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)n0​ = ?

某直流电机的 k = 0.75 V·s/rad,由 48 V 供电。忽略空载时的所有损耗,求它的空载转速 n0,单位为 rpm。

V = 48 Vk = 0.75 V·s/rad
n0 = rpm
2.直流电机困难
+−120 VRst​ = ?Ra​ = 0.5 Ω30 AM+−E = 0n = 0T

某 120 V 直流电机的电枢电阻为 0.5 Ω。求把起动电流限制在 30 A 的串联起动电阻 Rst。

V = 120 VRa = 0.5 ΩImax = 30 A
Rst = Ω
3.齿轮与齿轮系中等
N1​ = 16N2​ = 30

一台 1.5 kW 的电动机以 1440 rpm 运转,驱动一个齿数为 16 的小齿轮,小齿轮与一个齿数为 30 的大齿轮啮合。 该齿轮副的效率为 95%。 求电动机轴上的扭矩 T1。

P = 1.5 kWn1 = 1440 rpmN1 = 16N2 = 30η = 95%
T1 = N·m
4.齿轮与齿轮系困难
A = 12B = 25C = 40D = ?

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(12 齿)以 2880 rpm 转动,驱动齿轮 B(25 齿)。齿轮 C(40 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D。输出轴须以 921.6 rpm 转动。齿轮 D 须有多少个齿 ND?

nin = 2880 rpmA = 12B = 25C = 40nout = 921.6 rpm
ND =
5.数据采集与采样中等
Vin​N = ?200 mm2ᴺ − 10≤ 0.05 mm

一个传感器在 200 mm 的量程内测量距离,其输出充满 ADC 的整个输入范围。读数必须分辨出 0.05 mm。求 ADC 所需的最小位数 N。

量程 = 200 mm分辨率 = 0.05 mm
N =
6.数据采集与采样困难
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​Tb​10·Tb​460800 Bd, 8N1

一个 12 位 ADC 通过 UART 以 460800 波特、8N1 格式(起始位、8 个数据位、1 个停止位)发送每个采样点。每个采样点以 2 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 = 460800 BdN = 128N1
fmax = Hz
7.惠斯通电桥与应变片中等
+−6 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−Vab​ = ?

某电桥的四个臂均为 350 Ω,Vs = 6 V。传感器 R₂ 增大了 ΔR = 0.35 Ω。用小变化近似求输出 Vab,单位为 mV。

Vs = 6 VR = 350 ΩΔR = 0.35 Ω
Vab = mV
8.惠斯通电桥与应变片困难
+−V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−

一个 350 Ω、灵敏系数为 2.05 的应变片贴在钢棒上。受载时其电阻增大了 0.7175 Ω。求应变 ε,单位为微应变(µε)。

R = 350 ΩGF = 2.05ΔR = 0.7175 Ω
ε = µε
9.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 5 + 0.5t+4s(s + 1)C(s)−

输入 r(t) = 5 + 0.5t(阶跃加斜坡)加到 G(s) = 4/(s(s + 1)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。

G(s) = 4/(s(s + 1))r(t) = 5 + 0.5t
ess =
10.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 401s(s + 8)C(s)−

比例控制器 K = 40 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 1/(s(s + 8))。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 1/(s(s + 8))K = 40
%OS = %
11.阶跃响应中等
t (s)y(t)3tp​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 150/(s² + 3s + 50),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的峰值时间 tp。

G(s) = 150/(s² + 3s + 50)
tp = s
12.阶跃响应困难
k = 2000 N/mc = 28 N·s/mm = 10 kgF = 100 Nx(t)

