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
+−VRa​M+−En = 1450 rpmT = ?

某直流电机在 1450 rpm 下输出 2.2 kW 的机械功率。求轴转矩 T。

P = 2.2 kWn = 1450 rpm
T = N·m
2.直流电机困难
+−120 VRa​ = 1.2 ΩM+−EωT

某小型直流电机的电枢电阻为 1.2 Ω,由 120 V 供电。忽略旋转损耗,求它在任何转速下能产生的最大机械功率 Pmax。

V = 120 VRa = 1.2 Ω
Pmax = W
3.齿轮与齿轮系中等
Tw​ = ?z = 3, 960 rpm

一台 2.2 kW、960 rpm 的电动机驱动一个 3 头的蜗杆。蜗轮有 60 个齿,传动效率为 75%。求蜗轮轴上的输出转矩 Tw。

z = 3Nw = 60n = 960 rpmP = 2.2 kWη = 75%
Tw = N·m
4.齿轮与齿轮系困难
d1​ = 200 mmd2​ = 315 mm1500 rpmC = 500 mmθ = ?

一条开口皮带连接一个 200 mm 的带轮和一个 315 mm 的带轮,二者中心相距 500 mm。求小带轮上的包角 θ,单位为度。

d1 = 200 mmd2 = 315 mmC = 500 mm
θ = °
5.数据采集与采样中等
Vin​N = ?2.5 V2ᴺ − 10≤ 0.5 mV

一个输入量程为 0 到 2.5 V 的 ADC 必须分辨 0.5 mV 或更小的台阶。求最小位数 N。

VFSR = 2.5 V分辨率 = 0.5 mV
N =
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 75 dB。求 ADC 的最小位数 N。

SQNR ≥ 75 dB
N =
7.惠斯通电桥与应变片中等
+−12 V200 Ω200 Ω + ΔR200 Ω200 Ωab+−Vab​ = ?

某电桥的四个臂均为 200 Ω,Vs = 12 V。传感器 R₂ 增大了 ΔR = 2 Ω。用小变化近似求输出 Vab,单位为 mV。

Vs = 12 VR = 200 ΩΔR = 2 Ω
Vab = mV
8.惠斯通电桥与应变片困难
+−10 V120 Ω − ΔR120 Ω + ΔR120 Ω + ΔR120 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

某电桥的各臂为 120 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,应变为 800 µε。求电桥输出 Vo,单位为 mV。

Vs = 10 VGF = 2ε = 800 µε
Vo = mV
9.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 2t+Ks(s + 1)C(s)−

某单位负反馈回路的 G(s) = K/(s(s + 1)),必须以 0.1 的稳态误差跟踪斜坡 r(t) = 2t。求增益 K。

G(s) = K/(s(s + 1))r(t) = 2tess = 0.1
K =
10.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 165s(s + 6)C(s)−

比例控制器 K = 16 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 5/(s(s + 6))。 求阶跃响应的峰值时间 tp。

G(s) = 5/(s(s + 6))K = 16
tp = s
11.阶跃响应中等
t (s)y(t)1

某系统的传递函数为 G(s) = 42/(s² + 2s + 42),输入为单位阶跃。 极点为 s = σ ± jωd。求实部 σ。

G(s) = 42/(s² + 2s + 42)
σ =
12.阶跃响应困难
+−24 VR = 181 ΩL = 500 mHC = 22 µFvC​

一个串联 RLC 电路,R = 181 Ω,L = 500 mH,C = 22 µF,在 t = 0 时接到 24 V 的阶跃上。电容未充电,阶跃之前没有电流。 求电容电压的峰值 vC,max。

R = 181 ΩL = 500 mHC = 22 µFV = 24 V
vC,max = V

3溶液

1.直流电机

答案: T = 14.49 N·m

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。

以 rad/s 表示的转速

ω = 2π·1450/60 = 151.8 rad/s

扭矩

T = P/ω = 2200/151.8 = 14.49 N·m

答案

T = 14.49 N·m
2.直流电机

答案: Pmax = 3000 W

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。

功率与反电动势的关系

P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 60 V

最大功率

Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 120²/(4·1.2) = 3000 W

答案

Pmax = 3000 W

此时效率只有 50 %,所以实际电机运行时远高于半速。

3.齿轮与齿轮系

答案: Tw = 328.3 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.

蜗轮转速

nw = n·z/Nw = 960·3/60 = 48 rpm

输出扭矩

ωw = 2π·48/60 = 5.027 rad/s
Tw = η·P/ωw = 0.75·2200/5.027 = 328.3 N·m

答案

Tw = 328.3 N·m
4.齿轮与齿轮系

答案: θ = 166.8 °

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。

皮带角

asin(0.115) = 6.604°

包角

θ = 180 − 2·6.604 = 166.8°

答案

θ = 166.8°
5.数据采集与采样

答案: N = 13

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

2500 mV/0.5 mV = 5000

位数

log₂(5000) = 12.29
212 = 4096 < 5000 ≤ 213 = 8192
N = 13

答案

N = 13
6.数据采集与采样

答案: N = 13

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 ≥ (75 − 1.76)/6.02 = 12.17

向上取整

N = 13
校核: 6.02·13 + 1.76 = 80.02 dB ≥ 75 dB

答案

N = 13
7.惠斯通电桥与应变片

答案: Vab = 30 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 = 2/200 = 0.01

线性化输出

Vab ≈ 12·0.01/4 = 30 mV

答案

Vab = 30 mV

精确值为 29.85 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: Vo = 16 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 = 2·800·10⁻⁶ = 0.0016

电桥输出

Vo = Vs·GF·ε = 10·0.0016 = 16 mV

答案

Vo = 16 mV
9.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 20

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。

所需速度误差常数

Kv = A/ess = 2/0.1 = 20

增益

K = 1·Kv = 20

答案

K = 20

增益很大时,这个回路的阻尼很小:ζ = 0.1118。这种矛盾正是需要使用补偿器的原因。

10.稳态误差与 PID 控制

答案: tp = 0.3728 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 + 6) + 16·5 = s² + 6s + 80

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √80 = 8.944 rad/s
ζ = 6/(2·8.944) = 0.3354

峰值时间

ωd = 8.944·√(1 − 0.3354²) = 8.426 rad/s
tp = π/8.426 = 0.3728 s

答案

tp = 0.3728 s
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 = 42 → ωₙ = 6.481 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·6.481) = 0.1543

结果

σ = −ζωₙ = −2/2 = −1

答案

σ = −1
12.阶跃响应

答案: vC,max = 26.27 V

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/√(0.5·2.2 × 10⁻⁵) = 301.5 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (181/2)·√(2.2 × 10⁻⁵/0.5) = 0.6003

结果

%OS = 9.46 %
vC,max = 24·(1 + 0.0946) = 26.27 V

答案

vC,max = 26.27 V

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