Sistemas mecatrónicos: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 12 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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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

  1. Dibuja el circuito del inducido: la alimentación V, la resistencia Ra y la fuerza contraelectromotriz E en serie.
  2. Usa V = E + Ia·Ra para relacionar tensión, corriente y fuerza contraelectromotriz.
  3. Usa E = k·ω para la velocidad y T = k·Ia para el par, con ω = 2π·n/60.
  4. 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

  1. Anota los datos: frecuencia de muestreo, frecuencias de la señal, número de bits, rango de entrada, tasa de baudios.
  2. 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.
  3. En las preguntas de resolución, halla 1 LSB = VFSR/2ᴺ, o el menor N con 2ᴺ ≥ rango/resolución.
  4. 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

  1. Trata el puente como dos divisores de tensión sobre la misma alimentación.
  2. Para el equilibrio, iguala R₁/R₂ = R₃/R₄ y despeja la resistencia desconocida.
  3. Para un puente desequilibrado, halla Va y Vb con los divisores y resta; usa el equivalente de Thévenin cuando un medidor carga la salida.
  4. 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

  1. Cuenta los polos del lazo abierto C(s)·G(s) en s = 0: ese es el tipo del sistema.
  2. Calcula la constante de error que corresponde a la entrada: Kp para un escalón, Kv para una rampa, Ka para una parábola.
  3. Aplica ess = A/(1 + Kp), A/Kv o A/Ka, o despeja la ganancia que necesitas.
  4. 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
+−VRa​M+−En = 1500 rpmT = ?

Un motor de corriente continua entrega 1 kW de potencia mecánica a 1500 rpm. Halla el par en el eje T.

P = 1 kWn = 1500 rpm
T = N·m
2.Motores de corriente continuaDifícil
+−48 VRst​ = ?Ra​ = 0,5 Ω25 AM+−E = 0n = 0T

Un motor de corriente continua de 48 V tiene una resistencia de inducido de 0,5 Ω. Halla la resistencia de arranque en serie Rst que limita la corriente de arranque a 25 A.

V = 48 VRa = 0,5 ΩImax = 25 A
Rst = Ω
3.Engranajes y trenes de engranajesMedia
N1​ = 20N2​ = 60

Un motor de 1,5 kW que gira a 960 rpm acciona un piñón de 20 dientes, que engrana con una rueda de 60 dientes. Desprecia las pérdidas. Halla el par de salida T2 en el eje de la rueda.

P = 1,5 kWn1 = 960 rpmN1 = 20N2 = 60η = 100%
T2 = N·m
4.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 15B = 72C = 50D = 80

Un motor de 11 kW a 1450 rpm acciona la rueda A (15 dientes), que engrana con la rueda B (72 dientes). La rueda C (50 dientes), en el mismo eje que B, acciona la rueda D (80 dientes) en el eje de salida. Cada engrane tiene un rendimiento del 96 %. Halla el par de salida Tout.

P = 11 kWnin = 1450 rpmA = 15B = 72C = 50D = 80ηmesh = 96%
Tout = N·m
5.Adquisición de datos y muestreoMedia
Vin​N = ?1000 mm2ᴺ − 10≤ 0,2 mm

Un sensor mide distancia en un rango de 1000 mm, y su salida ocupa todo el rango de entrada de un ADC. La lectura debe resolver 0,2 mm. Halla el menor número de bits N que necesita el ADC.

rango = 1000 mmresolución = 0,2 mm
N =
6.Adquisición de datos y muestreoDifícil
T5 mV/°C×10∿01N = 12, 10 V? °C/LSB

Un sensor de temperatura da 5 mV/°C (0 V a 0 °C). Su señal se amplifica 10 veces y se aplica a un ADC de 12 bits con un rango de 0 a 10 V (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Halla la variación de temperatura ΔTLSB que corresponde a un LSB.

S = 5 mV/°CG = 10N = 12VFSR = 10 V
ΔTLSB = °C
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasMedia
+−12 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−117,7 mV

Un puente con cuatro brazos de 1000 Ω se alimenta con 12 V. Cuando cambia el sensor R₂, la salida marca Vab = 117,7 mV. Halla el cambio exacto ΔR de R₂.

Vs = 12 VR = 1000 ΩVab = 117,7 mV
ΔR = Ω
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasDifícil
+−10 V350 Ω − ΔR350 Ω + ΔR350 Ω + ΔR350 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

Una célula de carga (un puente completo de galgas extensométricas) tiene una salida nominal de 1,5 mV/V a su carga nominal de 100 kg. Se excita con 10 V. Halla su salida Vo bajo una carga de 25 kg.

1,5 mV/VFrated = 100 kgVs = 10 VF = 25 kg
Vo = mV
9.Error en régimen permanente y control PIDMedia
R(s)+K = 252s + 1C(s)−

Un proceso G(s) = 5/(2s + 1) se controla con una ganancia proporcional K = 2 en un lazo con realimentación unitaria. Halla el error en régimen permanente ess ante un escalón, como porcentaje del tamaño del escalón.

