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)0.32 N·mn0​nFL​

某直流电机(k = 0.08 V·s/rad,Ra = 0.5 Ω)由 24 V 供电。满载时电流为 4 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 = 24 Vk = 0.08 V·s/radRa = 0.5 ΩIFL = 4 A
SR = %
2.直流电机困难
+−48 VRs​ = ?Ra​ = 2 ΩM+−En = 400 rpmT = 1 N·m

某直流电机(k = 0.5 V·s/rad,Ra = 2 Ω)接在固定的 48 V 电源上,带动 1 N·m 的负载。求把转速降到 400 rpm 所需的串联电阻 Rs。

V = 48 Vk = 0.5 V·s/radRa = 2 ΩT = 1 N·mn = 400 rpm
Rs = Ω
3.齿轮与齿轮系中等
N1​ = 25, m = 4 mm

一台 1.1 kW、转速 2900 rpm 的电动机驱动一个齿数为 25、模数为 4 mm 的小齿轮。求小齿轮齿上的切向力 Ft。

P = 1.1 kWn = 2900 rpmN1 = 25m = 4 mm
Ft = N
4.齿轮与齿轮系困难
d1​ = 80 mmd2​ = 500 mm720 rpmC = 1200 mmθ = ?

一条开口皮带连接一个 80 mm 的带轮和一个 500 mm 的带轮,二者中心相距 1200 mm。求小带轮上的包角 θ,单位为度。

d1 = 80 mmd2 = 500 mmC = 1200 mm
θ = °
5.数据采集与采样中等
tTs​ = 1/fs​f = 1.3 kHzfs​ = 2 kHz

一个 1.3 kHz 的正弦波在没有抗混叠滤波器的情况下以 2 kHz 采样。它在采样中出现在哪个频率 fa?以 Hz 给出。

f = 1.3 kHzfs = 2 kHz
fa = Hz
6.数据采集与采样困难
T1 mV/°C×20∿01N = 10, 2.5 V? °C/LSB

一个温度传感器给出 1 mV/°C(0 °C 时为 0 V)。其信号被放大 20 倍后送入量程为 0 到 2.5 V 的 10 位 ADC(1 LSB = VFSR/2ᴺ)。求对应一个 LSB 的温度变化 ΔTLSB。

S = 1 mV/°CG = 20N = 10VFSR = 2.5 V
ΔTLSB = °C
7.惠斯通电桥与应变片中等
+−10 V500 Ω500 Ω500 Ω500 Ωab+−

一个 500 Ω 的应变片是电桥的一个臂(R₂),电桥四个臂均为 500 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 = 500 Ω
Pg = mW
8.惠斯通电桥与应变片困难
+−2.5 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−0.656 mV

某构件(E = 70 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 0.656 mV。求轴向应力 σ,单位为 MPa。

Vs = 2.5 VGF = 2.1Vo = 0.656 mVE = 70 GPa
σ = MPa
9.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 2 + 4t+20s(s + 1)C(s)−

输入 r(t) = 2 + 4t(阶跃加斜坡)加到 G(s) = 20/(s(s + 1)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。

G(s) = 20/(s(s + 1))r(t) = 2 + 4t
ess =
10.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 162s(s + 4)C(s)−

比例控制器 K = 16 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 2/(s(s + 4))。 用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 2/(s(s + 4))K = 16
ts = s
11.阶跃响应中等
t (s)y(t)1?

某系统的传递函数为 G(s) = 44/(s² + 5s + 44),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 44/(s² + 5s + 44)
%OS = %
12.阶跃响应困难
t (s)y(t)140 %

一个没有零点的二阶系统,其阶跃响应必须有 40 % 的超调量。求阻尼比 ζ。

%OS = 40 %
ζ =

3溶液

1.直流电机

答案: SR = 9.091 %

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 = 60·24/(2π·0.08) = 2865 rpm
nFL = 60·(24 − 4·0.5)/(2π·0.08) = 2626 rpm

转速调整率

SR = (2865 − 2626)/2626·100 = 9.091 %

答案

SR = 9.091 %
2.直流电机

答案: Rs = 11.53 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 = 1/0.5 = 2 A
E = 0.5·41.89 = 20.94 V

串联电阻

Ra + Rs = (48 − 20.94)/2 = 13.53 Ω
Rs = 11.53 Ω

答案

Rs = 11.53 Ω

该电阻消耗 46.11 W;斩波器调速的损耗要小得多。

3.齿轮与齿轮系

答案: Ft = 72.44 N

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

小齿轮上的转矩

ω = 2π·2900/60 = 303.7 rad/s
T = P/ω = 1100/303.7 = 3.622 N·m

分度圆直径

d = m·N = 4·25 = 100 mm

切向力

Ft = 2T/d = 2·3.622/0.1 = 72.44 N

答案

Ft = 72.44 N
4.齿轮与齿轮系

答案: θ = 159.8 °

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(0.175) = 10.08°

包角

θ = 180 − 2·10.08 = 159.8°

答案

θ = 159.8°
5.数据采集与采样

答案: fa = 700 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 = 1 kHz < f = 1.3 kHz

最接近的采样率整数倍

k = round(1300/2000) = 1

混叠频率

fa = |1300 − 1·2000| = 700 Hz

答案

fa = 700 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 = 0.1221 °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 = 2500/1024 = 2.441 mV

ADC 处的灵敏度

1·20 = 20 mV/°C

温度分辨率

ΔTLSB = 2.441/20 = 0.1221 °C

答案

ΔTLSB = 0.1221 °C

ADC 在 125 °C 时达到满量程。

7.惠斯通电桥与应变片

答案: Pg = 50 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 = 5²/500 = 50 mW

答案

Pg = 50 mW
8.惠斯通电桥与应变片

答案: σ = 34.99 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 = 4·0.000656/(2.5·2.1) = 0.0004998

应力

σ = 70·10³ MPa·0.0004998 = 34.99 MPa

答案

σ = 34.99 MPa
9.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 0.2

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) = 20

阶跃部分

Kp = ∞ → estep = 0

斜坡误差

ess = 4/20 = 0.2

答案

ess = 0.2
10.稳态误差与 PID 控制

答案: ts = 2 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 + 4) + 16·2 = s² + 4s + 32

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √32 = 5.657 rad/s
ζ = 4/(2·5.657) = 0.3536

调节时间

ζωₙ = 4/2 = 2
ts ≈ 4/2 = 2 s

答案

ts = 2 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: %OS = 27.85 %

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 = 44 → ωₙ = 6.633 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·6.633) = 0.3769

结果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1.278 = 27.85 %

答案

%OS = 27.85 %
12.阶跃响应

答案: ζ = 0.28

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(0.4)/√(π² + ln²(0.4)) = 0.9163/√(9.87 + 0.8396) = 0.28

答案

ζ = 0.28

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