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
T (N·m)n (rpm)Tst​ = ?n0​

Un motor de corriente continua con k = 1 N·m/A y Ra = 2 Ω se conecta a 220 V. Halla su par de bloqueo Tstall, el par a velocidad cero.

V = 220 Vk = 1 N·m/ARa = 2 Ω
Tstall = N·m
2.Motores de corriente continuaDifícil
+−220 VD = ?Ra​ = 0,2 ΩM+−En = 300 rpmT = 24 N·m

Un troceador de continua alimenta un motor (k = 0,6 V·s/rad, Ra = 0,2 Ω) desde un bus de continua de 220 V. La tensión media del inducido es D·220 V. Halla el ciclo de trabajo D con el que el motor funciona a 300 rpm con una carga de 24 N·m.

Vdc = 220 Vk = 0,6 V·s/radRa = 0,2 ΩT = 24 N·mn = 300 rpm
D = %
3.Engranajes y trenes de engranajesMedia
N1​ = 36N2​ = 60

Un motor de 1,5 kW que gira a 2900 rpm acciona un piñón de 36 dientes, que engrana con una rueda de 60 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 95 %. Halla el par de salida T2 en el eje de la rueda.

P = 1,5 kWn1 = 2900 rpmN1 = 36N2 = 60η = 95%
T2 = N·m
4.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 150 mmd2​ = 450 mm1500 rpmC = 800 mmθ = ?

Una correa abierta conecta una polea de 150 mm y una polea de 450 mm cuyos centros están separados 800 mm. Halla el ángulo de contacto θ en la polea menor, en grados.

d1 = 150 mmd2 = 450 mmC = 800 mm
θ = °
5.Adquisición de datos y muestreoMedia
Vin​N = 103,3 V2ᴺ − 11 LSB0,188 V?

Un ADC de 10 bits con un rango de entrada de 0 a 3,3 V trunca: su código de salida es ⌊Vin/LSB⌋ con 1 LSB = VFSR/2ᴺ. Halla el código de salida decimal D para una entrada de 0,188 V.

N = 10VFSR = 3,3 VVin = 0,188 V
D =
6.Adquisición de datos y muestreoDifícil
126⋮6 ch∿01tc​ = 20 µstset​ = 1 µsfs​ = ?

Un multiplexor de 6 canales alimenta un solo ADC. Cada conversión tarda 20 µs, y tras cada cambio de canal la entrada necesita 1 µs para estabilizarse. Los canales se recorren por turnos sin pausa. Halla la frecuencia de muestreo fs de cada canal, en kHz.

n = 6tc = 20 µstset = 1 µs
fs = kHz
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasMedia
+−3 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−Vab​ = ?

Un puente tiene cuatro brazos de 1000 Ω y Vs = 3 V. El sensor R₂ aumenta ΔR = 80 Ω. Halla la salida exacta Vab en mV.

Vs = 3 VR = 1000 ΩΔR = 80 Ω
Vab = mV
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasDifícil
+−2,5 V1000 Ω − ΔR1000 Ω + ΔR1000 Ω + ΔR1000 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

Un puente con brazos de 1000 Ω se excita con 2,5 V y tiene cuatro galgas activas, dos a tracción y dos a compresión (puente completo). El factor de galga es 2,05 y la deformación es de 600 µε. Halla la salida del puente Vo en mV.

Vs = 2,5 VGF = 2,05ε = 600 µε
Vo = mV
9.Error en régimen permanente y control PIDMedia
r(t) = 5 + 0,5t+2s(s + 5)C(s)−

Se aplica la entrada r(t) = 5 + 0,5t (un escalón más una rampa) a un lazo con realimentación unitaria con G(s) = 2/(s(s + 5)). Halla el error en régimen permanente ess.

G(s) = 2/(s(s + 5))r(t) = 5 + 0,5t
ess =
10.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
r(t) = 1t+5 + 4/s4(s + 2)(s + 4)C(s)−

Un controlador PI C(s) = 5 + 4/s controla la planta G(s) = 4/((s + 2)(s + 4)) en un lazo con realimentación unitaria. Halla el error en régimen permanente ess para la entrada en rampa r(t) = 1t.

