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
+−220 VRa​ = 1.5 ΩIa​ = 5 AM+−EωT

某直流电机从 220 V 电源吸取 5 A 电流。其电枢电阻为 1.5 Ω,旋转损耗(摩擦、风阻和铁损)为 32 W。求它的效率 η。

V = 220 VIa = 5 ARa = 1.5 ΩProt = 32 W
η = %
2.直流电机困难
+−110 VRa​ = 3 ΩM+−EωT

某小型直流电机的电枢电阻为 3 Ω,由 110 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 = 110 VRa = 3 Ω
Pmax = W
3.齿轮与齿轮系中等
N1​ = 20N2​ = 50

一台 15 kW 的电动机以 1500 rpm 运转,驱动一个齿数为 20 的小齿轮,小齿轮与一个齿数为 50 的大齿轮啮合。 该齿轮副的效率为 95%。 求电动机轴上的扭矩 T1。

P = 15 kWn1 = 1500 rpmN1 = 20N2 = 50η = 95%
T1 = N·m
4.齿轮与齿轮系困难
A = 16B = 36C = 24D = ?

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(16 齿)以 2880 rpm 转动,驱动齿轮 B(36 齿)。齿轮 C(24 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 1024 rpm 转动。齿轮 D 须有多少个齿 ND?

nin = 2880 rpmA = 16B = 36C = 24nout = 1024 rpm
ND =
5.数据采集与采样中等
Vin​N = 16VFSR​2ᴺ − 101 LSB

求 16 位 ADC 在满量程正弦波下的理想信号量化噪声比 SQNR。

N = 16
SQNR = dB
6.数据采集与采样困难
f0fs​/2fs​1.5 kHz3f₁?

一个 1.5 kHz 方波在没有抗混叠滤波器的情况下以 5 kHz 采样。方波含有奇次谐波 3f₁、5f₁、7f₁、…… 它的谐波 3f₁ 在采样数据中出现在哪个频率 fa?以 Hz 给出。

f₁ = 1.5 kHzfs = 5 kHz谐波: 3f₁
fa = Hz
7.惠斯通电桥与应变片中等
+−6 V220 Ω220 Ω220 Ω220 Ωab+−

一个 220 Ω 的应变片是电桥的一个臂(R₂),电桥四个臂均为 220 Ω,激励电压为 6 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 = 6 VR = 220 Ω
Pg = mW
8.惠斯通电桥与应变片困难
+−2.5 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−Vo​ = ?

某电桥的各臂为 350 Ω,激励电压为 2.5 V,采用 一个工作应变片(1/4 桥)。灵敏系数为 2.05,应变为 600 µε。求电桥输出 Vo,单位为 mV。

Vs = 2.5 VGF = 2.05ε = 600 µε
Vo = mV
9.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 10t+Ks(s + 10)C(s)−

某单位负反馈回路的 G(s) = K/(s(s + 10)),必须以 0.2 的稳态误差跟踪斜坡 r(t) = 10t。求增益 K。

G(s) = K/(s(s + 10))r(t) = 10tess = 0.2
K =
10.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 85s(s + 6)C(s)−

比例控制器 K = 8 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 5/(s(s + 6))。 用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 5/(s(s + 6))K = 8
ts = s
11.阶跃响应中等
t (s)y(t)0.5tp​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 41.5/(s² + 5s + 83),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的峰值时间 tp。

G(s) = 41.5/(s² + 5s + 83)
tp = s
12.阶跃响应困难
k = 200 N/mc = 9 N·s/mm = 10 kgF = 25 Nx(t)

质量 m = 10 kg 的物体挂在弹簧 k = 200 N/m 上,带有黏性阻尼器 c = 9 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 = 10 kgk = 200 N/mc = 9 N·s/mF = 25 N
xmax = mm

3溶液

1.直流电机

答案: η = 93.68 %

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 = 220·5 = 1100 W
Pdev = 212.5·5 = 1063 W
Pout = 1063 − 32 = 1031 W

效率

η = 1031/1100·100 = 93.68 %

答案

η = 93.68 %
2.直流电机

答案: Pmax = 1008 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 = 55 V

最大功率

Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 110²/(4·3) = 1008 W

答案

Pmax = 1008 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: T1 = 95.49 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·1500/60 = 157.1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 15000/157.1 = 95.49 N·m

答案

T1 = 95.49 N·m
4.齿轮与齿轮系

答案: ND = 30

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 = 2880·16/36 = 1280 rpm

齿轮 D 的齿数

ND = C·nC/nout = 24·1280/1024 = 30

答案

ND = 30
5.数据采集与采样

答案: SQNR = 98.08 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 = 6.02·16 + 1.76 = 98.08 dB

答案

SQNR = 98.08 dB
6.数据采集与采样

答案: fa = 500 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。

谐波频率

3f₁ = 3·1.5 kHz = 4.5 kHz

最接近的采样率整数倍

m = round(0.9) = 1

混叠频率

fa = |4500 − 1·5000| = 500 Hz

答案

fa = 500 Hz

混叠落在信号频带内,任何数字滤波器都无法去除它。只有在 ADC 之前使用模拟滤波器才有帮助。

7.惠斯通电桥与应变片

答案: Pg = 40.91 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 = 6/2 = 3 V

功率

Pg = 3²/220 = 40.91 mW

答案

Pg = 40.91 mW
8.惠斯通电桥与应变片

答案: Vo = 0.7687 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 = 2.05·600·10⁻⁶ = 0.00123

电桥输出

Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 2.5·0.00123/4 = 0.7687 mV

答案

Vo = 0.7687 mV
9.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 500

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 = 10/0.2 = 50

增益

K = 10·Kv = 500

答案

K = 500

增益很大时,这个回路的阻尼很小:ζ = 0.2236。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: ts = 1.333 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) + 8·5 = s² + 6s + 40

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √40 = 6.325 rad/s
ζ = 6/(2·6.325) = 0.4743

调节时间

ζωₙ = 6/2 = 3
ts ≈ 4/3 = 1.333 s

答案

ts = 1.333 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: tp = 0.3586 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 = 83 → ωₙ = 9.11 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·9.11) = 0.2744

结果

ωd = 9.11·√(1 − 0.2744²) = 8.761 rad/s → tp = π/ωd = 0.3586 s

答案

tp = 0.3586 s
12.阶跃响应

答案: xmax = 216 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) = √(200/10) = 4.472 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 9/(2·√(200·10)) = 0.1006

结果

xst = F/k = 25/200 m = 125 mm
%OS = 72.78 %
xmax = 125·(1 + 0.7278) = 216 mm

答案

xmax = 216 mm

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