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)45 N·mn0​n = ?

Un motor de corriente continua (k = 1,5 N·m/A, Ra = 1 Ω) funciona a 220 V y mueve un par de carga de 45 N·m. Halla su velocidad n en rpm.

V = 220 Vk = 1,5 N·m/ARa = 1 ΩT = 45 N·m
n = rpm
2.Motores de corriente continuaDifícil
+−220 VRa​ = 0,25 ΩM+−En = ?T = 24 N·m

Un motor de corriente continua de excitación independiente (k = 0,8 V·s/rad a campo completo, Ra = 0,25 Ω, V = 220 V) mueve un par de carga constante de 24 N·m. El flujo del campo se reduce al 90 % de su valor completo. Halla la nueva velocidad n.

V = 220 Vk = 0,8 V·s/radRa = 0,25 ΩT = 24 N·mΦ = 90 %
n = rpm
3.Engranajes y trenes de engranajesMedia
N1​ = 15N2​ = 48

Un motor de 1,5 kW que gira a 1500 rpm acciona un piñón de 15 dientes, que engrana con una rueda de 48 dientes. Desprecia las pérdidas. Halla el par T1 en el eje del motor.

P = 1,5 kWn1 = 1500 rpmN1 = 15N2 = 48η = 100%
T1 = N·m
4.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 18B = 40C = 18D = 45

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (18 dientes), en el eje de entrada que gira a 1500 rpm, acciona el engranaje B (40 dientes). El engranaje C (18 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (45 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 1500 rpmA = 18B = 40C = 18D = 45
nout = rpm
5.Adquisición de datos y muestreoMedia
Vin​N = ?1 V2ᴺ − 10≤ 10 mV

Un ADC con un rango de entrada de 0 a 1 V debe resolver pasos de 10 mV o menos. Halla el menor número de bits N.

VFSR = 1 Vresolución = 10 mV
N =
6.Adquisición de datos y muestreoDifícil
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​PTb​11·Tb​115200 Bd, 8E1

Un ADC de 12 bits envía cada muestra por una UART a 115200 baudios, formato 8E1 (bit de inicio, 8 bits de datos, paridad par, 1 bit de parada). Cada muestra se envía como 2 byte(s) completo(s) y el enlace está ocupado todo el tiempo. Halla la frecuencia de señal más alta fmax que se puede muestrear sin aliasing, en Hz.

baud = 115200 BdN = 128E1
fmax = Hz
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasMedia
+−9 VR1​ = 500 ΩR2​ = 120 ΩR3​ = 250 ΩR4​ = 100 ΩabGRg​ = 20 Ω

Se conecta un galvanómetro con una resistencia de 20 Ω entre a y b del puente mostrado (Vs = 9 V). Halla la corriente Ig del galvanómetro de a a b, en µA.

Vs = 9 VR1 = 500 ΩR2 = 120 ΩR3 = 250 ΩR4 = 100 ΩRg = 20 Ω
Ig = µA
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasDifícil
+−5 V350 Ω − ΔR350 Ω + ΔR350 Ω + ΔR350 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

Un puente con brazos de 350 Ω se excita con 5 V y tiene cuatro galgas activas, dos a tracción y dos a compresión (puente completo). El factor de galga es 2 y la deformación es de 200 µε. Halla la salida del puente Vo en mV.

Vs = 5 VGF = 2ε = 200 µε
Vo = mV
9.Error en régimen permanente y control PIDMedia
R(s)+K = 2410s + 1C(s)−

Un proceso G(s) = 4/(10s + 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) = 4/(10s + 1)K = 2
ess = %
10.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
R(s)+K1s(s + 8)C(s)−

Un controlador proporcional K controla la planta G(s) = 1/(s(s + 8)) en un lazo con realimentación unitaria. Halla la ganancia K que da al lazo cerrado un coeficiente de amortiguamiento ζ = 0,6.

G(s) = 1/(s(s + 8))ζ = 0,6
K =
11.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)1tp​ = ?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 53/(s² + 10s + 53) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el tiempo de pico tp de la respuesta al escalón.

G(s) = 53/(s² + 10s + 53)
tp = s
12.Respuesta al escalónDifícil
R(s)+Ks(s + 2)G(s)C(s)−

Un lazo de realimentación negativa unitaria tiene G(s) = K/(s(s + 2)). Halla la ganancia K que da una respuesta al escalón con un sobreimpulso del 2 %.

