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)18 N·mn0​n = ?

Un motor de corriente continua (k = 1,2 N·m/A, Ra = 0,5 Ω) funciona a 220 V y mueve un par de carga de 18 N·m. Halla su velocidad n en rpm.

V = 220 Vk = 1,2 N·m/ARa = 0,5 ΩT = 18 N·m
n = rpm
2.Motores de corriente continuaDifícil
+−48 VRst​ = ?Ra​ = 1 Ω15 AM+−E = 0n = 0T

Un motor de corriente continua de 48 V tiene una resistencia de inducido de 1 Ω. Halla la resistencia de arranque en serie Rst que limita la corriente de arranque a 15 A.

V = 48 VRa = 1 ΩImax = 15 A
Rst = Ω
3.Engranajes y trenes de engranajesMedia
N1​ = 45N2​ = 48

Un motor de 5,5 kW que gira a 1500 rpm acciona un piñón de 45 dientes, que engrana con una rueda de 48 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 97 %. Halla el par T1 en el eje del motor.

P = 5,5 kWn1 = 1500 rpmN1 = 45N2 = 48η = 97%
T1 = N·m
4.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 36B = 72C = 72D = 80

En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (36 dientes), en el eje de entrada que gira a 1500 rpm, acciona el engranaje B (72 dientes). El engranaje C (72 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (80 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.

nin = 1500 rpmA = 36B = 72C = 72D = 80
nout = rpm
5.Adquisición de datos y muestreoMedia
Vin​N = ?5 V2ᴺ − 10≤ 2 mV

Un ADC con un rango de entrada de 0 a 5 V debe resolver pasos de 2 mV o menos. Halla el menor número de bits N.

VFSR = 5 Vresolución = 2 mV
N =
6.Adquisición de datos y muestreoDifícil
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​Tb​10·Tb​460800 Bd, 8N1

Un ADC de 24 bits envía cada muestra por una UART a 460800 baudios, formato 8N1 (bit de inicio, 8 bits de datos, 1 bit de parada). Cada muestra se envía como 3 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 = 460800 BdN = 248N1
fmax = Hz
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasMedia
+−2 V250 Ω250 Ω + ΔR250 Ω250 Ωab+−Vab​ = ?

Un puente tiene cuatro brazos de 250 Ω y Vs = 2 V. El sensor R₂ aumenta ΔR = 12,5 Ω. Halla la salida exacta Vab en mV.

Vs = 2 VR = 250 ΩΔR = 12,5 Ω
Vab = mV
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasDifícil
+−2,5 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−Vo​ = ?

Un puente con brazos de 350 Ω se excita con 2,5 V y tiene una galga activa (cuarto de puente). El factor de galga es 2,05 y la deformación es de 500 µε. Halla la salida del puente Vo en mV.

Vs = 2,5 VGF = 2,05ε = 500 µε
Vo = mV
9.Error en régimen permanente y control PIDMedia
r(t) = 0,5t+2s(s + 2)C(s)−

Se aplica una rampa r(t) = 0,5t 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) = 0,5t
ess =
10.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
R(s)+Kp​ + Ki​/s4s + 1C(s)−

Un controlador PI C(s) = Kp + Ki/s controla la planta G(s) = 4/(s + 1) en un lazo con realimentación unitaria. El lazo cerrado debe tener ωₙ = 8 rad/s y ζ = 0,6. Halla la ganancia proporcional Kp.

G(s) = 4/(s + 1)ωₙ = 8 rad/sζ = 0,6
Kp =
11.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)0,5?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 48/(s² + 5s + 96) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la respuesta al escalón.

G(s) = 48/(s² + 5s + 96)
%OS = %
12.Respuesta al escalónDifícil
R(s)+190s(s + 5)G(s)C(s)−

Un lazo de realimentación negativa unitaria tiene G(s) = 190/(s(s + 5)). Halla el tiempo de establecimiento al 2 % ts de la respuesta al escalón en lazo cerrado, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 190/(s(s + 5))
ts = s

3Disoluciones

1.Motores de corriente continua

Respuesta: n = 1691 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 = 18/1,2 = 15 A

Fuerza contraelectromotriz y velocidad

E = 220 − 15·0,5 = 212,5 V
ω = E/k = 177,1 rad/s → n = 1691 rpm

Respuesta

n = 1691 rpm
2.Motores de corriente continua

Respuesta: Rst = 2,2 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 = 48/15 = 3,2 Ω

Resistencia de arranque

Rst = 3,2 − 1 = 2,2 Ω

Respuesta

Rst = 2,2 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: T1 = 35,01 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 = 5500/157,1 = 35,01 N·m

Respuesta

T1 = 35,01 N·m
4.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: nout = 675 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 = 1500·36/72 = 750 rpm = nC

Segunda etapa

nout = 750·72/80 = 675 rpm

Respuesta

nout = 675 rpm

relación total = 2,222 : 1

5.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: N = 12

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

5000 mV/2 mV = 2500

Bits

log₂(2500) = 11,29
211 = 2048 < 2500 ≤ 212 = 4096
N = 12

Respuesta

N = 12
6.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: fmax = 7680 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

3·10 = 30 bit

Frecuencia de muestreo más alta

fs,max = 460800/30 = 15360 Hz

Límite de Nyquist

fmax = 15360/2 = 7680 Hz

Respuesta

fmax = 7680 Hz
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: Vab = 24,39 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 = 2·262,5/512,5 = 1,024 V
Vb = 1 V

Pérdidas

Vab = 24,39 mV

Respuesta

Vab = 24,39 mV

La estimación lineal Vs·ΔR/(4R) = 25 mV es un 2,5 % demasiado alta: un cuarto de puente no es del todo lineal.

8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: Vo = 0,6406 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 = 2,05·500·10⁻⁶ = 0,001025

Salida del puente

Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 2,5·0,001025/4 = 0,6406 mV

Respuesta

Vo = 0,6406 mV
9.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: ess = 0,5

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

Error ante rampa

ess = 0,5/1 = 0,5

Respuesta

ess = 0,5
10.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: Kp = 2,15

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 + 4Kp)s + 4Ki

Polinomio objetivo

s² + 2·0,6·8s + 8² = s² + 9,6s + 64

Iguala los coeficientes

1 + 4Kp = 9,6 → Kp = 2,15

Respuesta

Kp = 2,15

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: %OS = 43,65 %

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 = 96 → ωₙ = 9,798 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·9,798) = 0,2552

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0,829 = 43,65 %

Respuesta

%OS = 43,65 %
12.Respuesta al escalón

Respuesta: ts = 1,6 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).

Función de transferencia en lazo cerrado

T(s) = 190/(s² + 5s + 190): ωₙ = 13,78 rad/s, ζ = 0,1814

Tiempo de establecimiento

ζωₙ = 5/2 = 2,5
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 1,6 s

Respuesta

ts = 1,6 s

Para este lazo ζωₙ = a/2 sea cual sea K: aumentar K añade sobreimpulso pero no acorta el tiempo de establecimiento.

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