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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 (k = 1,2 N·m/A, Ra = 0,8 Ω) funciona a 120 V y mueve un par de carga de 9,6 N·m. Halla su velocidad n en rpm.
V = 120 Vk = 1,2 N·m/ARa = 0,8 ΩT = 9,6 N·m
n = rpm
2.Motores de corriente continuaDifícil
Un motor de corriente continua (k = 0,6 V·s/rad, Ra = 2 Ω) con una alimentación fija de 48 V mueve una carga de 1,2 N·m. Halla la resistencia en serie Rs que lo frena hasta 400 rpm.
Un motor de 2,2 kW que gira a 1440 rpm acciona un piñón de 18 dientes y módulo 3 mm. Halla la fuerza tangencial Ft sobre los dientes del piñón.
P = 2,2 kWn = 1440 rpmN1 = 18m = 3 mm
Ft = N
4.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
En un tren de engranajes compuesto, la rueda A (16 dientes) del eje de entrada gira a 960 rpm y acciona la rueda B (36 dientes). La rueda C (12 dientes) está fijada al mismo eje que B y acciona la rueda D del eje de salida. La salida debe girar a 102,4 rpm. ¿Cuántos dientes ND debe tener la rueda D?
nin = 960 rpmA = 16B = 36C = 12nout = 102,4 rpm
ND =
5.Adquisición de datos y muestreoMedia
Un ADC de 8 bits con un rango de entrada de 0 a 2,5 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 0,925 V.
N = 8VFSR = 2,5 VVin = 0,925 V
D =
6.Adquisición de datos y muestreoDifícil
Un multiplexor de 8 canales alimenta un solo ADC. Cada conversión tarda 2 µs, y tras cada cambio de canal la entrada necesita 2 µs para estabilizarse. Los canales se recorren por turnos sin pausa. Halla la frecuencia de muestreo fs de cada canal, en kHz.
n = 8tc = 2 µstset = 2 µs
fs = kHz
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasMedia
Una galga extensométrica de 500 Ω es un brazo (R₂) de un puente con cuatro brazos iguales de 500 Ω y una excitación de 3 V. Halla la potencia Pg disipada en la galga, en mW. El autocalentamiento limita la excitación.
Vs = 3 VR = 500 Ω
Pg = mW
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasDifícil
Un cuarto de puente (una galga activa, GF = 2) se excita con 5 V. La mayor deformación que se quiere medir es de 600 µε, y debe dar 10 V a la entrada de un convertidor analógico-digital. Halla la ganancia del amplificador G.
Vs = 5 VGF = 2εmax = 600 µεVFS = 10 V
G =
9.Error en régimen permanente y control PIDMedia
Un proceso G(s) = 4/(1s + 1) se controla con una ganancia proporcional K = 20 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/(1s + 1)K = 20
ess = %
10.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
Un controlador PI C(s) = Kp + Ki/s controla la planta G(s) = 5/(s + 1) en un lazo con realimentación unitaria. El lazo cerrado debe tener ωₙ = 4 rad/s y ζ = 0,8. Halla la ganancia proporcional Kp.
G(s) = 5/(s + 1)ωₙ = 4 rad/sζ = 0,8
Kp =
11.Respuesta al escalónMedia
Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 39/(s² + 14s + 78) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el factor de amortiguamiento ζ.
G(s) = 39/(s² + 14s + 78)
ζ =
12.Respuesta al escalónDifícil
Una masa m = 2 kg cuelga de un resorte k = 100 N/m con un amortiguador viscoso c = 11 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). En reposo, en equilibrio, se aplica de repente una fuerza constante F = 5 N. Halla el mayor desplazamiento xmax en mm.
m = 2 kgk = 100 N/mc = 11 N·s/mF = 5 N
xmax = mm
3Disoluciones
1.Motores de corriente continua
Respuesta: n = 904 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 = 9,6/1,2 = 8 A
Fuerza contraelectromotriz y velocidad
E = 120 − 8·0,8 = 113,6 V
ω = E/k = 94,67 rad/s → n = 904 rpm
Respuesta
n = 904 rpm
2.Motores de corriente continua
Respuesta: Rs = 9,434 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.
Corriente y fuerza contraelectromotriz
Ia = 1,2/0,6 = 2 A
E = 0,6·41,89 = 25,13 V
Resistencia en serie
Ra + Rs = (48 − 25,13)/2 = 11,43 Ω
Rs = 9,434 Ω
Respuesta
Rs = 9,434 Ω
La resistencia disipa 37,73 W; un troceador controla la velocidad con muchas menos pérdidas.
3.Engranajes y trenes de engranajes
Respuesta: Ft = 540,3 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.
Par en el piñón
ω = 2π·1440/60 = 150,8 rad/s
T = P/ω = 2200/150,8 = 14,59 N·m
Diámetro primitivo
d = m·N = 3·18 = 54 mm
Fuerza tangencial
Ft = 2T/d = 2·14,59/0,054 = 540,3 N
Respuesta
Ft = 540,3 N
4.Engranajes y trenes de engranajes
Respuesta: ND = 50
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 = 960·16/36 = 426,7 rpm
Dientes de la rueda D
ND = C·nC/nout = 12·426,7/102,4 = 50
Respuesta
ND = 50
5.Adquisición de datos y muestreo
Respuesta: D = 94
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 = 2,5/28 = 9,766 mV
Código
Vin/LSB = 925/9,766 = 94,72
código = ⌊94,72⌋ = 94
Respuesta
D = 94
En binario es 01011110.
6.Adquisición de datos y muestreo
Respuesta: fs = 31,25 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
2 + 2 = 4 µs
Tiempo por barrido
8·4 = 32 µs
Frecuencia de muestreo por canal
fs = 1/32 µs = 31,25 kHz
Respuesta
fs = 31,25 kHz
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas
Respuesta: Pg = 4,5 mW
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 en la galga
V = 3/2 = 1,5 V
Potencia
Pg = 1,5²/500 = 4,5 mW
Respuesta
Pg = 4,5 mW
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas
Respuesta: G = 6667
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 del puente a fondo de escala
Vo = 1,5 mV
Ganancia
G = 10/0,0015 = 6667
Respuesta
G = 6667
9.Error en régimen permanente y control PID
Respuesta: ess = 1,235 %
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 = 20·4 = 80
Error ante escalón
ess = 100/(1 + 80) = 1,235 %
Respuesta
ess = 1,235 %
10.Error en régimen permanente y control PID
Respuesta: Kp = 1,08
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
1 + C(s)G(s) = 0, multiplicado por s(s + 1).
s² + (1 + 5Kp)s + 5Ki
Polinomio objetivo
s² + 2·0,8·4s + 4² = s² + 6,4s + 16
Iguala los coeficientes
1 + 5Kp = 6,4 → Kp = 1,08
Respuesta
Kp = 1,08
El término integral hace que el lazo sea de tipo 1, así que un escalón se sigue sin error en régimen permanente.
11.Respuesta al escalón
Respuesta: ζ = 0,7926
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 = 78 → ωₙ = 8,832 rad/s
2ζωₙ = 14 → ζ = 14/(2·8,832) = 0,7926
Resultado
ζ = 0,7926
Respuesta
ζ = 0,7926
12.Respuesta al escalón
Respuesta: xmax = 63,27 mm
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).