Sistemi meccatronici: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 12 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

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1Formule e metodi

Motori in corrente continua

Circuito d’indotto
V = E + IaRa
F.c.e.m. e coppia
E = k·ω, T = k·Ia
Velocità
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Velocità a vuoto e coppia di spunto
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Potenze
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Avviamento
Istart = V/(Ra + Rst)
Regolazione di velocità
SR = (n0 − nFL)/nFL
Massima potenza sviluppata
Pmax = V²/(4Ra)
Azionamento con chopper
Va = D·Vdc

Metodo

  1. Disegna il circuito d’indotto: alimentazione V, resistenza Ra e f.c.e.m. E in serie.
  2. Usa V = E + Ia·Ra per collegare tensione, corrente e f.c.e.m.
  3. Usa E = k·ω per la velocità e T = k·Ia per la coppia, con ω = 2π·n/60.
  4. Per potenza e rendimento, parti da V·Ia, sottrai la perdita nel rame Ia²·Ra e poi le perdite rotazionali.

Ingranaggi e rotismi

Ruote dentate in presa
n1·N1 = n2·N2
Momento torcente
T2 = T1·(N2/N1)·η
Potenza
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Rotismo composto
rapporto totale = prodotto dei rapporti dei singoli stadi

Acquisizione dati e campionamento

Criterio di Nyquist
fs > 2·fmax, fN = fs/2
Frequenza di alias
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
Passo di quantizzazione
1 LSB = VFSR/2ᴺ
Errore di quantizzazione (arrotondamento)
±½ LSB
Codice di un ADC a troncamento
D = ⌊Vin/LSB⌋
Bit per una risoluzione r
2ᴺ ≥ span/r
SQNR ideale, sinusoide a fondo scala
SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
Velocità dei dati
canali × fs × N bit/s
ADC multiplexato
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/baud; 8N1 = 10 bit per byte; byte/s = baud/bit per frame
Divisore del baud rate
baud = fclk/(16·D)

Metodo

  1. Scrivi i dati: frequenza di campionamento, frequenze del segnale, numero di bit, campo d’ingresso, baud rate.
  2. Nei problemi di campionamento confronta ogni frequenza con fs/2; una frequenza più alta compare a fa = |f − k·fs|, con il multiplo di fs più vicino.
  3. Nei problemi di risoluzione trova 1 LSB = VFSR/2ᴺ, oppure il più piccolo N con 2ᴺ ≥ campo/risoluzione.
  4. Per velocità dei dati e collegamenti UART conta tutto ciò che viene inviato: canali, campioni al secondo, bit o byte interi per campione, e i bit di start, parità e stop di ogni frame.

Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Tensioni dei partitori
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Uscite
Vab = Va − Vb
Bilancio
R1/R2 = R3/R4
Ponte a filo
R/Rx = l/(100 − l)
Resistenza di Thévenin
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
Fattore di taratura
ΔR/R = GF·ε
Uscita del ponte
quarto Vs·GF·ε/4, mezzo Vs·GF·ε/2, intero Vs·GF·ε
Piccola variazione, un ramo
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Tensione
σ = E·ε

Metodo

  1. Tratta il ponte come due partitori di tensione ai capi della stessa alimentazione.
  2. Per l’equilibrio, poni R₁/R₂ = R₃/R₄ e ricava la resistenza incognita.
  3. Per un ponte non equilibrato, ricava Va e Vb dai partitori e sottrai; usa l’equivalente di Thévenin quando uno strumento carica l’uscita.
  4. Per gli estensimetri, converti la deformazione in ΔR/R = GF·ε e usa Vs·GF·ε/4, /2 o ×1 per un quarto, mezzo o ponte intero.

