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。

新题目返回课程

在打印窗口中选择“另存为 PDF”,即可在设备上保存一份副本。

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)24 N·mn0​nFL​

某直流电机(k = 0.6 V·s/rad,Ra = 0.4 Ω)由 220 V 供电。满载时电流为 40 A。忽略空载电流,求它的转速调整率 SR = (n₀ − nFL)/nFL,以百分数表示。

V = 220 Vk = 0.6 V·s/radRa = 0.4 ΩIFL = 40 A
SR = %
2.直流电机困难
+−24 VRs​ = ?Ra​ = 0.5 ΩM+−En = 800 rpmT = 0.32 N·m

某直流电机(k = 0.08 V·s/rad,Ra = 0.5 Ω)接在固定的 24 V 电源上,带动 0.32 N·m 的负载。求把转速降到 800 rpm 所需的串联电阻 Rs。

V = 24 Vk = 0.08 V·s/radRa = 0.5 ΩT = 0.32 N·mn = 800 rpm
Rs = Ω
3.齿轮与齿轮系中等
Nw​ = 60z = 1, 1440 rpm

一个 1 头的蜗杆以 1440 rpm 转动,驱动一个 60 齿的蜗轮。求蜗轮的转速 nw。

z = 1Nw = 60n = 1440 rpm
nw = rpm
4.齿轮与齿轮系困难
A = 24B = 50C = 36D = 40

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(24 齿)以 960 rpm 转动,驱动齿轮 B(50 齿)。齿轮 C(36 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D(40 齿)。求输出转速 nout。

nin = 960 rpmA = 24B = 50C = 36D = 40
nout = rpm
5.数据采集与采样中等
tTs​ = 1/fs​f = 4.6 kHzfs​ = 4 kHz

一个 4.6 kHz 的正弦波在没有抗混叠滤波器的情况下以 4 kHz 采样。它在采样中出现在哪个频率 fa?以 Hz 给出。

f = 4.6 kHzfs = 4 kHz
fa = Hz
6.数据采集与采样困难
T10 mV/°C×1∿01N = 12, 10 V? °C/LSB

一个温度传感器给出 10 mV/°C(0 °C 时为 0 V)。其信号被放大 1 倍后送入量程为 0 到 10 V 的 12 位 ADC(1 LSB = VFSR/2ᴺ)。求对应一个 LSB 的温度变化 ΔTLSB。

S = 10 mV/°CG = 1N = 12VFSR = 10 V
ΔTLSB = °C
7.惠斯通电桥与应变片中等
+−10 V400 Ω400 Ω400 Ω400 Ωab+−

一个 400 Ω 的应变片是电桥的一个臂(R₂),电桥四个臂均为 400 Ω,激励电压为 10 V。求应变片上消耗的功率 Pg,单位为 mW。自热限制了激励电压。

Vs = 10 VR = 400 Ω
Pg = mW
8.惠斯通电桥与应变片困难
+−2.5 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−0.263 mV

某构件(E = 110 GPa)上的应变片(GF = 2.1)接成 1/4 桥,激励电压为 2.5 V。输出读数为 0.263 mV。求轴向应力 σ,单位为 MPa。

Vs = 2.5 VGF = 2.1Vo = 0.263 mVE = 110 GPa
σ = MPa
9.稳态误差与 PID 控制中等
R(s)+K(s + 5)(s + 10)C(s)−

某单位负反馈回路的 G(s) = K/((s + 5)(s + 10))。求使阶跃输入的稳态误差为 25 % 的增益 K。

G(s) = K/((s + 5)(s + 10))ess = 25 %
K =
10.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+Kp​ + Ki​/s5s + 1C(s)−

PI 控制器 C(s) = Kp + Ki/s 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 5/(s + 1)。闭环必须满足 ωₙ = 2 rad/s 和 ζ = 0.7。求比例增益 Kp。

