En la ventana de impresión, elige «Guardar como PDF» para conservar una copia en tu dispositivo.
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 absorbe 20 A de una alimentación de 48 V. Su resistencia de inducido es de 0,25 Ω y sus pérdidas rotacionales (rozamiento, ventilación y hierro) son de 34 W. Halla su rendimiento η.
V = 48 VIa = 20 ARa = 0,25 ΩProt = 34 W
η = %
2.Motores de corriente continuaDifícil
Un troceador de continua alimenta un motor (k = 1,2 V·s/rad, Ra = 1 Ω) desde un bus de continua de 120 V. La tensión media del inducido es D·120 V. Halla el ciclo de trabajo D con el que el motor funciona a 500 rpm con una carga de 9,6 N·m.
Un motor de 15 kW que gira a 2900 rpm acciona un piñón de 20 dientes, que engrana con una rueda de 32 dientes. El par de engranajes tiene un rendimiento del 95 %. Halla el par de salida T2 en el eje de la rueda.
P = 15 kWn1 = 2900 rpmN1 = 20N2 = 32η = 95%
T2 = N·m
4.Engranajes y trenes de engranajesDifícil
Un motor de 1,5 kW a 960 rpm acciona la rueda A (40 dientes), que engrana con la rueda B (45 dientes). La rueda C (20 dientes), en el mismo eje que B, acciona la rueda D (24 dientes) en el eje de salida. Cada engrane tiene un rendimiento del 97 %. Halla el par de salida Tout.
Halla la relación señal/ruido de cuantización ideal SQNR de un ADC de 14 bits para una onda senoidal a fondo de escala.
N = 14
SQNR = dB
6.Adquisición de datos y muestreoDifícil
Un microcontrolador con un reloj de 1 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 = 1 MHzobjetivo = 2400 Bd
e = %
7.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasMedia
Se conecta un galvanómetro con una resistencia de 200 Ω entre a y b del puente mostrado (Vs = 2 V). Halla la corriente Ig del galvanómetro de a a b, en µA.
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricasDifícil
Una galga extensométrica (GF = 2,12) sobre un elemento con E = 110 GPa forma un cuarto de puente excitado con 5 V. La salida marca 1,325 mV. Halla la tensión axial σ en MPa.
Vs = 5 VGF = 2,12Vo = 1,325 mVE = 110 GPa
σ = MPa
9.Error en régimen permanente y control PIDMedia
Se aplica la entrada parabólica r(t) = 10·t²/2 a un lazo con realimentación unitaria con G(s) = 2(s + 2)/(s²(s + 2)). Halla el error en régimen permanente ess.
G(s) = 2(s + 2)/(s²(s + 2))r(t) = 10·t²/2
ess =
10.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
Un controlador PI C(s) = Kp + Ki/s controla la planta G(s) = 4/(s + 2) en un lazo con realimentación unitaria. El lazo cerrado debe tener ωₙ = 2 rad/s y ζ = 1. Halla la ganancia proporcional Kp.
G(s) = 4/(s + 2)ωₙ = 2 rad/sζ = 1
Kp =
11.Respuesta al escalónMedia
Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 156/(s² + 4s + 52) y recibe una entrada escalón unitario. Halla la frecuencia natural ωn en rad/s.
G(s) = 156/(s² + 4s + 52)
ωn = rad/s
12.Respuesta al escalónDifícil
La respuesta al escalón de un sistema de segundo orden sin ceros muestra un sobreimpulso del 15 %, y el primer pico ocurre en t = 0,25 s. Halla la frecuencia natural ωn.
%OS = 15 %tp = 0,25 s
ωn = rad/s
3Disoluciones
1.Motores de corriente continua
Respuesta: η = 86,04 %
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.
Potencias
Pin = 48·20 = 960 W
Pdev = 43·20 = 860 W
Pout = 860 − 34 = 826 W
Rendimiento
η = 826/960·100 = 86,04 %
Respuesta
η = 86,04 %
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 = 1,2·52,36 + 8·1 = 70,83 V
Ciclo de trabajo
D = 70,83/120 = 59,03 %
Respuesta
D = 59,03 %
3.Engranajes y trenes de engranajes
Respuesta: T2 = 75,08 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 = 15000/303,7 = 49,39 N·m
Par de salida
T2 = 49,39·32/20·0,95 = 75,08 N·m
Respuesta
T2 = 75,08 N·m
4.Engranajes y trenes de engranajes
Respuesta: Tout = 18,95 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·(40/45)·(20/24) = 711,1 rpm
ωout = 2π·711,1/60 = 74,47 rad/s
Potencia y par de salida
Pout = 1500·0,97² = 1411 W
Tout = Pout/ωout = 1411/74,47 = 18,95 N·m
Respuesta
Tout = 18,95 N·m
5.Adquisición de datos y muestreo
Respuesta: SQNR = 86,04 dB
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.
SQNR ideal
SQNR = 6,02·14 + 1,76 = 86,04 dB
Respuesta
SQNR = 86,04 dB
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 = 1·10⁶/(16·2400) = 26,04 → 26
Tasa de baudios real
1·10⁶/(16·26) = 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: Ig = 4996 µA
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 de Thévenin
Vth = 2·(500/510 − 150/1150) = 1,7 V
Resistencia de Thévenin
Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 140,2 Ω
Corriente del galvanómetro
Ig = 1,7/(140,2 + 200) = 4996 µA
Respuesta
Ig = 4996 µA
8.Puente de Wheatstone y galgas extensométricas
Respuesta: σ = 55 MPa
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.
Deformación
ε = 4·0,001325/(5·2,12) = 0,0005
Tensión
σ = 110·10³ MPa·0,0005 = 55 MPa
Respuesta
σ = 55 MPa
9.Error en régimen permanente y control PID
Respuesta: ess = 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 aceleración
Ka = 2·2/2 = 2
Error ante parábola
ess = 10/2 = 5
Respuesta
ess = 5
10.Error en régimen permanente y control PID
Respuesta: Kp = 0,5
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 + 2).
s² + (2 + 4Kp)s + 4Ki
Polinomio objetivo
s² + 2·1·2s + 2² = s² + 4s + 4
Iguala los coeficientes
2 + 4Kp = 4 → Kp = 0,5
Respuesta
Kp = 0,5
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: ωn = 7,211 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).
Compara con la forma estándar
El denominador debe coincidir con s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 52 → ωₙ = 7,211 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·7,211) = 0,2774
Resultado
ωₙ = 7,211 rad/s
Respuesta
ωn = 7,211 rad/s
12.Respuesta al escalón
Respuesta: ωn = 14,68 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).