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)9.6 N·mn0​n = ?

某直流电机(k = 1.2 N·m/A,Ra = 1.2 Ω)由 240 V 供电,带动 9.6 N·m 的负载转矩。求它的转速 n,单位为 rpm。

V = 240 Vk = 1.2 N·m/ARa = 1.2 ΩT = 9.6 N·m
n = rpm
2.直流电机困难
+−240 VRa​ = 1.2 ΩM+−En = ?T = 15 N·m

某他励直流电机(满励磁时 k = 1.5 V·s/rad,Ra = 1.2 Ω,V = 240 V)带动 15 N·m 的恒定负载转矩。励磁磁通降到满值的 70 %。求新的转速 n。

V = 240 Vk = 1.5 V·s/radRa = 1.2 ΩT = 15 N·mΦ = 70 %
n = rpm
3.齿轮与齿轮系中等
d1​ = 80 mmd2​ = 315 mm1440 rpmT1​ = 1000 NT2​ = 250 NP = ?

一条皮带绕在一个以 1440 rpm 转动、直径 80 mm 的主动轮上。紧边张力为 1000 N,松边张力为 250 N。求传递的功率 P,单位 kW。

d1 = 80 mmn1 = 1440 rpmT1 = 1000 NT2 = 250 N
P = kW
4.齿轮与齿轮系困难
A = 30B = 36C = 12D = 24

一台 11 kW、1440 rpm 的电动机驱动齿轮 A(30 齿),A 与齿轮 B(36 齿)啮合。与 B 同轴的齿轮 C(12 齿)驱动输出轴上的齿轮 D(24 齿)。每对齿轮啮合的效率为 95%。求输出转矩 Tout。

P = 11 kWnin = 1440 rpmA = 30B = 36C = 12D = 24ηmesh = 95%
Tout = N·m
5.数据采集与采样中等
Vin​N = 8VFSR​2ᴺ − 101 LSB

求 8 位 ADC 在满量程正弦波下的理想信号量化噪声比 SQNR。

N = 8
SQNR = dB
6.数据采集与采样困难
128⋮8 ch∿01tc​ = 1 µstset​ = 1 µsfs​ = ?

一个 8 通道的多路复用器为一个 ADC 供给信号。每次转换需要 1 µs,每次切换通道后输入还需要 1 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 = 8tc = 1 µstset = 1 µs
fs = kHz
7.惠斯通电桥与应变片中等
+−2 V350 Ω350 Ω350 Ω350 Ωab+−

一个 350 Ω 的应变片是电桥的一个臂(R₂),电桥四个臂均为 350 Ω,激励电压为 2 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 = 2 VR = 350 Ω
Pg = mW
8.惠斯通电桥与应变片困难
+−3 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−Vo​

某 1/4 桥(一个工作应变片,GF = 2)的激励电压为 3 V。要测量的最大应变为 750 µε,它在模数转换器输入端必须给出 10 V。求放大器增益 G。

Vs = 3 VGF = 2εmax = 750 µεVFS = 10 V
G =
9.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 10 + 3t+2(s + 1)s(s + 2)(s + 4)C(s)−

输入 r(t) = 10 + 3t(阶跃加斜坡)加到 G(s) = 2(s + 1)/(s(s + 2)(s + 4)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。

G(s) = 2(s + 1)/(s(s + 2)(s + 4))r(t) = 10 + 3t
ess =
10.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+Kp​ + Ki​/s10s + 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) = 10/(s + 1)。闭环必须满足 ωₙ = 3 rad/s 和 ζ = 0.7。求比例增益 Kp。

G(s) = 10/(s + 1)ωₙ = 3 rad/sζ = 0.7
Kp =
11.阶跃响应中等
t (s)y(t)1ts​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 23/(s² + 5s + 23),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) = 23/(s² + 5s + 23)
ts = s
12.阶跃响应困难
k = 2000 N/mc = 27 N·s/mm = 4 kgF = 25 Nx(t)

质量 m = 4 kg 的物体挂在弹簧 k = 2000 N/m 上,带有黏性阻尼器 c = 27 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。 求位移最大的时刻 tp。

m = 4 kgk = 2000 N/mc = 27 N·s/mF = 25 N
tp = s

3溶液

1.直流电机

答案: n = 1833 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。

电枢电流

Ia = T/k = 9.6/1.2 = 8 A

反电动势与转速

E = 240 − 8·1.2 = 230.4 V
ω = E/k = 192 rad/s → n = 1833 rpm

答案

n = 1833 rpm
2.直流电机

答案: n = 2027 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。

减弱后的电机常数

k₂ = 0.7·1.5 = 1.05 V·s/rad

新的电枢电流

Ia = 15/1.05 = 14.29 A

新的转速

ω = (240 − 14.29·1.2)/1.05 = 212.2 rad/s → n = 2027 rpm

答案

n = 2027 rpm

弱磁就是直流驱动器在基速以上运行的方法。

3.齿轮与齿轮系

答案: P = 4.524 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 = 6.032 m/s

功率

P = (1000 − 250)·6.032 = 4524 W = 4.524 kW

答案

P = 4.524 kW
4.齿轮与齿轮系

答案: Tout = 158 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·(30/36)·(12/24) = 600 rpm
ωout = 2π·600/60 = 62.83 rad/s

输出功率和转矩

Pout = 11000·0.95² = 9928 W
Tout = Pout/ωout = 9928/62.83 = 158 N·m

答案

Tout = 158 N·m
5.数据采集与采样

答案: SQNR = 49.92 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 = 6.02·8 + 1.76 = 49.92 dB

答案

SQNR = 49.92 dB
6.数据采集与采样

答案: fs = 62.5 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

1 + 1 = 2 µs

每次扫描的时间

8·2 = 16 µs

每个通道的采样率

fs = 1/16 µs = 62.5 kHz

答案

fs = 62.5 kHz
7.惠斯通电桥与应变片

答案: Pg = 2.857 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 = 2/2 = 1 V

功率

Pg = 1²/350 = 2.857 mW

答案

Pg = 2.857 mW
8.惠斯通电桥与应变片

答案: G = 8889

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。

满量程时的电桥输出

Vo = 1.125 mV

增益

G = 10/0.001125 = 8889

答案

G = 8889
9.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 12

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。

速度误差常数

Kv = lim s·G(s) = 0.25

阶跃部分

Kp = ∞ → estep = 0

斜坡误差

ess = 3/0.25 = 12

答案

ess = 12
10.稳态误差与 PID 控制

答案: Kp = 0.32

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 + 10Kp)s + 10Ki

目标多项式

s² + 2·0.7·3s + 3² = s² + 4.2s + 9

匹配各项系数

1 + 10Kp = 4.2 → Kp = 0.32

答案

Kp = 0.32

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: ts = 1.6 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 = 23 → ωₙ = 4.796 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·4.796) = 0.5213

结果

ζωₙ = 2.5 → ts ≈ 4/2.5 = 1.6 s

答案

ts = 1.6 s
12.阶跃响应

答案: tp = 0.1421 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)。

固有频率和阻尼比

ωₙ = √(k/m) = √(2000/4) = 22.36 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 27/(2·√(2000·4)) = 0.1509

结果

ωd = 22.1 rad/s
tp = π/ωd = 0.1421 s

答案

tp = 0.1421 s

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