C(s) = 5 + 4/sG(s) = 4/((s + 2)(s + 4))r(t) = 1t
ess =
11.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)1

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 54/(s² + 2s + 54) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

G(s) = 54/(s² + 2s + 54)
ζ =
12.Respuesta al escalónDifícil
R(s)+Ks(s + 10)G(s)C(s)−

Un lazo de realimentación negativa unitaria tiene G(s) = K/(s(s + 10)). Halla la ganancia K que da una respuesta al escalón con un sobreimpulso del 30 %.

G(s) = K/(s(s + 10))%OS = 30 %
K =

3Disoluciones

1.Motores de corriente continua

Respuesta: Tstall = 110 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 = 220/2 = 110 A

Par de bloqueo

Tstall = 1·110 = 110 N·m

Respuesta

Tstall = 110 N·m
2.Motores de corriente continua

Respuesta: D = 12,2 %

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.

Tensión de inducido necesaria

Va = 0,6·31,42 + 40·0,2 = 26,85 V

Ciclo de trabajo

D = 26,85/220 = 12,2 %

Respuesta

D = 12,2 %
3.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T2 = 7,821 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·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1500/303,7 = 4,939 N·m

Par de salida

T2 = 4,939·60/36·0,95 = 7,821 N·m

Respuesta

T2 = 7,821 N·m
4.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: θ = 158,4 °

Transmisiones por correa: sin deslizamiento, ambas poleas tienen la misma velocidad periférica v = π·d·n/60, así que n₁·d₁ = n₂·d₂ y la relación de velocidades es d₂/d₁. El deslizamiento s hace que la polea conducida gire un poco más despacio: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). La potencia transmitida es P = (T₁ − T₂)·v, con T₁ la tensión del ramal tenso y T₂ la del ramal flojo. El rozamiento limita la relación de tensiones: T₁/T₂ = eμθ, donde θ es el ángulo de contacto en radianes sobre la polea menor; para una correa abierta θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) con distancia entre centros C.

Ángulo de la correa

asin(0,1875) = 10,81°

Ángulo de contacto

θ = 180 − 2·10,81 = 158,4°

Respuesta

θ = 158,4°
5.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: D = 58

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 = 3,3/210 = 3,223 mV

Código

Vin/LSB = 188/3,223 = 58,34
código = ⌊58,34⌋ = 58

Respuesta

D = 58

En binario es 0000111010.

6.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: fs = 7,937 kHz

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).

Tiempo por canal

20 + 1 = 21 µs

Tiempo por barrido

6·21 = 126 µs

Frecuencia de muestreo por canal

fs = 1/126 µs = 7,937 kHz

Respuesta

fs = 7,937 kHz
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: Vab = 57,69 mV

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.

Tensiones de los nudos

Va = 3·1080/2080 = 1,558 V
Vb = 1,5 V

Pérdidas

Vab = 57,69 mV

Respuesta

Vab = 57,69 mV

La estimación lineal Vs·ΔR/(4R) = 60 mV es un 4 % demasiado alta: un cuarto de puente no es del todo lineal.

8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: Vo = 3,075 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.

Cambio relativo de resistencia

ΔR/R = 2,05·600·10⁻⁶ = 0,00123

Salida del puente

Vo = Vs·GF·ε = 2,5·0,00123 = 3,075 mV

Respuesta

Vo = 3,075 mV
9.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: ess = 1,25

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) = 0,4

Parte de escalón

Kp = ∞ → estep = 0

Error ante rampa

ess = 0,5/0,4 = 1,25

Respuesta

ess = 1,25
10.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: ess = 0,5

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).

Constante de velocidad

s·C(s) = 5s + 4 → 4 cuando s → 0.

Kv = 4·4/8 = 2

Error ante rampa

ess = 1/2 = 0,5

Respuesta

ess = 0,5

El controlador PI elimina por completo el error ante escalón; una rampa se sigue con un retardo constante.

11.Respuesta al escalón

Respuesta: ζ = 0,1361

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 = 54 → ωₙ = 7,348 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·7,348) = 0,1361

Resultado

ζ = 0,1361

Respuesta

ζ = 0,1361
12.Respuesta al escalón

Respuesta: K = 195,2

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 + 10s + K)

Razón de amortiguamiento a partir del sobreimpulso

ζ = −ln(0,3)/√(π² + ln²(0,3)) = 0,3579

Ganancia

ωₙ = 10/(2ζ) = 13,97 rad/s
K = ωₙ² = 195,2

Respuesta

K = 195,2

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