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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 = 1,5 V·s/rad, Ra = 2 Ω) funciona a 120 V. A plena carga absorbe 5 A. Despreciando la corriente en vacío, halla su regulación de velocidad SR = (n₀ − nFL)/nFL en porcentaje.
V = 120 Vk = 1,5 V·s/radRa = 2 ΩIFL = 5 A
SR = %
2.Motores de corriente continuaDifícil
Un troceador de continua alimenta un motor (k = 0,8 V·s/rad, Ra = 0,8 Ω) desde un bus de continua de 240 V. La tensión media del inducido es D·240 V. Halla el ciclo de trabajo D con el que el motor funciona a 1500 rpm con una carga de 16 N·m.
Un motor de 1,5 kW que gira a 2900 rpm acciona un piñón de 24 dientes, que engrana con una rueda de 25 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 98 %. Halla el par T1 en el eje del motor.
P = 1,5 kWn1 = 2900 rpmN1 = 24N2 = 25η = 98%
T1 = N·m
4.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (45 dientes), en el eje de entrada que gira a 2900 rpm, acciona el engranaje B (48 dientes). El engranaje C (16 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (72 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.
nin = 2900 rpmA = 45B = 48C = 16D = 72
nout = rpm
5.Adquisición de datos y muestreoMedia
Un sensor mide distancia en un rango de 500 mm, y su salida ocupa todo el rango de entrada de un ADC. La lectura debe resolver 0,05 mm. Halla el menor número de bits N que necesita el ADC.
rango = 500 mmresolución = 0,05 mm
N =
6.Adquisición de datos y muestreoDifícil
Un microcontrolador con un reloj de 4 MHz fija su tasa de baudios de la UART como fclk/(16·D), con D un número entero redondeado al valor más cercano. El objetivo es 2400 baudios. Halla el error porcentual de la tasa de baudios real (positivo cuando es demasiado rápida).
fclk = 4 MHzobjetivo = 2400 Bd
e = %
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasMedia
Un puente tiene cuatro brazos de 300 Ω y Vs = 15 V. El sensor R₂ aumenta ΔR = 24 Ω. Halla la salida exacta Vab en mV.
Vs = 15 VR = 300 ΩΔR = 24 Ω
Vab = mV
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasDifícil
Un puente con brazos de 350 Ω se excita con 3 V y tiene una galga activa (cuarto de puente). El factor de galga es 2 y la deformación es de 750 µε. Halla la salida del puente Vo en mV.
Vs = 3 VGF = 2ε = 750 µε
Vo = mV
9.Error en régimen permanente y control PIDMedia
Un lazo con realimentación unitaria con G(s) = K/(s(s + 1)) debe seguir la rampa r(t) = 1t con un error en régimen permanente de 0,01. Halla la ganancia K.
G(s) = K/(s(s + 1))r(t) = 1tess = 0,01
K =
10.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
Un controlador proporcional K = 50 controla la planta G(s) = 5/(s(s + 6)) en un lazo con realimentación unitaria. Halla el tiempo de pico tp de la respuesta al escalón.
G(s) = 5/(s(s + 6))K = 50
tp = s
11.Respuesta al escalónMedia
Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 66/(s² + 2s + 22) y recibe una entrada escalón unitario. Los polos son s = σ ± jωd. Halla la parte real σ.
G(s) = 66/(s² + 2s + 22)
σ =
12.Respuesta al escalónDifícil
Un circuito RLC serie con R = 55 Ω, L = 10 mH y C = 4,7 µF se conecta a un escalón de 10 V en t = 0. El condensador está descargado y no circula corriente antes del escalón. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la tensión del condensador.
R = 55 ΩL = 10 mHC = 4,7 µFV = 10 V
%OS = %
3Disoluciones
1.Motores de corriente continua
Respuesta: SR = 9,091 %
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 vacío y a plena carga
n₀ = 60·120/(2π·1,5) = 763,9 rpm
nFL = 60·(120 − 5·2)/(2π·1,5) = 700,3 rpm
Regulación de velocidad
SR = (763,9 − 700,3)/700,3·100 = 9,091 %
Respuesta
SR = 9,091 %
2.Motores de corriente continua
Respuesta: D = 59,03 %
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 = 0,8·157,1 + 20·0,8 = 141,7 V
Ciclo de trabajo
D = 141,7/240 = 59,03 %
Respuesta
D = 59,03 %
3.Engranajes y trenes de engranajes
Respuesta: T1 = 4,939 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
Respuesta
T1 = 4,939 N·m
4.Engranajes y trenes de engranajes
Respuesta: nout = 604,2 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 = 2900·45/48 = 2719 rpm = nC
Segunda etapa
nout = 2719·16/72 = 604,2 rpm
Respuesta
nout = 604,2 rpm
relación total = 4,8 : 1
5.Adquisición de datos y muestreo
Respuesta: N = 14
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
500/0,05 = 10000
Bits
log₂(10000) = 13,29
213 = 8192 < 10000 ≤ 214 = 16384
N = 14
Respuesta
N = 14
6.Adquisición de datos y muestreo
Respuesta: e = 0,1603 %
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.
Divisor
D = 4·10⁶/(16·2400) = 104,2 → 104
Tasa de baudios real
4·10⁶/(16·104) = 2404 Bd
Error
(2404 − 2400)/2400·100 = 0,1603 %
Respuesta
e = 0,1603 %
Un error inferior a aproximadamente el 2 % suele ser aceptable.
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas
Respuesta: Vab = 288,5 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 = 15·324/624 = 7,788 V
Vb = 7,5 V
Pérdidas
Vab = 288,5 mV
Respuesta
Vab = 288,5 mV
La estimación lineal Vs·ΔR/(4R) = 300 mV es un 4 % demasiado alta: un cuarto de puente no es del todo lineal.
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas
Respuesta: Vo = 1,125 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 = 2·750·10⁻⁶ = 0,0015
Salida del puente
Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 3·0,0015/4 = 1,125 mV
Respuesta
Vo = 1,125 mV
9.Error en régimen permanente y control PID
Respuesta: K = 100
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 requerida
Kv = A/ess = 1/0,01 = 100
Ganancia
K = 1·Kv = 100
Respuesta
K = 100
Una ganancia grande deja este lazo muy poco amortiguado: ζ = 0,05. Ese conflicto es la razón de que se usen compensadores.
10.Error en régimen permanente y control PID
Respuesta: tp = 0,2024 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 + 6) + 50·5 = s² + 6s + 250
ωₙ y ζ
ωₙ = √250 = 15,81 rad/s
ζ = 6/(2·15,81) = 0,1897
Tiempo de pico
ωd = 15,81·√(1 − 0,1897²) = 15,52 rad/s
tp = π/15,52 = 0,2024 s
Respuesta
tp = 0,2024 s
11.Respuesta al escalón
Respuesta: σ = −1
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 = 22 → ωₙ = 4,69 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·4,69) = 0,2132
Resultado
σ = −ζωₙ = −2/2 = −1
Respuesta
σ = −1
12.Respuesta al escalón
Respuesta: %OS = 9,701 %
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).