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1Fórmulas y métodos
Motores de corriente continua
Circuito del inducido
V = E + IaRa
Fuerza contraelectromotriz y par
E = k·ω, T = k·Ia
Rapidez
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Velocidad en vacío y par de bloqueo
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Potencias
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Arranque
Istart = V/(Ra + Rst)
Regulación de velocidad
SR = (n0 − nFL)/nFL
Máxima potencia desarrollada
Pmax = V²/(4Ra)
Accionamiento con troceador
Va = D·Vdc
Método
Dibuja el circuito del inducido: la alimentación V, la resistencia Ra y la fuerza contraelectromotriz E en serie.
Usa V = E + Ia·Ra para relacionar tensión, corriente y fuerza contraelectromotriz.
Usa E = k·ω para la velocidad y T = k·Ia para el par, con ω = 2π·n/60.
Para potencia y rendimiento, parte de V·Ia, resta las pérdidas en el cobre Ia²·Ra y después las pérdidas rotacionales.
Engranajes y trenes de engranajes
Engranajes en contacto
n1·N1 = n2·N2
Par
T2 = T1·(N2/N1)·η
Potencia
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Tren compuesto
relación total = producto de las relaciones de cada etapa
Adquisición de datos y muestreo
Criterio de Nyquist
fs > 2·fmax, fN = fs/2
Frecuencia de aliasing
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
Tamaño del paso
1 LSB = VFSR/2ᴺ
Error de cuantización (redondeo)
±½ LSB
Código del ADC con truncamiento
D = ⌊Vin/LSB⌋
Bits para una resolución r
2ᴺ ≥ span/r
SQNR ideal, senoide a fondo de escala
SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
Tasa de datos
canales × fs × N bit/s
ADC multiplexado
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/baudios; 8N1 = 10 bits por byte; bytes/s = baudios/bits por trama
Divisor de la tasa de baudios
baud = fclk/(16·D)
Método
Anota los datos: frecuencia de muestreo, frecuencias de la señal, número de bits, rango de entrada, tasa de baudios.
En las preguntas de muestreo, compara cada frecuencia con fs/2; una frecuencia mayor aparece en fa = |f − k·fs|, con el múltiplo de fs más cercano.
En las preguntas de resolución, halla 1 LSB = VFSR/2ᴺ, o el menor N con 2ᴺ ≥ rango/resolución.
En las tasas de datos y los enlaces UART, cuenta todo lo que se envía: canales, muestras por segundo, bits o bytes completos por muestra, y los bits de inicio, paridad y parada de cada trama.
Puente de Wheatstone y galgas extensométricas
Tensiones de los divisores
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Pérdidas
Vab = Va − Vb
Balance
R1/R2 = R3/R4
Puente de hilo
R/Rx = l/(100 − l)
Resistencia de Thévenin
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
Factor de galga
ΔR/R = GF·ε
Salida del puente
cuarto Vs·GF·ε/4, medio Vs·GF·ε/2, completo Vs·GF·ε
Cambio pequeño, un brazo
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Tensión
σ = E·ε
Método
Trata el puente como dos divisores de tensión sobre la misma alimentación.
Para el equilibrio, iguala R₁/R₂ = R₃/R₄ y despeja la resistencia desconocida.
Para un puente desequilibrado, halla Va y Vb con los divisores y resta; usa el equivalente de Thévenin cuando un medidor carga la salida.
Para las galgas extensométricas, convierte la deformación en ΔR/R = GF·ε y usa Vs·GF·ε/4, /2 o ×1 para un cuarto, medio o puente completo.
Error en régimen permanente y control PID
Tipo de sistema
número de polos de G(s) en s = 0
Constantes de error
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Escalón A
ess = A/(1 + Kp)
Rampa A·t
ess = A/Kv
Parábola A·t²/2
ess = A/Ka
Controlador PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Objetivo de segundo orden
s² + 2ζωns + ωn²
Sobreimpulso y tiempos
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)
Método
Cuenta los polos del lazo abierto C(s)·G(s) en s = 0: ese es el tipo del sistema.
Calcula la constante de error que corresponde a la entrada: Kp para un escalón, Kv para una rampa, Ka para una parábola.
Aplica ess = A/(1 + Kp), A/Kv o A/Ka, o despeja la ganancia que necesitas.
Para una especificación de amortiguamiento o de velocidad, escribe el polinomio característico de lazo cerrado e identifícalo con s² + 2ζω_n·s + ω_n².
2Problemas de práctica
1.Motores de corriente continuaMedia
Un motor de corriente continua con k = 0,15 N·m/A y Ra = 0,8 Ω se conecta a 24 V. Halla su par de bloqueo Tstall, el par a velocidad cero.