质量 m = 10 kg 的物体挂在弹簧 k = 2000 N/m 上,带有黏性阻尼器 c = 28 N·s/m(m·x″ + c·x′ + k·x = F)。在静止平衡状态下,突然施加恒力 F = 100 N。 求最大位移 xmax,单位 mm。

m = 10 kgk = 2000 N/mc = 28 N·s/mF = 100 N
xmax = mm

3溶液

1.直流电机

答案: n0 = 611.2 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。

空载转速

ω₀ = V/k = 48/0.75 = 64 rad/s
n0 = 60·64/(2π) = 611.2 rpm

答案

n0 = 611.2 rpm
2.直流电机

答案: Rst = 3.5 Ω

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。

总电阻

Ra + Rst = 120/30 = 4 Ω

起动电阻

Rst = 4 − 0.5 = 3.5 Ω

答案

Rst = 3.5 Ω

随着电机加速、反电动势增大,电阻被逐级切除。

3.齿轮与齿轮系

答案: T1 = 9.947 N·m

齿轮系:相互啮合的齿轮在轮齿处的线速度相同,所以 n₁·N₁ = n₂·N₂:齿数较少的齿轮转得更快。装在同一根轴上的齿轮转速相同。功率被传递下去(扣除损失),所以转速降低时扭矩增大:T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η,且 P = T·ω,其中 ω = 2π·n/60。

电动机扭矩

ω₁ = 2π·1440/60 = 150.8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1500/150.8 = 9.947 N·m

答案

T1 = 9.947 N·m
4.齿轮与齿轮系

答案: ND = 60

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.

中间轴转速

nB = nC = 2880·12/25 = 1382 rpm

齿轮 D 的齿数

ND = C·nC/nout = 40·1382/921.6 = 60

答案

ND = 60
5.数据采集与采样

答案: N = 12

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。

所需台阶数

200/0.05 = 4000

位数

log₂(4000) = 11.97
211 = 2048 < 4000 ≤ 212 = 4096
N = 12

答案

N = 12
6.数据采集与采样

答案: fmax = 11520 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

2·10 = 20 bit

最高采样率

fs,max = 460800/20 = 23040 Hz

奈奎斯特极限

fmax = 23040/2 = 11520 Hz

答案

fmax = 11520 Hz
7.惠斯通电桥与应变片

答案: Vab = 1.5 mV

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。

相对变化

ΔR/R = 0.35/350 = 0.001

线性化输出

Vab ≈ 6·0.001/4 = 1.5 mV

答案

Vab = 1.5 mV

精确值为 1.499 mV;只要 ΔR/R 很小,这个近似就很好。

8.惠斯通电桥与应变片

答案: ε = 1000 µε

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 = 0.7175/350 = 0.00205

应变

ε = 0.00205/2.05 = 0.001 = 1000 µε

答案

ε = 1000 µε
9.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 0.125

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。

速度误差常数

Kv = lim s·G(s) = 4

阶跃部分

Kp = ∞ → estep = 0

斜坡误差

ess = 0.5/4 = 0.125

答案

ess = 0.125
10.稳态误差与 PID 控制

答案: %OS = 7.691 %

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

s(s + 8) + 40·1 = s² + 8s + 40

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √40 = 6.325 rad/s
ζ = 8/(2·6.325) = 0.6325

超调量

%OS = 100·e−0.6325π/√(1 − 0.6325²) = 7.691 %

答案

%OS = 7.691 %
11.阶跃响应

答案: tp = 0.4546 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)。

与标准形式比较

分母必须与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 对应。

ωₙ² = 50 → ωₙ = 7.071 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·7.071) = 0.2121

结果

ωd = 7.071·√(1 − 0.2121²) = 6.91 rad/s → tp = π/ωd = 0.4546 s

答案

tp = 0.4546 s
12.阶跃响应

答案: xmax = 86.58 mm

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 = √(k/m) = √(2000/10) = 14.14 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 28/(2·√(2000·10)) = 0.09899

结果

xst = F/k = 100/2000 m = 50 mm
%OS = 73.16 %
xmax = 50·(1 + 0.7316) = 86.58 mm

答案

xmax = 86.58 mm

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