0.2857

结果

σ = −ζωₙ = −4/2 = −2

答案

σ = −2
12.阶跃响应

答案: ωn = 2236 rad/s

阶跃响应:一阶系统 G(s) = K/(τs + 1) 对大小为 U 的阶跃的响应是 y(t) = K·U·(1 − e−t/τ):经过一个时间常数 τ 达到终值 K·U 的 63.2 %,经过 4τ 达到 98 %。二阶系统 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) 的极点为 s = −ζωₙ ± jωd,其中 ωd = ωₙ√(1 − ζ²)。当 0 < ζ < 1 时,阶跃响应有超调:百分比超调量 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²),峰值时间 tp = π/ωd,2 % 调节时间 ts ≈ 4/(ζωₙ)。把分母与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 比较,即可读出 ωₙ 和 ζ。对于质量–弹簧–阻尼器,ωₙ = √(k/m),ζ = c/(2√(km));对于串联 RLC 电路,ωₙ = 1/√(LC),ζ = (R/2)·√(C/L)。

固有频率和阻尼比

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0.2·1 × 10⁻⁶) = 2236 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (89/2)·√(1 × 10⁻⁶/0.2) = 0.09951

结果

ωₙ = 2236 rad/s

答案

ωn = 2236 rad/s

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