Errore a regime e controllo PID

Tipo del sistema
numero di poli di G(s) in s = 0
Costanti d’errore
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Gradino A
ess = A/(1 + Kp)
Rampa A·t
ess = A/Kv
Parabola A·t²/2
ess = A/Ka
Controllore PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Obiettivo del secondo ordine
s² + 2ζωns + ωn²
Sovraelongazione e tempi
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Metodo

  1. Conta i poli dell’anello aperto C(s)·G(s) in s = 0: è il tipo del sistema.
  2. Calcola la costante d’errore corrispondente all’ingresso: Kp per un gradino, Kv per una rampa, Ka per una parabola.
  3. Applica ess = A/(1 + Kp), A/Kv o A/Ka, oppure risolvi per il guadagno che ti serve.
  4. Per una specifica di smorzamento o di velocità, scrivi il polinomio caratteristico ad anello chiuso e uguaglialo a s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Esercizi

1.Motori in corrente continuaMedia
+−VRa​M+−En = 1800 rpmT = ?

Un motore in corrente continua eroga 11 kW di potenza meccanica a 1800 rpm. Trova la coppia all’albero T.

P = 11 kWn = 1800 rpm
T = N·m
2.Motori in corrente continuaDifficile
+−220 VRa​ = 0,8 ΩIa​: 10 → 2,5 AM+−En = ?T

Un motore in corrente continua a eccitazione indipendente a 220 V (Ra = 0,8 Ω) gira a 1200 rpm con una corrente d’indotto di 10 A. Il carico cambia e la corrente diventa 2,5 A, con il campo invariato. Trova la nuova velocità n2.

V = 220 VRa = 0,8 Ωn1 = 1200 rpmIa1 = 10 AIa2 = 2,5 A
n2 = rpm
3.Ingranaggi e rotismiMedia
d1​ = 200 mmd2​ = 315 mm720 rpmn2​ = ?

Una puleggia da 200 mm a 720 giri/min aziona con una cinghia una puleggia da 315 mm con slittamento del 1 %. Trova la velocità n2 della puleggia condotta.

n1 = 720 rpmd1 = 200 mmd2 = 315 mms = 1 %
n2 = rpm
4.Ingranaggi e rotismiDifficile
d1​ = 100 mmd2​ = 500 mm1450 rpmC = 600 mmT1​ = 600 NT2​P = ?

Una cinghia aperta collega una puleggia motrice da 100 mm a 1450 giri/min a una puleggia da 500 mm; gli assi distano 600 mm. Il coefficiente di attrito è 0,35 e la tensione sul lato teso non può superare 600 N. Trova la massima potenza P che la cinghia può trasmettere senza slittare, in kW (trascura gli effetti centrifughi).

d1 = 100 mmn1 = 1450 rpmd2 = 500 mmC = 600 mmμ = 0,35T1 = 600 N
P = kW
5.Acquisizione dati e campionamentoMedia
Vin​N = 10VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Trova il rapporto segnale/rumore di quantizzazione ideale SQNR di un ADC a 10 bit per una sinusoide a fondo scala.

N = 10
SQNR = dB
6.Acquisizione dati e campionamentoDifficile
122 ch∿01tc​ = 10 µstset​ = 2,5 µsfs​ = ?

Un multiplexer a 2 canali alimenta un solo ADC. Ogni conversione dura 10 µs e dopo ogni commutazione di canale l’ingresso richiede 2,5 µs per assestarsi. I canali sono scansionati a turno senza pause. Trova la frequenza di campionamento fs di ciascun canale, in kHz.

n = 2tc = 10 µstset = 2,5 µs
fs = kHz
7.Ponte di Wheatstone ed estensimetriMedia
+−5 VR1​ = 100 ΩR2​ = 200 ΩR3​ = 20 ΩR4​ = 100 Ωab+−Rth​ = ?

Trova la resistenza di Thévenin Rth del ponte mostrato, vista dai morsetti di uscita a e b.

Vs = 5 VR1 = 100 ΩR2 = 200 ΩR3 = 20 ΩR4 = 100 Ω
Rth = Ω
8.Ponte di Wheatstone ed estensimetriDifficile
+−5 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−0,5 mV

Un estensimetro (GF = 2) su un elemento con E = 210 GPa forma un quarto di ponte eccitato con 5 V. L’uscita indica 0,5 mV. Trova la tensione assiale σ in MPa.

