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 = 0.6 V·s/rad,由 110 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 = 110 Vk = 0.6 V·s/rad
n0 = rpm
2.直流电机困难
T (N·m)n (rpm)36 N·m750 rpm

某直流电机的 k = 1.2 V·s/rad,Ra = 0.25 Ω,要以 750 rpm 带动 36 N·m 的负载。求所需的电枢电压 V。

k = 1.2 V·s/radRa = 0.25 ΩT = 36 N·mn = 750 rpm
V = V
3.齿轮与齿轮系中等
N1​ = 24N2​ = 32

一台 4 kW 的电动机以 2900 rpm 运转,驱动一个齿数为 24 的小齿轮,小齿轮与一个齿数为 32 的大齿轮啮合。 忽略损失。 求齿轮轴上的输出扭矩 T2。

P = 4 kWn1 = 2900 rpmN1 = 24N2 = 32η = 100%
T2 = N·m
4.齿轮与齿轮系困难
A = 24B = 25C = 16D = 80

一台 1.1 kW、1440 rpm 的电动机驱动齿轮 A(24 齿),A 与齿轮 B(25 齿)啮合。与 B 同轴的齿轮 C(16 齿)驱动输出轴上的齿轮 D(80 齿)。每对齿轮啮合的效率为 95%。求输出转矩 Tout。

P = 1.1 kWnin = 1440 rpmA = 24B = 25C = 16D = 80ηmesh = 95%
Tout = N·m
5.数据采集与采样中等
Vin​N = 20VFSR​2ᴺ − 101 LSB

求 20 位 ADC 在满量程正弦波下的理想信号量化噪声比 SQNR。

N = 20
SQNR = dB
6.数据采集与采样困难
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​1/fbaud​4 MHz / (16·D)

一个时钟为 4 MHz 的微控制器把其 UART 波特率设为 fclk/(16·D),其中 D 是四舍五入到最接近值的整数。目标是 9600 波特。求实际波特率的百分比误差(偏快时为正)。

fclk = 4 MHz目标 = 9600 Bd
e = %
7.惠斯通电桥与应变片中等
+−10 V220 Ω220 Ω + ΔR220 Ω220 Ωab+−Vab​ = ?

某电桥的四个臂均为 220 Ω,Vs = 10 V。传感器 R₂ 增大了 ΔR = 22 Ω。求精确输出 Vab,单位为 mV。

Vs = 10 VR = 220 ΩΔR = 22 Ω
Vab = mV
8.惠斯通电桥与应变片困难
+−10 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−7.5 mV

某 1/4 桥有一个工作应变片(GF = 2),激励电压为 10 V。受载时输出读数为 7.5 mV。求应变 ε,单位为 µε。

Vs = 10 VGF = 2Vo = 7.5 mV
ε = µε
9.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 2·t²/2+20(s + 3)s²(s + 10)C(s)−

抛物线输入 r(t) = 2·t²/2 加到 G(s) = 20(s + 3)/(s²(s + 10)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。

G(s) = 20(s + 3)/(s²(s + 10))r(t) = 2·t²/2
ess =
10.稳态误差与 PID 控制困难
r(t) = 5t+2 + 5/s20(s + 2)(s + 4)C(s)−

PI 控制器 C(s) = 2 + 5/s 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 20/((s + 2)(s + 4))。求斜坡输入 r(t) = 5t 的稳态误差 ess。

C(s) = 2 + 5/sG(s) = 20/((s + 2)(s + 4))r(t) = 5t
ess =
11.阶跃响应中等
t (s)y(t)2?

某系统的传递函数为 G(s) = 48/(s² + 7s + 24),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 48/(s² + 7s + 24)
%OS = %
12.阶跃响应困难
R(s)+235s(s + 10)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = 235/(s(s + 10))。用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求闭环阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 235/(s(s + 10))
ts = s

3溶液

1.直流电机

答案: n0 = 1751 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 = 110/0.6 = 183.3 rad/s
n0 = 60·183.3/(2π) = 1751 rpm

答案

n0 = 1751 rpm
2.直流电机

答案: V = 101.7 V

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。

反电动势

E = 1.2·78.54 = 94.25 V

电枢电流

Ia = 36/1.2 = 30 A

电枢电压

V = 94.25 + 30·0.25 = 101.7 V

答案

V = 101.7 V
3.齿轮与齿轮系

答案: T2 = 17.56 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·2900/60 = 303.7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 4000/303.7 = 13.17 N·m

输出扭矩

T2 = 13.17·32/24·1 = 17.56 N·m

答案

T2 = 17.56 N·m
4.齿轮与齿轮系

答案: Tout = 34.29 N·m

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.

输出转速

nout = 1440·(24/25)·(16/80) = 276.5 rpm
ωout = 2π·276.5/60 = 28.95 rad/s

输出功率和转矩

Pout = 1100·0.95² = 992.8 W
Tout = Pout/ωout = 992.8/28.95 = 34.29 N·m

答案

Tout = 34.29 N·m
5.数据采集与采样

答案: SQNR = 122.2 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 = 6.02·20 + 1.76 = 122.2 dB

答案

SQNR = 122.2 dB
6.数据采集与采样

答案: e = 0.1603 %

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。

分频系数

D = 4·10⁶/(16·9600) = 26.04 → 26

实际波特率

4·10⁶/(16·26) = 9615 Bd

误差

(9615 − 9600)/9600·100 = 0.1603 %

答案

e = 0.1603 %

误差低于约 2 % 通常可以接受。

7.惠斯通电桥与应变片

答案: Vab = 238.1 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。

节点电压

Va = 10·242/462 = 5.238 V
Vb = 5 V

出量

Vab = 238.1 mV

答案

Vab = 238.1 mV

线性估计 Vs·ΔR/(4R) = 250 mV 偏高 5 %:1/4 桥并不完全是线性的。

8.惠斯通电桥与应变片

答案: ε = 1500 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。

解 1/4 桥方程

ε = 4·0.0075/(10·2) = 0.0015

以微应变表示

ε = 1500 µε

答案

ε = 1500 µε
9.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 0.3333

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 = 20·3/10 = 6

抛物线误差

ess = 2/6 = 0.3333

答案

ess = 0.3333
10.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 0.4

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)。

速度误差常数

当 s → 0 时,s·C(s) = 2s + 5 → 5。

Kv = 5·20/8 = 12.5

斜坡误差

ess = 5/12.5 = 0.4

答案

ess = 0.4

PI 控制器能完全消除阶跃误差;斜坡则以恒定的滞后被跟踪。

11.阶跃响应

答案: %OS = 4.045 %

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 = 24 → ωₙ = 4.899 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·4.899) = 0.7144

结果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−3.208 = 4.045 %

答案

%OS = 4.045 %
12.阶跃响应

答案: ts = 0.8 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)。

闭环传递函数

T(s) = 235/(s² + 10s + 235): ωₙ = 15.33 rad/s, ζ = 0.3262

调节时间

ζωₙ = 10/2 = 5
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0.8 s

答案

ts = 0.8 s

对这个回路,无论 K 取何值,ζωₙ = a/2:增大 K 会增加超调量,但不会缩短调节时间。

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