G(s) = K/(s(s + 2))%OS = 2 %
K =

3Disoluciones

1.Motores de corriente continua

Respuesta: n = 1210 rpm

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 inducido

Ia = T/k = 45/1,5 = 30 A

Fuerza contraelectromotriz y velocidad

E = 220 − 30·1 = 190 V
ω = E/k = 126,7 rad/s → n = 1210 rpm

Respuesta

n = 1210 rpm
2.Motores de corriente continua

Respuesta: n = 2807 rpm

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.

Constante del motor debilitada

k₂ = 0,9·0,8 = 0,72 V·s/rad

Nueva corriente de inducido

Ia = 24/0,72 = 33,33 A

Nueva velocidad

ω = (220 − 33,33·0,25)/0,72 = 294 rad/s → n = 2807 rpm

Respuesta

n = 2807 rpm

El debilitamiento de campo es la forma en que un accionamiento de corriente continua funciona por encima de su velocidad base.

3.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: T1 = 9,549 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1500/157,1 = 9,549 N·m

Respuesta

T1 = 9,549 N·m
4.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 270 rpm

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.

Primera etapa

nB = 1500·18/40 = 675 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 675·18/45 = 270 rpm

Respuesta

nout = 270 rpm

relación total = 5,556 : 1

5.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: N = 7

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 mV/10 mV = 100

Bits

log₂(100) = 6,644
26 = 64 < 100 ≤ 27 = 128
N = 7

Respuesta

N = 7
6.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: fmax = 2618 Hz

UART: un enlace serie asíncrono envía cada byte como una trama: un bit de inicio (nivel bajo), los bits de datos, un bit de paridad opcional y uno o dos bits de parada (nivel alto). La tasa de baudios es el número de bits por segundo, así que un bit dura Tb = 1/baudios y una trama de n bits dura n/baudios. El formato habitual 8N1 tiene 10 bits por byte. El generador de baudios divide el reloj: baudios = fclk/(16·D) con un número entero D, así que la tasa de baudios real difiere ligeramente de la deseada; un error inferior a aproximadamente el 2 % suele ser aceptable.

Bits por muestra en la línea

2·11 = 22 bit

Frecuencia de muestreo más alta

fs,max = 115200/22 = 5236 Hz

Límite de Nyquist

fmax = 5236/2 = 2618 Hz

Respuesta

fmax = 2618 Hz
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: Ig = −4407 µA

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 de Thévenin

Vth = 9·(120/620 − 100/350) = −0,8295 V

Resistencia de Thévenin

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 168,2 Ω

Corriente del galvanómetro

Ig = −0,8295/(168,2 + 20) = −4407 µA

Respuesta

Ig = −4407 µA
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: Vo = 2 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 = 2·200·10⁻⁶ = 0,0004

Salida del puente

Vo = Vs·GF·ε = 5·0,0004 = 2 mV

Respuesta

Vo = 2 mV
9.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: ess = 11,11 %

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 = 2·4 = 8

Error ante escalón

ess = 100/(1 + 8) = 11,11 %

Respuesta

ess = 11,11 %
10.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: K = 44,44

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 + 8) + 1K = s² + 8s + 1K

Frecuencia natural

2·0,6·ωₙ = 8 → ωₙ = 6,667 rad/s

Ganancia

1K = ωₙ² = 44,44 → K = 44,44

Respuesta

K = 44,44
11.Respuesta al escalón

Respuesta: tp = 0,5937 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 = 53 → ωₙ = 7,28 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·7,28) = 0,6868

Resultado

ωd = 7,28·√(1 − 0,6868²) = 5,292 rad/s → tp = π/ωd = 0,5937 s

Respuesta

tp = 0,5937 s
12.Respuesta al escalón

Respuesta: K = 1,645

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 + 2s + K)

Razón de amortiguamiento a partir del sobreimpulso

ζ = −ln(0,02)/√(π² + ln²(0,02)) = 0,7797

Ganancia

ωₙ = 2/(2ζ) = 1,283 rad/s
K = ωₙ² = 1,645

Respuesta

K = 1,645

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