Vs = 5 VGF = 2Vo = 0,5 mVE = 210 GPa
σ = MPa
9.Errore a regime e controllo PIDMedia
r(t) = 2t+5s(s + 5)C(s)−

Una rampa r(t) = 2t è applicata a un anello a retroazione unitaria con G(s) = 5/(s(s + 5)). Trova l’errore a regime ess.

G(s) = 5/(s(s + 5))r(t) = 2t
ess =
10.Errore a regime e controllo PIDDifficile
R(s)+K10s(s + 2)C(s)−

Un controllore proporzionale K comanda il sistema G(s) = 10/(s(s + 2)) in un anello a retroazione unitaria. Trova il guadagno K che dà all’anello chiuso un coefficiente di smorzamento ζ = 0,4.

G(s) = 10/(s(s + 2))ζ = 0,4
K =
11.Risposta al gradinoMedia
t (s)y(t)3

Un sistema ha funzione di trasferimento G(s) = 282/(s² + 8s + 94) e riceve un ingresso a gradino unitario. I poli sono s = σ ± jωd. Trova la parte reale σ.

G(s) = 282/(s² + 8s + 94)
σ =
12.Risposta al gradinoDifficile
R(s)+105s(s + 2)G(s)C(s)−

Un anello di retroazione negativa unitaria ha G(s) = 105/(s(s + 2)). Trova il tempo di assestamento al 2 % ts della risposta al gradino ad anello chiuso, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 105/(s(s + 2))
ts = s

3Soluzioni

1.Motori in corrente continua

Risposta: T = 58,36 N·m

Motore in corrente continua: l’indotto è una resistenza Ra in serie con la forza controelettromotrice E, quindi V = E + Ia·Ra. La f.c.e.m. cresce con la velocità, E = k·ω, e la coppia con la corrente, T = k·Ia, con la stessa costante del motore k (V·s/rad = N·m/A) nel SI. Converti le velocità con ω = 2π·n/60. La potenza sviluppata è E·Ia = T·ω; la potenza assorbita è V·Ia, e la differenza è data dalle perdite nel rame Ia²Ra e dalle perdite meccaniche rotazionali. La velocità diminuisce linearmente con la coppia, ω = V/k − Ra·T/k², dalla velocità a vuoto V/k fino a zero alla coppia di spunto k·V/Ra. A motore fermo E = 0, quindi la corrente di spunto V/Ra è elevata se una resistenza non la limita.

Velocità in rad/s

ω = 2π·1800/60 = 188,5 rad/s

Momento torcente

T = P/ω = 11000/188,5 = 58,36 N·m

Risposta

T = 58,36 N·m
2.Motori in corrente continua

Risposta: n2 = 1234 rpm

Motore in corrente continua: l’indotto è una resistenza Ra in serie con la forza controelettromotrice E, quindi V = E + Ia·Ra. La f.c.e.m. cresce con la velocità, E = k·ω, e la coppia con la corrente, T = k·Ia, con la stessa costante del motore k (V·s/rad = N·m/A) nel SI. Converti le velocità con ω = 2π·n/60. La potenza sviluppata è E·Ia = T·ω; la potenza assorbita è V·Ia, e la differenza è data dalle perdite nel rame Ia²Ra e dalle perdite meccaniche rotazionali. La velocità diminuisce linearmente con la coppia, ω = V/k − Ra·T/k², dalla velocità a vuoto V/k fino a zero alla coppia di spunto k·V/Ra. A motore fermo E = 0, quindi la corrente di spunto V/Ra è elevata se una resistenza non la limita.

