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)9 N·mn0​n = ?

Un motor de corriente continua (k = 0,6 N·m/A, Ra = 1,5 Ω) funciona a 220 V y mueve un par de carga de 9 N·m. Halla su velocidad n en rpm.

V = 220 Vk = 0,6 N·m/ARa = 1,5 ΩT = 9 N·m
n = rpm
2.Motores de corriente continuaDifícil
+−110 VRa​ = 1,5 ΩM+−EωT

Un motor de corriente continua pequeño tiene una resistencia de inducido de 1,5 Ω y funciona a 110 V. Despreciando las pérdidas rotacionales, halla la mayor potencia mecánica Pmax que puede desarrollar a cualquier velocidad.

V = 110 VRa = 1,5 Ω
Pmax = W
3.Engranajes y trenes de engranajesMedia
N1​ = 18, m = 5 mm

Un motor de 11 kW que gira a 960 rpm acciona un piñón de 18 dientes y módulo 5 mm. Halla la fuerza tangencial Ft sobre los dientes del piñón.

P = 11 kWn = 960 rpmN1 = 18m = 5 mm
Ft = N
4.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
d1​ = 100 mmd2​ = 315 mm960 rpmC = 500 mmT1​ = 2000 NT2​P = ?

Una correa abierta conecta una polea motriz de 100 mm a 960 rpm con una polea de 315 mm; los centros están separados 500 mm. El coeficiente de rozamiento es 0,3 y la tensión del ramal tenso no puede superar 2000 N. Halla la mayor potencia P que puede transmitir la correa sin deslizar, en kW (ignora los efectos centrífugos).

d1 = 100 mmn1 = 960 rpmd2 = 315 mmC = 500 mmμ = 0,3T1 = 2000 N
P = kW
5.Adquisición de datos y muestreoMedia
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​PTb​11·Tb​1200 Bd, 8E1

Una UART envía bytes a 1200 baudios en el formato 8E1: 8 bits de datos, un bit de paridad par y 1 bit(s) de parada, además del bit de inicio. Halla el mayor número de bytes de datos por segundo que puede transferir.

baud = 1200 Bd8E1
RB = B/s
6.Adquisición de datos y muestreoDifícil
Vin​N = ?VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Una medición de audio necesita una relación señal/ruido de cuantización ideal de al menos 96 dB para una onda senoidal a fondo de escala. Halla el menor número de bits N del ADC.

SQNR ≥ 96 dB
N =
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasMedia
+−2 V150 Ω150 Ω150 Ω150 Ωab+−

Una galga extensométrica de 150 Ω es un brazo (R₂) de un puente con cuatro brazos iguales de 150 Ω y una excitación de 2 V. Halla la potencia Pg disipada en la galga, en mW. El autocalentamiento limita la excitación.

Vs = 2 VR = 150 Ω
Pg = mW
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasDifícil
+−10 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−Vo​

Un cuarto de puente (una galga activa, GF = 2) se excita con 10 V. La mayor deformación que se quiere medir es de 500 µε, y debe dar 5 V a la entrada de un convertidor analógico-digital. Halla la ganancia del amplificador G.

Vs = 10 VGF = 2εmax = 500 µεVFS = 5 V
G =
9.Error en régimen permanente y control PIDMedia
r(t) = 1t+Ks(s + 5)C(s)−

Un lazo con realimentación unitaria con G(s) = K/(s(s + 5)) debe seguir la rampa r(t) = 1t con un error en régimen permanente de 0,2. Halla la ganancia K.

G(s) = K/(s(s + 5))r(t) = 1tess = 0,2
K =
10.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
R(s)+K = 102s(s + 5)C(s)−

Un controlador proporcional K = 10 controla la planta G(s) = 2/(s(s + 5)) en un lazo con realimentación unitaria. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la respuesta al escalón.

G(s) = 2/(s(s + 5))K = 10
%OS = %
11.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)1?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 77/(s² + 3s + 77) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la respuesta al escalón.

G(s) = 77/(s² + 3s + 77)
%OS = %
12.Respuesta al escalónDifícil
k = 2000 N/mc = 141 N·s/mm = 10 kgF = 20 Nx(t)

Una masa m = 10 kg cuelga de un resorte k = 2000 N/m con un amortiguador viscoso c = 141 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). En reposo, en equilibrio, se aplica de repente una fuerza constante F = 20 N. Halla el mayor desplazamiento xmax en mm.

m = 10 kgk = 2000 N/mc = 141 N·s/mF = 20 N
xmax = mm

3Disoluciones

1.Motores de corriente continua

Respuesta: n = 3143 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 = 9/0,6 = 15 A

Fuerza contraelectromotriz y velocidad

E = 220 − 15·1,5 = 197,5 V
ω = E/k = 329,2 rad/s → n = 3143 rpm

Respuesta

n = 3143 rpm
2.Motores de corriente continua

Respuesta: Pmax = 2017 W

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.

Potencia en función de la fuerza contraelectromotriz

P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 55 V

Potencia máxima

Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 110²/(4·1,5) = 2017 W

Respuesta

Pmax = 2017 W

En este punto el rendimiento es solo del 50 %, así que los motores reales funcionan muy por encima de la mitad de la velocidad.

3.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: Ft = 2432 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·960/60 = 100,5 rad/s
T = P/ω = 11000/100,5 = 109,4 N·m

Diámetro primitivo

d = m·N = 5·18 = 90 mm

Fuerza tangencial

Ft = 2T/d = 2·109,4/0,09 = 2432 N

Respuesta

Ft = 2432 N
4.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: P = 5,592 kW

Transmisiones por correa: sin deslizamiento, ambas poleas tienen la misma velocidad periférica v = π·d·n/60, así que n₁·d₁ = n₂·d₂ y la relación de velocidades es d₂/d₁. El deslizamiento s hace que la polea conducida gire un poco más despacio: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). La potencia transmitida es P = (T₁ − T₂)·v, con T₁ la tensión del ramal tenso y T₂ la del ramal flojo. El rozamiento limita la relación de tensiones: T₁/T₂ = eμθ, donde θ es el ángulo de contacto en radianes sobre la polea menor; para una correa abierta θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) con distancia entre centros C.

Ángulo de contacto

θ = 2,708 rad

Tensión del ramal flojo

eμθ = e0,8125 = 2,253, T₂ = 2000/2,253 = 887,5 N

Potencia

P = (2000 − 887,5)·5,027 = 5,592 kW

Respuesta

P = 5,592 kW
5.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: RB = 109,1 B/s

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 trama

1 + 8 + 1 + 1 = 11

Tasa de bytes

1200/11 = 109,1 B/s

Respuesta

RB = 109,1 B/s
6.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: N = 16

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 ≥ (96 − 1,76)/6,02 = 15,65

Redondear hacia arriba

N = 16
comprobación: 6,02·16 + 1,76 = 98,08 dB ≥ 96 dB

Respuesta

N = 16
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: Pg = 6,667 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 = 2/2 = 1 V

Potencia

Pg = 1²/150 = 6,667 mW

Respuesta

Pg = 6,667 mW
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: G = 2000

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 = 2,5 mV

Ganancia

G = 5/0,0025 = 2000

Respuesta

G = 2000
9.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: K = 25

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 = 1/0,2 = 5

Ganancia

K = 5·Kv = 25

Respuesta

K = 25

Una ganancia grande deja este lazo muy poco amortiguado: ζ = 0,5. Ese conflicto es la razón de que se usen compensadores.

10.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: %OS = 12,03 %

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 + 5) + 10·2 = s² + 5s + 20

ωₙ y ζ

ωₙ = √20 = 4,472 rad/s
ζ = 5/(2·4,472) = 0,559

Sobreimpulso

%OS = 100·e−0,559π/√(1 − 0,559²) = 12,03 %

Respuesta

%OS = 12,03 %
11.Respuesta al escalón

Respuesta: %OS = 57,98 %

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 = 77 → ωₙ = 8,775 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·8,775) = 0,1709

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0,545 = 57,98 %

Respuesta

%OS = 57,98 %
12.Respuesta al escalón

Respuesta: xmax = 11,64 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).

Frecuencia natural y razón de amortiguamiento

ωₙ = √(k/m) = √(2000/10) = 14,14 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 141/(2·√(2000·10)) = 0,4985

Resultado

xst = F/k = 20/2000 m = 10 mm
%OS = 16,42 %
xmax = 10·(1 + 0,1642) = 11,64 mm

Respuesta

xmax = 11,64 mm

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