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)0.4 N·mn0​n = ?

某直流电机(k = 0.2 N·m/A,Ra = 1 Ω)由 24 V 供电,带动 0.4 N·m 的负载转矩。求它的转速 n,单位为 rpm。

V = 24 Vk = 0.2 N·m/ARa = 1 ΩT = 0.4 N·m
n = rpm
2.直流电机困难
+−240 VD = ?Ra​ = 2 ΩM+−En = 800 rpmT = 0.24 N·m

某直流斩波器从 240 V 直流母线给电机(k = 0.12 V·s/rad,Ra = 2 Ω)供电。平均电枢电压为 D·240 V。求使电机在 0.24 N·m 负载下以 800 rpm 运转的占空比 D。

Vdc = 240 Vk = 0.12 V·s/radRa = 2 ΩT = 0.24 N·mn = 800 rpm
D = %
3.齿轮与齿轮系中等
N1​ = 20N2​ = 32

一台 15 kW 的电动机以 1500 rpm 运转,驱动一个齿数为 20 的小齿轮,小齿轮与一个齿数为 32 的大齿轮啮合。 该齿轮副的效率为 96%。 求电动机轴上的扭矩 T1。

P = 15 kWn1 = 1500 rpmN1 = 20N2 = 32η = 96%
T1 = N·m
4.齿轮与齿轮系困难
A = 16B = 48C = 12D = 60

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(16 齿)以 1450 rpm 转动,驱动齿轮 B(48 齿)。齿轮 C(12 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D(60 齿)。求输出转速 nout。

nin = 1450 rpmA = 16B = 48C = 12D = 60
nout = rpm
5.数据采集与采样中等
tTs​ = 1/fs​f = 28 kHzfs​ = 20 kHz

一个 28 kHz 的正弦波在没有抗混叠滤波器的情况下以 20 kHz 采样。它在采样中出现在哪个频率 fa?以 kHz 给出。

f = 28 kHzfs = 20 kHz
fa = kHz
6.数据采集与采样困难
Vin​N = ?VFSR​2ᴺ − 101 LSB

一项音频测量要求满量程正弦波的理想信号量化噪声比至少为 100 dB。求 ADC 的最小位数 N。

SQNR ≥ 100 dB
N =
7.惠斯通电桥与应变片中等
+−5 V200 Ω200 Ω + ΔR200 Ω200 Ωab+−119 mV

某电桥的四个臂均为 200 Ω,由 5 V 供电。当传感器 R₂ 变化时,输出读数为 Vab = 119 mV。求 R₂ 的精确变化量 ΔR。

Vs = 5 VR = 200 ΩVab = 119 mV
ΔR = Ω
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 0.1435 Ω。求应变 ε,单位为微应变(µε)。

R = 350 ΩGF = 2.05ΔR = 0.1435 Ω
ε = µε
9.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 0.5·t²/2+2(s + 3)s²(s + 2)C(s)−

抛物线输入 r(t) = 0.5·t²/2 加到 G(s) = 2(s + 3)/(s²(s + 2)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。

G(s) = 2(s + 3)/(s²(s + 2))r(t) = 0.5·t²/2
ess =
10.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 254s(s + 5)C(s)−

比例控制器 K = 25 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 4/(s(s + 5))。 用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 4/(s(s + 5))K = 25
ts = s
11.阶跃响应中等
t (s)y(t)1

某系统的传递函数为 G(s) = 5/(s² + 2s + 5),输入为单位阶跃。 极点为 s = σ ± jωd。求实部 σ。

G(s) = 5/(s² + 2s + 5)
σ =
12.阶跃响应困难
R(s)+Ks(s + 10)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = K/(s(s + 10))。求使阶跃响应有 30 % 超调量的增益 K。

G(s) = K/(s(s + 10))%OS = 30 %
K =

3溶液

1.直流电机

答案: n = 1050 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。

电枢电流

Ia = T/k = 0.4/0.2 = 2 A

反电动势与转速

E = 24 − 2·1 = 22 V
ω = E/k = 110 rad/s → n = 1050 rpm

答案

n = 1050 rpm
2.直流电机

答案: D = 5.855 %

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。

所需电枢电压

Va = 0.12·83.78 + 2·2 = 14.05 V

占空比

D = 14.05/240 = 5.855 %

答案

D = 5.855 %
3.齿轮与齿轮系

答案: T1 = 95.49 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·1500/60 = 157.1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 15000/157.1 = 95.49 N·m

答案

T1 = 95.49 N·m
4.齿轮与齿轮系

答案: nout = 96.67 rpm

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。

第一级

nB = 1450·16/48 = 483.3 rpm = nC

第二级

nout = 483.3·12/60 = 96.67 rpm

答案

nout = 96.67 rpm

总传动比 = 15 : 1

5.数据采集与采样

答案: fa = 8 kHz

采样:ADC 每秒测量信号 fs 次。根据奈奎斯特–香农定理,只有当 f < fs/2(奈奎斯特频率,也称折叠频率)时,频率 f 才能被正确采集,因此采样率必须超过最高信号频率的两倍。更高的频率不会丢失:它会作为混叠出现在 fa = |f − k·fs|,其中整数 k 使结果落在 0 到 fs/2 之间。采样点无法区分二者,因此必须在 ADC 之前用模拟抗混叠滤波器滤除 fs/2 以上的全部成分。

奈奎斯特频率

fs/2 = 10 kHz < f = 28 kHz

最接近的采样率整数倍

k = round(28/20) = 1

混叠频率

fa = |28 − 1·20| = 8 kHz

答案

fa = 8 kHz

图中的虚线曲线就是混叠:它恰好通过相同的采样点。

6.数据采集与采样

答案: N = 17

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。

解出 N

N ≥ (100 − 1.76)/6.02 = 16.32

向上取整

N = 17
校核: 6.02·17 + 1.76 = 104.1 dB ≥ 100 dB

答案

N = 17
7.惠斯通电桥与应变片

答案: ΔR = 20 Ω

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。

节点电压

Va = 2.5 + 0.1191 = 2.619 V

解分压公式

R₂ = 200·2.619/(5 − 2.619) = 220 Ω
ΔR = 220 − 200 = 20 Ω

答案

ΔR = 20 Ω
8.惠斯通电桥与应变片

答案: ε = 200 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 = 0.1435/350 = 0.00041

应变

ε = 0.00041/2.05 = 0.0002 = 200 µε

答案

ε = 200 µε
9.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 0.1667

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。

加速度误差常数

Ka = 2·3/2 = 3

抛物线误差

ess = 0.5/3 = 0.1667

答案

ess = 0.1667
10.稳态误差与 PID 控制

答案: ts = 1.6 s

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 + 5) + 25·4 = s² + 5s + 100

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √100 = 10 rad/s
ζ = 5/(2·10) = 0.25

调节时间

ζωₙ = 5/2 = 2.5
ts ≈ 4/2.5 = 1.6 s

答案

ts = 1.6 s

这里调节时间与 K 无关:增大 K 只会使响应振荡得更快。

11.阶跃响应

答案: σ = −1

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 = 5 → ωₙ = 2.236 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·2.236) = 0.4472

结果

σ = −ζωₙ = −2/2 = −1

答案

σ = −1
12.阶跃响应

答案: K = 195.2

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)。

闭环传递函数

T(s) = K/(s² + 10s + K)

由超调量求阻尼比

ζ = −ln(0.3)/√(π² + ln²(0.3)) = 0.3579

增益

ωₙ = 10/(2ζ) = 13.97 rad/s
K = ωₙ² = 195.2

答案

K = 195.2

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