V = 24 Vk = 0,15 N·m/ARa = 0,8 Ω
Tstall = N·m
2.Motores de corriente continuaDifícil
Un motor de corriente continua pequeño tiene una resistencia de inducido de 2 Ω y funciona a 110 V. Despreciando las pérdidas rotacionales, halla la mayor potencia mecánica Pmax que puede desarrollar a cualquier velocidad.
V = 110 VRa = 2 Ω
Pmax = W
3.Engranajes y trenes de engranajesMedia
Dos ejes paralelos están a 90 mm de distancia. Deben unirse mediante un par de ruedas dentadas rectas de módulo 3 mm y una reducción de velocidad de 3 : 1. ¿Cuántos dientes N2 debe tener la rueda?
a = 90 mmm = 3 mmi = 3
N2 =
4.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
En un tren de engranajes compuesto, la rueda A (30 dientes) del eje de entrada gira a 1450 rpm y acciona la rueda B (45 dientes). La rueda C (36 dientes) está fijada al mismo eje que B y acciona la rueda D del eje de salida. La salida debe girar a 580 rpm. ¿Cuántos dientes ND debe tener la rueda D?
nin = 1450 rpmA = 30B = 45C = 36nout = 580 rpm
ND =
5.Adquisición de datos y muestreoMedia
Un registrador muestrea 2 canales a 1 kHz cada uno con un ADC de 16 bits. Cada muestra se almacena en bytes completos. Halla la memoria M necesaria para una grabación de 10 min, en MB (1 MB = 10⁶ bytes).
n = 2fs = 1 kHzN = 16t = 10 min
M = MB
6.Adquisición de datos y muestreoDifícil
Una medición de audio necesita una relación señal/ruido de cuantización ideal de al menos 55 dB para una onda senoidal a fondo de escala. Halla el menor número de bits N del ADC.
SQNR ≥ 55 dB
N =
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasMedia
Un puente con cuatro brazos de 120 Ω se alimenta con 2 V. Cuando cambia el sensor R₂, la salida marca Vab = 56,6 mV. Halla el cambio exacto ΔR de R₂.
Vs = 2 VR = 120 ΩVab = 56,6 mV
ΔR = Ω
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasDifícil
Una galga extensométrica (GF = 2,05) sobre un elemento con E = 200 GPa forma un cuarto de puente excitado con 3 V. La salida marca 1,845 mV. Halla la tensión axial σ en MPa.
Vs = 3 VGF = 2,05Vo = 1,845 mVE = 200 GPa
σ = MPa
9.Error en régimen permanente y control PIDMedia
Se aplica la entrada r(t) = 10 + 1t (un escalón más una rampa) a un lazo con realimentación unitaria con G(s) = 2/(s(s + 2)). Halla el error en régimen permanente ess.
G(s) = 2/(s(s + 2))r(t) = 10 + 1t
ess =
10.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
Un controlador PD C(s) = 2 + Kd·s controla la planta G(s) = 10/(s(s + 1)) en un lazo con realimentación unitaria. Halla la ganancia derivativa Kd que da al lazo cerrado un coeficiente de amortiguamiento ζ = 0,8.
G(s) = 10/(s(s + 1))Kp = 2ζ = 0,8
Kd = s
11.Respuesta al escalónMedia
Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 52/(s² + 9s + 52) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la respuesta al escalón.
G(s) = 52/(s² + 9s + 52)
%OS = %
12.Respuesta al escalónDifícil
Un lazo de realimentación negativa unitaria tiene G(s) = K/(s(s + 4)). Halla la ganancia K que da una respuesta al escalón con un sobreimpulso del 2 %.
G(s) = K/(s(s + 4))%OS = 2 %
K =
3Disoluciones
1.Motores de corriente continua
Respuesta: Tstall = 4,5 N·m
Motor de corriente continua: el inducido es una resistencia Ra en serie con la fuerza contraelectromotriz E, de modo que V = E + Ia·Ra. La fuerza contraelectromotriz crece con la velocidad, E = k·ω, y el par con la corriente, T = k·Ia, con la misma constante del motor k (V·s/rad = N·m/A) en unidades del SI. Convierte las velocidades con ω = 2π·n/60. La potencia desarrollada es E·Ia = T·ω; la potencia de entrada es V·Ia, y las pérdidas en el cobre Ia²Ra y las pérdidas rotacionales son la diferencia. La velocidad cae linealmente con el par, ω = V/k − Ra·T/k², desde la velocidad en vacío V/k hasta cero en el par de bloqueo k·V/Ra. En reposo E = 0, así que la corriente de arranque V/Ra es grande a menos que una resistencia la limite.
