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)Tst​ = ?n0​

某直流电机的 k = 1.2 N·m/A,Ra = 0.25 Ω,接到 120 V 电源上。求它的堵转转矩 Tstall,即转速为零时的转矩。

V = 120 Vk = 1.2 N·m/ARa = 0.25 Ω
Tstall = N·m
2.直流电机困难
+−120 VD = ?Ra​ = 1.5 ΩM+−En = 500 rpmT = 7.2 N·m

某直流斩波器从 120 V 直流母线给电机(k = 1.2 V·s/rad,Ra = 1.5 Ω)供电。平均电枢电压为 D·120 V。求使电机在 7.2 N·m 负载下以 500 rpm 运转的占空比 D。

Vdc = 120 Vk = 1.2 V·s/radRa = 1.5 ΩT = 7.2 N·mn = 500 rpm
D = %
3.齿轮与齿轮系中等
d1​ = 125 mmd2​ = 500 mm720 rpmT1​ = 400 NT2​ = 100 NP = ?

一条皮带绕在一个以 720 rpm 转动、直径 125 mm 的主动轮上。紧边张力为 400 N,松边张力为 100 N。求传递的功率 P,单位 kW。

d1 = 125 mmn1 = 720 rpmT1 = 400 NT2 = 100 N
P = kW
4.齿轮与齿轮系困难
A = 24B = 72C = 25D = ?

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(24 齿)以 3000 rpm 转动,驱动齿轮 B(72 齿)。齿轮 C(25 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 312.5 rpm 转动。齿轮 D 须有多少个齿 ND?

nin = 3000 rpmA = 24B = 72C = 25nout = 312.5 rpm
ND =
5.数据采集与采样中等
tTs​ = 1/fs​f = 12.5 kHzfs​ = 10 kHz

一个 12.5 kHz 的正弦波在没有抗混叠滤波器的情况下以 10 kHz 采样。它在采样中出现在哪个频率 fa?以 kHz 给出。

f = 12.5 kHzfs = 10 kHz
fa = kHz
6.数据采集与采样困难
126⋮6 ch∿01tc​ = 2 µstset​ = 2 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 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 µs
fs = kHz
7.惠斯通电桥与应变片中等
+−12 V220 Ω220 Ω + ΔR220 Ω220 Ωab+−117.7 mV

某电桥的四个臂均为 220 Ω,由 12 V 供电。当传感器 R₂ 变化时,输出读数为 Vab = 117.7 mV。求 R₂ 的精确变化量 ΔR。

Vs = 12 VR = 220 ΩVab = 117.7 mV
ΔR = Ω
8.惠斯通电桥与应变片困难
+−10 V350 Ω − ΔR350 Ω + ΔR350 Ω + ΔR350 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

某称重传感器(应变片全桥)在额定载荷 500 kg 时的额定输出为 1.5 mV/V。激励电压为 10 V。求它在 125 kg 载荷下的输出 Vo。

1.5 mV/VFrated = 500 kgVs = 10 VF = 125 kg
Vo = mV
9.稳态误差与 PID 控制中等
R(s)+K(s + 2)(s + 5)C(s)−

某单位负反馈回路的 G(s) = K/((s + 2)(s + 5))。求使阶跃输入的稳态误差为 5 % 的增益 K。

G(s) = K/((s + 2)(s + 5))ess = 5 %
K =
10.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K2s(s + 5)C(s)−

比例控制器 K 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 2/(s(s + 5))。求使闭环阻尼比 ζ = 0.4 的增益 K。

G(s) = 2/(s(s + 5))ζ = 0.4
K =
11.阶跃响应中等
t (s)y(t)3ts​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 225/(s² + 6s + 75),输入为单位阶跃。 用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 225/(s² + 6s + 75)
ts = s
12.阶跃响应困难
k = 100 N/mc = 13 N·s/mm = 2.5 kgF = 25 Nx(t)

质量 m = 2.5 kg 的物体挂在弹簧 k = 100 N/m 上,带有黏性阻尼器 c = 13 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 = 25 N。 求最大位移 xmax,单位 mm。

m = 2.5 kgk = 100 N/mc = 13 N·s/mF = 25 N
xmax = mm

3溶液

1.直流电机

答案: Tstall = 576 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。

堵转电流

Ia = V/Ra = 120/0.25 = 480 A

堵转转矩

Tstall = 1.2·480 = 576 N·m

答案

Tstall = 576 N·m
2.直流电机

答案: D = 59.86 %

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 = 1.2·52.36 + 6·1.5 = 71.83 V

占空比

D = 71.83/120 = 59.86 %

答案

D = 59.86 %
3.齿轮与齿轮系

答案: P = 1.414 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 = 4.712 m/s

功率

P = (400 − 100)·4.712 = 1414 W = 1.414 kW

答案

P = 1.414 kW
4.齿轮与齿轮系

答案: ND = 80

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 = 3000·24/72 = 1000 rpm

齿轮 D 的齿数

ND = C·nC/nout = 25·1000/312.5 = 80

答案

ND = 80
5.数据采集与采样

答案: fa = 2.5 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 = 5 kHz < f = 12.5 kHz

最接近的采样率整数倍

k = round(12.5/10) = 1

混叠频率

fa = |12.5 − 1·10| = 2.5 kHz

答案

fa = 2.5 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: fs = 41.67 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 = 4 µs

每次扫描的时间

6·4 = 24 µs

每个通道的采样率

fs = 1/24 µs = 41.67 kHz

答案

fs = 41.67 kHz
7.惠斯通电桥与应变片

答案: ΔR = 8.8 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 = 6 + 0.1177 = 6.118 V

解分压公式

R₂ = 220·6.118/(12 − 6.118) = 228.8 Ω
ΔR = 228.8 − 220 = 8.8 Ω

答案

ΔR = 8.8 Ω
8.惠斯通电桥与应变片

答案: Vo = 3.75 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。

满量程输出

1.5·10 = 15 mV

该载荷下的输出

Vo = 15·125/500 = 3.75 mV

答案

Vo = 3.75 mV
9.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 190

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。

所需误差常数

1/(1 + Kp) = 0.05 → Kp = 19

增益

K/10 = 19 → K = 190

答案

K = 190

还要检查闭环稳定性:对这个二阶回路,任何 K > 0 都是稳定的。

10.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 19.53

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) + 2K = s² + 5s + 2K

固有频率

2·0.4·ωₙ = 5 → ωₙ = 6.25 rad/s

增益

2K = ωₙ² = 39.06 → K = 19.53

答案

K = 19.53
11.阶跃响应

答案: ts = 1.333 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 = 75 → ωₙ = 8.66 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·8.66) = 0.3464

结果

ζωₙ = 3 → ts ≈ 4/3 = 1.333 s

答案

ts = 1.333 s
12.阶跃响应

答案: xmax = 310.6 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) = √(100/2.5) = 6.325 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 13/(2·√(100·2.5)) = 0.4111

结果

xst = F/k = 25/100 m = 250 mm
%OS = 24.25 %
xmax = 250·(1 + 0.2425) = 310.6 mm

答案

xmax = 310.6 mm

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