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 = 3000 rpmT = ?

Un motor de corriente continua entrega 4 kW de potencia mecánica a 3000 rpm. Halla el par en el eje T.

P = 4 kWn = 3000 rpm
T = N·m
2.Motores de corriente continuaDifícil
+−110 VRa​ = 1,2 ΩM+−EωT

Un motor de corriente continua pequeño tiene una resistencia de inducido de 1,2 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 = 1,2 Ω
Pmax = W
3.Engranajes y trenes de engranajesMedia
N1​N2​ = ?

Dos ejes paralelos están a 63 mm de distancia. Deben unirse mediante un par de ruedas dentadas rectas de módulo 2 mm y una reducción de velocidad de 2,5 : 1. ¿Cuántos dientes N2 debe tener la rueda?

a = 63 mmm = 2 mmi = 2,5
N2 =
4.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
A = 20B = 24C = 40D = 80

Un motor de 1,5 kW a 960 rpm acciona la rueda A (20 dientes), que engrana con la rueda B (24 dientes). La rueda C (40 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 = 1,5 kWnin = 960 rpmA = 20B = 24C = 40D = 80ηmesh = 98%
Tout = N·m
5.Adquisición de datos y muestreoMedia
124⋮4 ch∿01N = 141 kHz? MB

Un registrador muestrea 4 canales a 1 kHz cada uno con un ADC de 14 bits. Cada muestra se almacena en bytes completos. Halla la memoria M necesaria para una grabación de 2 min, en MB (1 MB = 10⁶ bytes).

n = 4fs = 1 kHzN = 14t = 2 min
M = MB
6.Adquisición de datos y muestreoDifícil
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​1/fbaud​8 MHz / (16·D)

Un microcontrolador con un reloj de 8 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 38400 baudios. Halla el error porcentual de la tasa de baudios real (positivo cuando es demasiado rápida).

fclk = 8 MHzobjetivo = 38400 Bd
e = %
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasMedia
+−12 V220 Ω220 Ω + ΔR220 Ω220 Ωab+−59,41 mV

Un puente con cuatro brazos de 220 Ω se alimenta con 12 V. Cuando cambia el sensor R₂, la salida marca Vab = 59,41 mV. Halla el cambio exacto ΔR de R₂.

Vs = 12 VR = 220 ΩVab = 59,41 mV
ΔR = Ω
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasDifícil
+−2,5 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−Vo​ = ?

Un puente con brazos de 1000 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 800 µε. Halla la salida del puente Vo en mV.

Vs = 2,5 VGF = 2,05ε = 800 µε
Vo = mV
9.Error en régimen permanente y control PIDMedia
r(t) = 5t+20(s + 1)s(s + 10)C(s)−

Se aplica una rampa r(t) = 5t a un lazo con realimentación unitaria con G(s) = 20(s + 1)/(s(s + 10)). Halla el error en régimen permanente ess.

G(s) = 20(s + 1)/(s(s + 10))r(t) = 5t
ess =
10.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
R(s)+Kp​ + Ki​/s5s + 4C(s)−

Un controlador PI C(s) = Kp + Ki/s controla la planta G(s) = 5/(s + 4) en un lazo con realimentación unitaria. El lazo cerrado debe tener ωₙ = 4 rad/s y ζ = 0,7. Halla la ganancia proporcional Kp.

G(s) = 5/(s + 4)ωₙ = 4 rad/sζ = 0,7
Kp =
11.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)1

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 8/(s² + s + 8) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

G(s) = 8/(s² + s + 8)
ζ =
12.Respuesta al escalónDifícil
+−24 VR = 124 ΩL = 50 mHC = 4,7 µFvC​

Un circuito RLC serie con R = 124 Ω, L = 50 mH y C = 4,7 µF se conecta a un escalón de 24 V en t = 0. El condensador está descargado y no circula corriente antes del escalón. Halla la frecuencia natural no amortiguada ωn en rad/s.

R = 124 ΩL = 50 mHC = 4,7 µFV = 24 V
ωn = rad/s

3Disoluciones

1.Motores de corriente continua

Respuesta: T = 12,73 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·3000/60 = 314,2 rad/s

Par

T = P/ω = 4000/314,2 = 12,73 N·m

Respuesta

T = 12,73 N·m
2.Motores de corriente continua

Respuesta: Pmax = 2521 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/(4·1,2) = 2521 W

Respuesta

Pmax = 2521 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: N2 = 45

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.

Número total de dientes

N1 + N2 = 2a/m = 2·63/2 = 63

Reparte según la relación

N1 = 63/(1 + 2,5) = 18
N2 = 2,5·18 = 45

Respuesta

N2 = 45
4.Engranajes y trenes de engranajes

Respuesta: Tout = 34,39 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·(20/24)·(40/80) = 400 rpm
ωout = 2π·400/60 = 41,89 rad/s

Potencia y par de salida

Pout = 1500·0,98² = 1441 W
Tout = Pout/ωout = 1441/41,89 = 34,39 N·m

Respuesta

Tout = 34,39 N·m
5.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: M = 0,96 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

⌈14/8⌉ = 2 B

Tasa de bytes

4·1000·2 = 8000 B/s

Memoria

M = 8000·120 = 960000 B = 0,96 MB

Respuesta

M = 0,96 MB
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 = 8·10⁶/(16·38400) = 13,02 → 13

Tasa de baudios real

8·10⁶/(16·13) = 38462 Bd

Error

(38462 − 38400)/38400·100 = 0,1603 %

Respuesta

e = 0,1603 %

Un error inferior a aproximadamente el 2 % suele ser aceptable.

7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: ΔR = 4,4 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 = 6 + 0,05941 = 6,059 V

Resuelve el divisor

R₂ = 220·6,059/(12 − 6,059) = 224,4 Ω
ΔR = 224,4 − 220 = 4,4 Ω

Respuesta

ΔR = 4,4 Ω
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas

Respuesta: Vo = 1,025 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 = 2,05·800·10⁻⁶ = 0,00164

Salida del puente

Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 2,5·0,00164/4 = 1,025 mV

Respuesta

Vo = 1,025 mV
9.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: ess = 2,5

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) = 2

Error ante rampa

ess = 5/2 = 2,5

Respuesta

ess = 2,5
10.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: Kp = 0,32

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 + 4).

s² + (4 + 5Kp)s + 5Ki

Polinomio objetivo

s² + 2·0,7·4s + 4² = s² + 5,6s + 16

Iguala los coeficientes

4 + 5Kp = 5,6 → Kp = 0,32

Respuesta

Kp = 0,32

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: ζ = 0,1768

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 = 8 → ωₙ = 2,828 rad/s
2ζωₙ = 1 → ζ = 1/(2·2,828) = 0,1768

Resultado

ζ = 0,1768

Respuesta

ζ = 0,1768
12.Respuesta al escalón

Respuesta: ωn = 2063 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).

Frecuencia natural y razón de amortiguamiento

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,05·4,7 × 10⁻⁶) = 2063 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (124/2)·√(4,7 × 10⁻⁶/0,05) = 0,6011

Resultado

ωₙ = 2063 rad/s

Respuesta

ωn = 2063 rad/s

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