Corriente de bloqueo
Ia = V/Ra = 24/0,8 = 30 A
Par de bloqueo
Tstall = 0,15·30 = 4,5 N·m
Respuesta
Tstall = 4,5 N·m
2.Motores de corriente continua
Respuesta: Pmax = 1513 W
Motor de corriente continua: el inducido es una resistencia Ra en serie con la fuerza contraelectromotriz E, de modo que V = E + Ia·Ra. La fuerza contraelectromotriz crece con la velocidad, E = k·ω, y el par con la corriente, T = k·Ia, con la misma constante del motor k (V·s/rad = N·m/A) en unidades del SI. Convierte las velocidades con ω = 2π·n/60. La potencia desarrollada es E·Ia = T·ω; la potencia de entrada es V·Ia, y las pérdidas en el cobre Ia²Ra y las pérdidas rotacionales son la diferencia. La velocidad cae linealmente con el par, ω = V/k − Ra·T/k², desde la velocidad en vacío V/k hasta cero en el par de bloqueo k·V/Ra. En reposo E = 0, así que la corriente de arranque V/Ra es grande a menos que una resistencia la limite.
Potencia en función de la fuerza contraelectromotriz
P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 55 V
Potencia máxima
Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 110²/(4·2) = 1513 W
Respuesta
Pmax = 1513 W
En este punto el rendimiento es solo del 50 %, así que los motores reales funcionan muy por encima de la mitad de la velocidad.
3.Engranajes y trenes de engranajes
Respuesta: N2 = 45
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.
Número total de dientes
N1 + N2 = 2a/m = 2·90/3 = 60
Reparte según la relación
N1 = 60/(1 + 3) = 15
N2 = 3·15 = 45
Respuesta
N2 = 45
4.Engranajes y trenes de engranajes
Respuesta: ND = 60
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.
Velocidad del eje intermedio
nB = nC = 1450·30/45 = 966,7 rpm
Dientes de la rueda D
ND = C·nC/nout = 36·966,7/580 = 60
Respuesta
ND = 60
5.Adquisición de datos y muestreo
Respuesta: M = 2,4 MB
Tasas de datos: cada canal entrega fs muestras por segundo de N bits, así que la tasa en bruto es canales × fs × N bit/s. En memoria una muestra ocupa bytes completos (una muestra de 12 bits se almacena en 2 bytes), así que la memoria de una grabación es canales × fs × bytes por muestra × tiempo. Un ADC multiplexado convierte los canales uno tras otro: cada conversión (con estabilización) tarda t, así que una ronda de n canales tarda n·t y cada canal se muestrea a 1/(n·t).
Bytes por muestra
⌈16/8⌉ = 2 B
Tasa de bytes
2·1000·2 = 4000 B/s
Memoria
M = 4000·600 = 2,4 × 10⁶ B = 2,4 MB
Respuesta
M = 2,4 MB
6.Adquisición de datos y muestreo
Respuesta: N = 9
Resolución del ADC: un convertidor de N bits divide su rango de fondo de escala VFSR en 2ᴺ códigos, de 0 a 2ᴺ − 1. Un paso es 1 LSB = VFSR/2ᴺ: el cambio más pequeño que puede mostrar el convertidor. Un ADC con truncamiento da el código ⌊Vin/LSB⌋; un ADC con redondeo nunca se aparta más de ½ LSB del valor real, que es su error de cuantización. Cada bit adicional reduce a la mitad el LSB y suma unos 6 dB a la relación señal/ruido de cuantización ideal SQNR = 6,02·N + 1,76 dB para una senoide a fondo de escala. Para alcanzar una resolución r en un rango, elige el menor N con 2ᴺ ≥ rango/r.
Despeja N
N ≥ (55 − 1,76)/6,02 = 8,844
Redondear hacia arriba
N = 9
comprobación: 6,02·9 + 1,76 = 55,94 dB ≥ 55 dB
Respuesta
N = 9
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas
Respuesta: ΔR = 14,4 Ω
Puente de Wheatstone: dos divisores de tensión comparten una alimentación Vs. El divisor izquierdo R1–R2 da Va = Vs·R2/(R1 + R2) y el divisor derecho R3–R4 da Vb = Vs·R4/(R3 + R4); la salida es Vab = Va − Vb. El puente está equilibrado (Vab = 0, sin corriente en el medidor) cuando R1/R2 = R3/R4, es decir, R1·R4 = R2·R3. Visto desde la salida, el puente es una fuente de Thévenin con Rth = R1∥R2 + R3∥R4.
Tensión del nudo
Va = 1 + 0,0566 = 1,057 V
Resuelve el divisor
R₂ = 120·1,057/(2 − 1,057) = 134,4 Ω
ΔR = 134,4 − 120 = 14,4 Ω
Respuesta
ΔR = 14,4 Ω
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas
Respuesta: σ = 240 MPa
Galgas extensométricas: una galga cambia su resistencia con la deformación: ΔR/R = GF·ε, donde el factor de galga GF es de alrededor de 2 en las galgas de lámina metálica. En un puente con todos los brazos iguales a R, una galga activa (cuarto de puente) da Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Dos galgas activas con deformaciones opuestas en brazos adyacentes (medio puente) dan Vs·GF·ε/2, y cuatro (puente completo) dan Vs·GF·ε. La tensión mecánica se obtiene de la ley de Hooke, σ = E·ε. Las células de carga indican su sensibilidad en mV/V: la salida a plena carga por cada voltio de excitación.
