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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 con k = 2 N·m/A y Ra = 0,25 Ω se conecta a 240 V. Halla su par de bloqueo Tstall, el par a velocidad cero.
V = 240 Vk = 2 N·m/ARa = 0,25 Ω
Tstall = N·m
2.Motores de corriente continuaDifícil
Un troceador de continua alimenta un motor (k = 0,4 V·s/rad, Ra = 1 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 600 rpm con una carga de 0,8 N·m.
Un motor de 0,37 kW a 960 rpm acciona un tornillo sinfín de 4 entrada(s). La rueda tiene 80 dientes y la transmisión tiene un rendimiento del 85 %. Halla el par de salida Tw en el eje de la rueda.
z = 4Nw = 80n = 960 rpmP = 0,37 kWη = 85%
Tw = N·m
4.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
En un tren de engranajes compuesto, el engranaje A (30 dientes), en el eje de entrada que gira a 1450 rpm, acciona el engranaje B (32 dientes). El engranaje C (12 dientes) está fijado al mismo eje que B y acciona el engranaje D (25 dientes) del eje de salida. Halla la velocidad de salida nout.
nin = 1450 rpmA = 30B = 32C = 12D = 25
nout = rpm
5.Adquisición de datos y muestreoMedia
Un registrador muestrea un canal a 2 kHz con un ADC de 16 bits. Cada muestra se almacena en bytes completos. Halla la memoria M necesaria para una grabación de 5 min, en MB (1 MB = 10⁶ bytes).
n = 1fs = 2 kHzN = 16t = 5 min
M = MB
6.Adquisición de datos y muestreoDifícil
Una medición de audio necesita una relación señal/ruido de cuantización ideal de al menos 65 dB para una onda senoidal a fondo de escala. Halla el menor número de bits N del ADC.
SQNR ≥ 65 dB
N =
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasMedia
Un puente con cuatro brazos de 500 Ω se alimenta con 15 V. Cuando cambia el sensor R₂, la salida marca Vab = 74,26 mV. Halla el cambio exacto ΔR de R₂.
Vs = 15 VR = 500 ΩVab = 74,26 mV
ΔR = Ω
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasDifícil
Un puente con brazos de 350 Ω se excita con 3 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 400 µε. Halla la salida del puente Vo en mV.
Vs = 3 VGF = 2ε = 400 µε
Vo = mV
9.Error en régimen permanente y control PIDMedia
Se aplica una rampa r(t) = 0,5t a un lazo con realimentación unitaria con G(s) = 10(s + 1)/(s(s + 4)). Halla el error en régimen permanente ess.
G(s) = 10(s + 1)/(s(s + 4))r(t) = 0,5t
ess =
10.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
Un controlador PD C(s) = 4 + Kd·s controla la planta G(s) = 2/(s(s + 1)) en un lazo con realimentación unitaria. Halla la ganancia derivativa Kd que da al lazo cerrado un coeficiente de amortiguamiento ζ = 0,8.
G(s) = 2/(s(s + 1))Kp = 4ζ = 0,8
Kd = s
11.Respuesta al escalónMedia
Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 192/(s² + 15s + 96) y recibe una entrada escalón unitario. Los polos son s = σ ± jωd. Halla la parte real σ.
G(s) = 192/(s² + 15s + 96)
σ =
12.Respuesta al escalónDifícil
La respuesta al escalón de un sistema de segundo orden sin ceros muestra un sobreimpulso del 50 %, y el primer pico ocurre en t = 1,5 s. Halla la frecuencia natural ωn.
%OS = 50 %tp = 1,5 s
ωn = rad/s
3Disoluciones
1.Motores de corriente continua
Respuesta: Tstall = 1920 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 = 240/0,25 = 960 A
Par de bloqueo
Tstall = 2·960 = 1920 N·m
Respuesta
Tstall = 1920 N·m
2.Motores de corriente continua
Respuesta: D = 11,31 %
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 = 0,4·62,83 + 2·1 = 27,13 V
Ciclo de trabajo
D = 27,13/240 = 11,31 %
Respuesta
D = 11,31 %
3.Engranajes y trenes de engranajes
Respuesta: Tw = 62,57 N·m
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 de la rueda
nw = n·z/Nw = 960·4/80 = 48 rpm
Par de salida
ωw = 2π·48/60 = 5,027 rad/s
Tw = η·P/ωw = 0,85·370/5,027 = 62,57 N·m
Respuesta
Tw = 62,57 N·m
4.Engranajes y trenes de engranajes
Respuesta: nout = 652,5 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 = 1450·30/32 = 1359 rpm = nC
Segunda etapa
nout = 1359·12/25 = 652,5 rpm
Respuesta
nout = 652,5 rpm
relación total = 2,222 : 1
5.Adquisición de datos y muestreo
Respuesta: M = 1,2 MB
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).
Bytes por muestra
⌈16/8⌉ = 2 B
Tasa de bytes
1·2000·2 = 4000 B/s
Memoria
M = 4000·300 = 1,2 × 10⁶ B = 1,2 MB
Respuesta
M = 1,2 MB
6.Adquisición de datos y muestreo
Respuesta: N = 11
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.
Despeja N
N ≥ (65 − 1,76)/6,02 = 10,5
Redondear hacia arriba
N = 11
comprobación: 6,02·11 + 1,76 = 67,98 dB ≥ 65 dB
Respuesta
N = 11
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas
Respuesta: ΔR = 10 Ω
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 del nudo
Va = 7,5 + 0,07426 = 7,574 V
Resuelve el divisor
R₂ = 500·7,574/(15 − 7,574) = 510 Ω
ΔR = 510 − 500 = 10 Ω
Respuesta
ΔR = 10 Ω
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas
Respuesta: Vo = 2,4 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 = 2·400·10⁻⁶ = 0,0008
Salida del puente
Vo = Vs·GF·ε = 3·0,0008 = 2,4 mV
Respuesta
Vo = 2,4 mV
9.Error en régimen permanente y control PID
Respuesta: ess = 0,2
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) = 2,5
Error ante rampa
ess = 0,5/2,5 = 0,2
Respuesta
ess = 0,2
10.Error en régimen permanente y control PID
Respuesta: Kd = 1,763 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 + 1) + 2(4 + Kds) = s² + (1 + 2Kd)s + 8
Frecuencia natural
ωₙ = √8 = 2,828 rad/s
Ganancia derivativa
1 + 2Kd = 2·0,8·2,828 = 4,525
Kd = 1,763 s
Respuesta
Kd = 1,763 s
El término derivativo añade amortiguamiento sin cambiar ωₙ.
11.Respuesta al escalón
Respuesta: σ = −7,5
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 = 15 → ζ = 15/(2·9,798) = 0,7655
Resultado
σ = −ζωₙ = −15/2 = −7,5
Respuesta
σ = −7,5
12.Respuesta al escalón
Respuesta: ωn = 2,145 rad/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).