G(s) = 5/(2s + 1)K = 2
ess = %
10.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
R(s)+K = 251s(s + 4)C(s)−

Un controlador proporcional K = 25 controla la planta G(s) = 1/(s(s + 4)) en un lazo con realimentación unitaria. Halla el tiempo de establecimiento al 2 % ts de la respuesta al escalón, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 1/(s(s + 4))K = 25
ts = s
11.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)2tp​ = ?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 164/(s² + 8s + 82) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el tiempo de pico tp de la respuesta al escalón.

G(s) = 164/(s² + 8s + 82)
tp = s
12.Respuesta al escalónDifícil
+−5 VR = 21 ΩL = 50 mHC = 4,7 µFvC​

Un circuito RLC serie con R = 21 Ω, L = 50 mH y C = 4,7 µF se conecta a un escalón de 5 V en t = 0. El condensador está descargado y no circula corriente antes del escalón. Halla la tensión máxima del condensador vC,max.

R = 21 ΩL = 50 mHC = 4,7 µFV = 5 V
vC,max = V

3Disoluciones

1.Motores de corriente continua

Respuesta: T = 6,366 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.

Velocidad en rad/s

ω = 2π·1500/60 = 157,1 rad/s

Par

T = P/ω = 1000/157,1 = 6,366 N·m

Respuesta

T = 6,366 N·m
2.Motores de corriente continua

Respuesta: Rst = 1,42 Ω

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.

Resistencia total

Ra + Rst = 48/25 = 1,92 Ω

Resistencia de arranque

Rst = 1,92 − 0,5 = 1,42 Ω

Respuesta

Rst = 1,42 Ω

La resistencia se va eliminando por etapas a medida que el motor acelera y crece la fuerza contraelectromotriz.

3.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T2 = 44,76 N·m

Trenes de engranajes: los engranajes que engranan entre sí tienen la misma velocidad en los dientes, así que n₁·N₁ = n₂·N₂: el engranaje con menos dientes gira más rápido. Los engranajes montados en un mismo eje giran a la misma velocidad. La potencia se transmite (menos las pérdidas), así que el par aumenta cuando la velocidad disminuye: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, y P = T·ω con ω = 2π·n/60.

Par del motor

ω₁ = 2π·960/60 = 100,5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1500/100,5 = 14,92 N·m

Par de salida

T2 = 14,92·60/20·1 = 44,76 N·m

Respuesta

T2 = 44,76 N·m
4.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: Tout = 512,7 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.

Velocidad de salida

nout = 1450·(15/72)·(50/80) = 188,8 rpm
ωout = 2π·188,8/60 = 19,77 rad/s

Potencia y par de salida

Pout = 11000·0,96² = 10138 W
Tout = Pout/ωout = 10138/19,77 = 512,7 N·m

Respuesta

Tout = 512,7 N·m
5.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: N = 13

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.

Pasos necesarios

1000/0,2 = 5000

Bits

log₂(5000) = 12,29
212 = 4096 < 5000 ≤ 213 = 8192
N = 13

Respuesta

N = 13
6.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: ΔTLSB = 0,04883 °C

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.

Tamaño del paso

1 LSB = 10000/4096 = 2,441 mV

Sensibilidad en el ADC

5·10 = 50 mV/°C

Resolución de temperatura

ΔTLSB = 2,441/50 = 0,04883 °C

Respuesta

ΔTLSB = 0,04883 °C

El ADC alcanza el fondo de escala a 200 °C.

7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: ΔR = 40 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 = 6 + 0,1177 = 6,118 V

Resuelve el divisor

R₂ = 1000·6,118/(12 − 6,118) = 1040 Ω
ΔR = 1040 − 1000 = 40 Ω

Respuesta

ΔR = 40 Ω
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: Vo = 3,75 mV

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.

Salida a fondo de escala

1,5·10 = 15 mV

Salida con esta carga

Vo = 15·25/100 = 3,75 mV

Respuesta

Vo = 3,75 mV
9.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: ess = 9,091 %

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 posición

Kp = 2·5 = 10

Error ante escalón

ess = 100/(1 + 10) = 9,091 %

Respuesta

ess = 9,091 %
10.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: ts = 2 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 + 4) + 25·1 = s² + 4s + 25

ωₙ y ζ

ωₙ = √25 = 5 rad/s
ζ = 4/(2·5) = 0,4

Tiempo de establecimiento

ζωₙ = 4/2 = 2
ts ≈ 4/2 = 2 s

Respuesta

ts = 2 s

Aquí el tiempo de establecimiento no depende de K: aumentar K solo hace que la respuesta oscile más rápido.

11.Respuesta al escalón

Respuesta: tp = 0,3867 s

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 = 82 → ωₙ = 9,055 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·9,055) = 0,4417

Resultado

ωd = 9,055·√(1 − 0,4417²) = 8,124 rad/s → tp = π/ωd = 0,3867 s

Respuesta

tp = 0,3867 s
12.Respuesta al escalón

Respuesta: vC,max = 8,625 V

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).

Frecuencia natural y razón de amortiguamiento

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,05·4,7 × 10⁻⁶) = 2063 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (21/2)·√(4,7 × 10⁻⁶/0,05) = 0,1018

Resultado

%OS = 72,51 %
vC,max = 5·(1 + 0,7251) = 8,625 V

Respuesta

vC,max = 8,625 V

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