Deformación
ε = 4·0,001845/(3·2,05) = 0,0012
Tensión
σ = 200·10³ MPa·0,0012 = 240 MPa
Respuesta
σ = 240 MPa
9.Error en régimen permanente y control PID
Respuesta: ess = 1
Error en régimen permanente: en un lazo con realimentación unitaria y función de transferencia de lazo abierto G(s) el error es E(s) = R(s)/(1 + G(s)), y por el teorema del valor final ess = lims→0 s·E(s). El tipo del sistema es el número de polos de G(s) en s = 0. Las constantes de error son Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) y Ka = lim s²·G(s), todas para s → 0. Un escalón de tamaño A da ess = A/(1 + Kp), una rampa A·t da A/Kv y una parábola A·t²/2 da A/Ka. Un lazo de tipo 0 sigue un escalón con un error finito, un lazo de tipo 1 lo sigue exactamente y sigue una rampa con un error finito.
Constante de velocidad
Kv = lim s·G(s) = 1
Parte de escalón
Kp = ∞ → estep = 0
Error ante rampa
ess = 1/1 = 1
Respuesta
ess = 1
10.Error en régimen permanente y control PID
Respuesta: Kd = 0,6155 s
Control P, PI y PID: el controlador C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s actúa sobre el error. Una ganancia proporcional hace el lazo más rápido y reduce el error de una planta de tipo 0, pero nunca lo elimina. El término integral añade un polo en s = 0: el tipo del sistema sube una unidad y un escalón se sigue sin error. El término derivativo añade amortiguamiento. Para elegir las ganancias, escribe el polinomio característico de lazo cerrado y compáralo con s² + 2ζωns + ωn². Entonces %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd con ωd = ωn√(1 − ζ²), y ts ≈ 4/(ζωn).
Polinomio característico
s(s + 1) + 10(2 + Kds) = s² + (1 + 10Kd)s + 20
Frecuencia natural
ωₙ = √20 = 4,472 rad/s
Ganancia derivativa
1 + 10Kd = 2·0,8·4,472 = 7,155
Kd = 0,6155 s
Respuesta
Kd = 0,6155 s
El término derivativo añade amortiguamiento sin cambiar ωₙ.
11.Respuesta al escalón
Respuesta: %OS = 8,135 %
Respuesta al escalón: un sistema de primer orden G(s) = K/(τs + 1) responde a un escalón de tamaño U con y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): alcanza el 63,2 % del valor final K·U después de una constante de tiempo τ y el 98 % después de 4τ. Un sistema de segundo orden G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) tiene los polos s = −ζωₙ ± jωd con ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Para 0 < ζ < 1 la respuesta al escalón tiene sobreimpulso: sobreimpulso porcentual %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tiempo de pico tp = π/ωd y tiempo de establecimiento al 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Compara el denominador con s² + 2ζωₙs + ωₙ² para obtener ωₙ y ζ. Para un sistema masa–resorte–amortiguador ωₙ = √(k/m) y ζ = c/(2√(km)); para un circuito RLC serie ωₙ = 1/√(LC) y ζ = (R/2)·√(C/L).
Compara con la forma estándar
El denominador debe coincidir con s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 52 → ωₙ = 7,211 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·7,211) = 0,624
Resultado
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2,509 = 8,135 %
Respuesta
%OS = 8,135 %
12.Respuesta al escalón
Respuesta: K = 6,58
Respuesta al escalón: un sistema de primer orden G(s) = K/(τs + 1) responde a un escalón de tamaño U con y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): alcanza el 63,2 % del valor final K·U después de una constante de tiempo τ y el 98 % después de 4τ. Un sistema de segundo orden G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) tiene los polos s = −ζωₙ ± jωd con ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Para 0 < ζ < 1 la respuesta al escalón tiene sobreimpulso: sobreimpulso porcentual %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tiempo de pico tp = π/ωd y tiempo de establecimiento al 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Compara el denominador con s² + 2ζωₙs + ωₙ² para obtener ωₙ y ζ. Para un sistema masa–resorte–amortiguador ωₙ = √(k/m) y ζ = c/(2√(km)); para un circuito RLC serie ωₙ = 1/√(LC) y ζ = (R/2)·√(C/L).
Función de transferencia en lazo cerrado
T(s) = K/(s² + 4s + K)
Razón de amortiguamiento a partir del sobreimpulso