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
+−48 VRa​ = 0.25 ΩIa​ = 15 AM+−EωT

某直流电机从 48 V 电源吸取 15 A 电流。其电枢电阻为 0.25 Ω,旋转损耗(摩擦、风阻和铁损)为 53 W。求它的效率 η。

V = 48 VIa = 15 ARa = 0.25 ΩProt = 53 W
η = %
2.直流电机困难
+−48 VRst​ = ?Ra​ = 0.25 Ω100 AM+−E = 0n = 0T

某 48 V 直流电机的电枢电阻为 0.25 Ω。求把起动电流限制在 100 A 的串联起动电阻 Rst。

V = 48 VRa = 0.25 ΩImax = 100 A
Rst = Ω
3.齿轮与齿轮系中等
d1​ = 100 mmd2​ = 200 mm1440 rpmT1​ = 500 NT2​ = 150 NP = ?

一条皮带绕在一个以 1440 rpm 转动、直径 100 mm 的主动轮上。紧边张力为 500 N,松边张力为 150 N。求传递的功率 P,单位 kW。

d1 = 100 mmn1 = 1440 rpmT1 = 500 NT2 = 150 N
P = kW
4.齿轮与齿轮系困难
Ns​ = 24齿圈固定Np​ = 12nc​ = ?

在一个行星齿轮系中,太阳轮有 24 个齿,每个行星轮有 12 个齿。齿圈固定,太阳轮以 1440 rpm 驱动。求行星架的转速 nc。

Ns = 24Np = 12ns = 1440 rpm
nc = rpm
5.数据采集与采样中等
tTs​ = 1/fs​f = 1.4 kHzfs​ = 1 kHz

一个 1.4 kHz 的正弦波在没有抗混叠滤波器的情况下以 1 kHz 采样。它在采样中出现在哪个频率 fa?以 Hz 给出。

f = 1.4 kHzfs = 1 kHz
fa = Hz
6.数据采集与采样困难
126⋮6 ch∿01tc​ = 2 µstset​ = 2.5 µsfs​ = ?

一个 6 通道的多路复用器为一个 ADC 供给信号。每次转换需要 2 µs,每次切换通道后输入还需要 2.5 µs 建立。各通道不间断地依次扫描。求每个通道的采样率 fs,单位 kHz。

n = 6tc = 2 µstset = 2.5 µs
fs = kHz
7.惠斯通电桥与应变片中等
+−2 VR1​ = 800 ΩR2​ = 60 ΩR3​ = 10 ΩR4​ = 800 ΩabGRg​ = 20 Ω

一个电阻为 20 Ω 的检流计接在图示电桥的 a 和 b 之间(Vs = 2 V)。求从 a 流向 b 的检流计电流 Ig,单位为 µA。

Vs = 2 VR1 = 800 ΩR2 = 60 ΩR3 = 10 ΩR4 = 800 ΩRg = 20 Ω
Ig = µA
8.惠斯通电桥与应变片困难
+−10 V1000 Ω − ΔR1000 Ω + ΔR1000 Ω + ΔR1000 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

某电桥的各臂为 1000 Ω,激励电压为 10 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 2.05,应变为 800 µε。求电桥输出 Vo,单位为 mV。

Vs = 10 VGF = 2.05ε = 800 µε
Vo = mV
9.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 2 + 5t+50(s + 4)s(s + 4)(s + 5)C(s)−

输入 r(t) = 2 + 5t(阶跃加斜坡)加到 G(s) = 50(s + 4)/(s(s + 4)(s + 5)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。

G(s) = 50(s + 4)/(s(s + 4)(s + 5))r(t) = 2 + 5t
ess =
10.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 505s(s + 10)C(s)−

比例控制器 K = 50 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 5/(s(s + 10))。 用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 5/(s(s + 10))K = 50
ts = s
11.阶跃响应中等
t (s)y(t)3