F.c.e.m. prima e dopo

E1 = 220 − 10·0,8 = 212 V
E2 = 220 − 2,5·0,8 = 218 V

Nuova velocità

n2 = 1200·218/212 = 1234 rpm

Risposta

n2 = 1234 rpm
3.Ingranaggi e rotismi

Risposta: n2 = 452,6 rpm

Trasmissioni a cinghia: senza slittamento, entrambe le pulegge hanno la stessa velocità periferica v = π·d·n/60, quindi n₁·d₁ = n₂·d₂ e il rapporto di velocità è d₂/d₁. Lo slittamento s rende la puleggia condotta un po’ più lenta: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). La potenza trasmessa è P = (T₁ − T₂)·v, con T₁ la tensione sul lato teso e T₂ sul lato lento. L’attrito limita il rapporto tra le tensioni: T₁/T₂ = eμθ, dove θ è l’angolo di avvolgimento in radianti sulla puleggia più piccola; per una cinghia aperta θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) con interasse C.

Velocità senza slittamento

720·200/315 = 457,1 rpm

Con slittamento

n2 = 457,1·0,99 = 452,6 rpm

Risposta

n2 = 452,6 rpm
4.Ingranaggi e rotismi

Risposta: P = 2,631 kW

Trasmissioni a cinghia: senza slittamento, entrambe le pulegge hanno la stessa velocità periferica v = π·d·n/60, quindi n₁·d₁ = n₂·d₂ e il rapporto di velocità è d₂/d₁. Lo slittamento s rende la puleggia condotta un po’ più lenta: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). La potenza trasmessa è P = (T₁ − T₂)·v, con T₁ la tensione sul lato teso e T₂ sul lato lento. L’attrito limita il rapporto tra le tensioni: T₁/T₂ = eμθ, dove θ è l’angolo di avvolgimento in radianti sulla puleggia più piccola; per una cinghia aperta θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) con interasse C.

Angolo di avvolgimento

θ = 2,462 rad

Tensione sul lato lento

eμθ = e0,8617 = 2,367, T₂ = 600/2,367 = 253,5 N

Potenza

P = (600 − 253,5)·7,592 = 2,631 kW

Risposta

P = 2,631 kW
5.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: SQNR = 61,96 dB

Risoluzione dell’ADC: un convertitore a N bit divide il suo campo di fondo scala VFSR in 2ᴺ codici, da 0 a 2ᴺ − 1. Un passo è 1 LSB = VFSR/2ᴺ: la più piccola variazione che il convertitore può mostrare. Un ADC a troncamento dà il codice ⌊Vin/LSB⌋; un ADC ad arrotondamento non si discosta mai più di ½ LSB dal valore vero, il suo errore di quantizzazione. Ogni bit in più dimezza l’LSB e aggiunge circa 6 dB al rapporto segnale/rumore di quantizzazione ideale SQNR = 6,02·N + 1,76 dB per una sinusoide a fondo scala. Per ottenere una risoluzione r su un campo, scegli il più piccolo N con 2ᴺ ≥ campo/r.

SQNR ideale

SQNR = 6,02·10 + 1,76 = 61,96 dB

Risposta

SQNR = 61,96 dB
6.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: fs = 40 kHz

Velocità dei dati: ogni canale fornisce fs campioni al secondo da N bit, quindi la velocità grezza è canali × fs × N bit/s. In memoria un campione occupa byte interi (un campione a 12 bit è memorizzato in 2 byte), quindi la memoria per una registrazione è canali × fs × byte per campione × tempo. Un ADC multiplexato converte i canali uno dopo l’altro: ogni conversione (con assestamento) richiede t, quindi un giro di n canali richiede n·t e ogni canale è campionato a 1/(n·t).

Tempo per canale

10 + 2,5 = 12,5 µs

Tempo per scansione

2·12,5 = 25 µs

Frequenza di campionamento per canale

fs = 1/25 µs = 40 kHz

Risposta

fs = 40 kHz
7.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: Rth = 83,33 Ω

Ponte di Wheatstone: due partitori di tensione condividono un’unica alimentazione Vs. Il partitore sinistro R1–R2 dà Va = Vs·R2/(R1 + R2) e il partitore destro R3–R4 dà Vb = Vs·R4/(R3 + R4); l’uscita è Vab = Va − Vb. Il ponte è in equilibrio (Vab = 0, nessuna corrente nello strumento) quando R1/R2 = R3/R4, cioè R1·R4 = R2·R3. Visto dall’uscita, il ponte è un generatore di Thévenin con Rth = R1∥R2 + R3∥R4.