G(s) = 5/(s + 1)ωₙ = 2 rad/sζ = 0.7
Kp =
11.阶跃响应中等
t (s)y(t)3

某系统的传递函数为 G(s) = 33/(s² + 3s + 11),输入为单位阶跃。 极点为 s = σ ± jωd。求实部 σ。

G(s) = 33/(s² + 3s + 11)
σ =
12.阶跃响应困难
t (s)y(t)15 %

一个没有零点的二阶系统,其阶跃响应必须有 5 % 的超调量。求阻尼比 ζ。

%OS = 5 %
ζ =

3溶液

1.直流电机

答案: SR = 7.843 %

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。

空载转速和满载转速

n₀ = 60·220/(2π·0.6) = 3501 rpm
nFL = 60·(220 − 40·0.4)/(2π·0.6) = 3247 rpm

转速调整率

SR = (3501 − 3247)/3247·100 = 7.843 %

答案

SR = 7.843 %
2.直流电机

答案: Rs = 3.824 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。

电流与反电动势

Ia = 0.32/0.08 = 4 A
E = 0.08·83.78 = 6.702 V

串联电阻

Ra + Rs = (24 − 6.702)/4 = 4.324 Ω
Rs = 3.824 Ω

答案

Rs = 3.824 Ω

该电阻消耗 61.19 W;斩波器调速的损耗要小得多。

3.齿轮与齿轮系

答案: nw = 24 rpm

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 = 1440·1/60 = 24 rpm

答案

nw = 24 rpm
4.齿轮与齿轮系

答案: nout = 414.7 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 = 960·24/50 = 460.8 rpm = nC

第二级

nout = 460.8·36/40 = 414.7 rpm

答案

nout = 414.7 rpm

总传动比 = 2.315 : 1

5.数据采集与采样

答案: fa = 600 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 = 2 kHz < f = 4.6 kHz

最接近的采样率整数倍

k = round(4600/4000) = 1

混叠频率

fa = |4600 − 1·4000| = 600 Hz

答案

fa = 600 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: ΔTLSB = 0.2441 °C

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。

步长

1 LSB = 10000/4096 = 2.441 mV

ADC 处的灵敏度

10·1 = 10 mV/°C

温度分辨率

ΔTLSB = 2.441/10 = 0.2441 °C

答案

ΔTLSB = 0.2441 °C

ADC 在 1000 °C 时达到满量程。

7.惠斯通电桥与应变片

答案: Pg = 62.5 mW

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。

应变片两端的电压

V = 10/2 = 5 V

功率

Pg = 5²/400 = 62.5 mW

答案

Pg = 62.5 mW
8.惠斯通电桥与应变片

答案: σ = 22.04 MPa

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。

应变

ε = 4·0.000263/(2.5·2.1) = 0.0002004

应力

σ = 110·10³ MPa·0.0002004 = 22.04 MPa

答案

σ = 22.04 MPa
9.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 150

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) = 0.25 → Kp = 3

增益

K/50 = 3 → K = 150

答案

K = 150

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: Kp = 0.36

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

1 + C(s)G(s) = 0,两边乘以 s(s + 1)。

s² + (1 + 5Kp)s + 5Ki

目标多项式

s² + 2·0.7·2s + 2² = s² + 2.8s + 4

匹配各项系数

1 + 5Kp = 2.8 → Kp = 0.36

答案

Kp = 0.36

积分项使回路成为 1 型,所以阶跃输入可以被无稳态误差地跟踪。

11.阶跃响应

答案: σ = −1.5

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 = 11 → ωₙ = 3.317 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·3.317) = 0.4523

结果

σ = −ζωₙ = −3/2 = −1.5

答案

σ = −1.5
12.阶跃响应

答案: ζ = 0.6901

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(0.05)/√(π² + ln²(0.05)) = 2.996/√(9.87 + 8.974) = 0.6901

答案

ζ = 0.6901

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems