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
+−VRa​M+−En = 1800 rpmT = ?

Un motor de corriente continua entrega 0,5 kW de potencia mecánica a 1800 rpm. Halla el par en el eje T.

P = 0,5 kWn = 1800 rpm
T = N·m
2.Motores de corriente continuaDifícil
T (N·m)n (rpm)60 N·m900 rpm

Un motor de corriente continua con k = 1,5 V·s/rad y Ra = 0,25 Ω debe mover una carga de 60 N·m a 900 rpm. Halla la tensión de inducido V que necesita.

k = 1,5 V·s/radRa = 0,25 ΩT = 60 N·mn = 900 rpm
V = V
3.Engranajes y trenes de engranajesMedia
N1​ = 16, m = 2 mm

Un motor de 11 kW que gira a 1450 rpm acciona un piñón de 16 dientes y módulo 2 mm. Halla la fuerza tangencial Ft sobre los dientes del piñón.

P = 11 kWn = 1450 rpmN1 = 16m = 2 mm
Ft = N
4.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 20B = 30C = 36D = 80

Un motor de 1,1 kW a 960 rpm acciona la rueda A (20 dientes), que engrana con la rueda B (30 dientes). La rueda C (36 dientes), en el mismo eje que B, acciona la rueda D (80 dientes) en el eje de salida. Cada engrane tiene un rendimiento del 98 %. Halla el par de salida Tout.

P = 1,1 kWnin = 960 rpmA = 20B = 30C = 36D = 80ηmesh = 98%
Tout = N·m
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
126⋮6 ch∿01tc​ = 4 µstset​ = 2 µsfs​ = ?

Un multiplexor de 6 canales alimenta un solo ADC. Cada conversión tarda 4 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 = 6tc = 4 µstset = 2 µs
fs = kHz
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasMedia
+−2 V330 Ω330 Ω + ΔR330 Ω330 Ωab+−Vab​ = ?

Un puente tiene cuatro brazos de 330 Ω y Vs = 2 V. El sensor R₂ aumenta ΔR = 49,5 Ω. Halla la salida exacta Vab en mV.

Vs = 2 VR = 330 ΩΔR = 49,5 Ω
Vab = mV
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasDifícil
+−10 V350 Ω − ΔR350 Ω + ΔR350 Ω + ΔR350 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

Una célula de carga (un puente completo de galgas extensométricas) tiene una salida nominal de 2 mV/V a su carga nominal de 500 kg. Se excita con 10 V. Halla su salida Vo bajo una carga de 400 kg.

2 mV/VFrated = 500 kgVs = 10 VF = 400 kg
Vo = mV
9.Error en régimen permanente y control PIDMedia
r(t) = 3t+10s(s + 10)C(s)−

Se aplica una rampa r(t) = 3t a un lazo con realimentación unitaria con G(s) = 10/(s(s + 10)). Halla el error en régimen permanente ess.

G(s) = 10/(s(s + 10))r(t) = 3t
ess =
10.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
R(s)+K = 84s(s + 5)C(s)−

Un controlador proporcional K = 8 controla la planta G(s) = 4/(s(s + 5)) en un lazo con realimentación unitaria. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la respuesta al escalón.

G(s) = 4/(s(s + 5))K = 8
%OS = %
11.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)2

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 80/(s² + 4s + 40) y recibe una entrada escalón unitario. Los polos son s = σ ± jωd. Halla la parte real σ.

G(s) = 80/(s² + 4s + 40)
σ =
12.Respuesta al escalónDifícil
R(s)+110s(s + 2)G(s)C(s)−

Un lazo de realimentación negativa unitaria tiene G(s) = 110/(s(s + 2)). Halla el tiempo de establecimiento al 2 % ts de la respuesta al escalón en lazo cerrado, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 110/(s(s + 2))
ts = s

3Disoluciones

1.Motores de corriente continua

Respuesta: T = 2,653 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.

Velocidad en rad/s

ω = 2π·1800/60 = 188,5 rad/s

Par

T = P/ω = 500/188,5 = 2,653 N·m

Respuesta

T = 2,653 N·m
2.Motores de corriente continua

Respuesta: V = 151,4 V

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.

Fuerza contraelectromotriz

E = 1,5·94,25 = 141,4 V

Corriente de inducido

Ia = 60/1,5 = 40 A

Tensión de inducido

V = 141,4 + 40·0,25 = 151,4 V

Respuesta

V = 151,4 V
3.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: Ft = 4528 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·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 11000/151,8 = 72,44 N·m

Diámetro primitivo

d = m·N = 2·16 = 32 mm

Fuerza tangencial

Ft = 2T/d = 2·72,44/0,032 = 4528 N

Respuesta

Ft = 4528 N
4.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: Tout = 35,03 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 salida

nout = 960·(20/30)·(36/80) = 288 rpm
ωout = 2π·288/60 = 30,16 rad/s

Potencia y par de salida

Pout = 1100·0,98² = 1056 W
Tout = Pout/ωout = 1056/30,16 = 35,03 N·m

Respuesta

Tout = 35,03 N·m
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: fs = 27,78 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

4 + 2 = 6 µs

Tiempo por barrido

6·6 = 36 µs

Frecuencia de muestreo por canal

fs = 1/36 µs = 27,78 kHz

Respuesta

fs = 27,78 kHz
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: Vab = 69,77 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 = 2·379,5/709,5 = 1,07 V
Vb = 1 V

Pérdidas

Vab = 69,77 mV

Respuesta

Vab = 69,77 mV

La estimación lineal Vs·ΔR/(4R) = 75 mV es un 7,5 % demasiado alta: un cuarto de puente no es del todo lineal.

8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: Vo = 16 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.

Salida a fondo de escala

2·10 = 20 mV

Salida con esta carga

Vo = 20·400/500 = 16 mV

Respuesta

Vo = 16 mV
9.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: ess = 3

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 = 3/1 = 3

Respuesta

ess = 3
10.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: %OS = 21,27 %

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) + 8·4 = s² + 5s + 32

ωₙ y ζ

ωₙ = √32 = 5,657 rad/s
ζ = 5/(2·5,657) = 0,4419

Sobreimpulso

%OS = 100·e−0,4419π/√(1 − 0,4419²) = 21,27 %

Respuesta

%OS = 21,27 %
11.Respuesta al escalón

Respuesta: σ = −2

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 = 40 → ωₙ = 6,325 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·6,325) = 0,3162

Resultado

σ = −ζωₙ = −4/2 = −2

Respuesta

σ = −2
12.Respuesta al escalón

Respuesta: ts = 4 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) = 110/(s² + 2s + 110): ωₙ = 10,49 rad/s, ζ = 0,09535

Tiempo de establecimiento

ζωₙ = 2/2 = 1
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 4 s

Respuesta

ts = 4 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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