某系统的传递函数为 G(s) = 123/(s² + 9s + 41),输入为单位阶跃。 求阻尼比 ζ。

G(s) = 123/(s² + 9s + 41)
ζ =
12.阶跃响应困难
t (s)y(t)1tp​ = 0.8 s40 %

一个没有零点的二阶系统,其阶跃响应显示出 40 % 的超调量,第一个峰出现在 t = 0.8 s。求固有频率 ωn。

%OS = 40 %tp = 0.8 s
ωn = rad/s

3溶液

1.直流电机

答案: η = 84.83 %

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。

各功率

Pin = 48·15 = 720 W
Pdev = 44.25·15 = 663.8 W
Pout = 663.8 − 53 = 610.8 W

效率

η = 610.8/720·100 = 84.83 %

答案

η = 84.83 %
2.直流电机

答案: Rst = 0.23 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 = 48/100 = 0.48 Ω

起动电阻

Rst = 0.48 − 0.25 = 0.23 Ω

答案

Rst = 0.23 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: P = 2.639 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。

皮带速度

v = 7.54 m/s

功率

P = (500 − 150)·7.54 = 2639 W = 2.639 kW

答案

P = 2.639 kW
4.齿轮与齿轮系

答案: nc = 480 rpm

行星齿轮系:太阳轮、齿圈和行星架的转速由威利斯方程 (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns 联系起来:从行星架上看,该轮系是以行星轮为惰轮的普通轮系。固定其中一个构件,轮系就成为一个单一传动比的减速器。

齿圈齿数

Nr = Ns + 2·Np = 24 + 2·12 = 48

齿圈固定时的威利斯方程

令 nr = 0,求行星架的转速。

(1440 − nc)/(0 − nc) = −48/24
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 1440·24/72 = 480 rpm

答案

nc = 480 rpm

行星架与太阳轮转向相同。

5.数据采集与采样

答案: fa = 400 Hz

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 = 500 Hz < f = 1.4 kHz

最接近的采样率整数倍

k = round(1400/1000) = 1

混叠频率

fa = |1400 − 1·1000| = 400 Hz

答案

fa = 400 Hz

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: fs = 37.04 kHz

数据速率:每个通道每秒提供 fs 个 N 位的采样,因此原始速率为 通道数 × fs × N bit/s。在内存中一个采样占用整数个字节(12 位采样存为 2 个字节),因此一段记录的内存为 通道数 × fs × 每个采样的字节数 × 时间。多路复用 ADC 依次转换各通道:每次转换(含建立时间)需要 t,所以 n 个通道转一轮需要 n·t,每个通道的采样频率为 1/(n·t)。

每个通道的时间

2 + 2.5 = 4.5 µs

每次扫描的时间

6·4.5 = 27 µs

每个通道的采样率

fs = 1/27 µs = 37.04 kHz

答案

fs = 37.04 kHz
7.惠斯通电桥与应变片

答案: Ig = −21423 µA

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。

戴维南电压

Vth = 2·(60/860 − 800/810) = −1.836 V

戴维南电阻

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 65.69 Ω

检流计电流

Ig = −1.836/(65.69 + 20) = −21423 µA

答案

Ig = −21423 µA
8.惠斯通电桥与应变片

答案: Vo = 16.4 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 = 2.05·800·10⁻⁶ = 0.00164

电桥输出

Vo = Vs·GF·ε = 10·0.00164 = 16.4 mV

答案

Vo = 16.4 mV
9.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 0.5

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) = 10

阶跃部分

Kp = ∞ → estep = 0

斜坡误差

ess = 5/10 = 0.5

答案

ess = 0.5
10.稳态误差与 PID 控制

答案: ts = 0.8 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 + 10) + 50·5 = s² + 10s + 250

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √250 = 15.81 rad/s
ζ = 10/(2·15.81) = 0.3162

调节时间

ζωₙ = 10/2 = 5
ts ≈ 4/5 = 0.8 s

答案

ts = 0.8 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: ζ = 0.7028

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 = 41 → ωₙ = 6.403 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·6.403) = 0.7028

结果

ζ = 0.7028

答案

ζ = 0.7028
12.阶跃响应

答案: ωn = 4.091 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)。

阻尼比

ζ = −ln(0.4)/√(π² + ln²(0.4)) = 0.9163/√(9.87 + 0.8396) = 0.28

固有频率

ωd = π/tp = π/0.8 = 3.927 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 3.927/0.96 = 4.091 rad/s

答案

ωn = 4.091 rad/s

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