Alimentazione in cortocircuito

R₁∥R₂ = 100·200/300 = 66,67 Ω
R₃∥R₄ = 20·100/120 = 16,67 Ω

Resistenza di Thévenin

Rth = 83,33 Ω

Risposta

Rth = 83,33 Ω
8.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: σ = 42 MPa

Estensimetri: un estensimetro cambia la sua resistenza con la deformazione: ΔR/R = GF·ε, dove il fattore di taratura GF vale circa 2 per un estensimetro a lamina metallica. In un ponte con tutti i rami uguali a R, un estensimetro attivo (quarto di ponte) dà Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Due estensimetri attivi con deformazioni opposte in rami adiacenti (mezzo ponte) danno Vs·GF·ε/2, e quattro (ponte intero) danno Vs·GF·ε. La tensione meccanica segue dalla legge di Hooke, σ = E·ε. Le celle di carico indicano la loro sensibilità in mV/V: l’uscita a pieno carico per ogni volt di eccitazione.

Deformazione

ε = 4·0,0005/(5·2) = 0,0002

Tensione

σ = 210·10³ MPa·0,0002 = 42 MPa

Risposta

σ = 42 MPa
9.Errore a regime e controllo PID

Risposta: ess = 2

Errore a regime: in un anello a retroazione unitaria con funzione di trasferimento ad anello aperto G(s) l’errore è E(s) = R(s)/(1 + G(s)), e per il teorema del valore finale ess = lims→0 s·E(s). Il tipo del sistema è il numero di poli di G(s) in s = 0. Le costanti d’errore sono Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) e Ka = lim s²·G(s), tutte per s → 0. Un gradino di ampiezza A dà ess = A/(1 + Kp), una rampa A·t dà A/Kv e una parabola A·t²/2 dà A/Ka. Un anello di tipo 0 segue un gradino con un errore finito, un anello di tipo 1 lo segue esattamente e segue una rampa con un errore finito.

Costante di velocità

Kv = lim s·G(s) = 1

Errore alla rampa

ess = 2/1 = 2

Risposta

ess = 2
10.Errore a regime e controllo PID

Risposta: K = 0,625

Controllo P, PI e PID: il controllore C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s agisce sull’errore. Un guadagno proporzionale rende l’anello più veloce e riduce l’errore di un sistema di tipo 0, ma non lo elimina mai. Il termine integrale aggiunge un polo in s = 0: il tipo del sistema sale di uno e un gradino viene seguito senza errore. Il termine derivativo aggiunge smorzamento. Per scegliere i guadagni, scrivi il polinomio caratteristico ad anello chiuso e confrontalo con s² + 2ζωns + ωn². Poi %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd con ωd = ωn√(1 − ζ²), e ts ≈ 4/(ζωn).

Polinomio caratteristico

s(s + 2) + 10K = s² + 2s + 10K

Frequenza naturale

2·0,4·ωₙ = 2 → ωₙ = 2,5 rad/s

Guadagno

10K = ωₙ² = 6,25 → K = 0,625

Risposta

K = 0,625
11.Risposta al gradino

Risposta: σ = −4

Risposta al gradino: un sistema del primo ordine G(s) = K/(τs + 1) risponde a un gradino di ampiezza U con y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): raggiunge il 63,2 % del valore finale K·U dopo una costante di tempo τ e il 98 % dopo 4τ. Un sistema del secondo ordine G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) ha i poli s = −ζωₙ ± jωd con ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Per 0 < ζ < 1 la risposta al gradino ha sovraelongazione: sovraelongazione percentuale %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tempo di picco tp = π/ωd, e tempo di assestamento al 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Confronta il denominatore con s² + 2ζωₙs + ωₙ² per ricavare ωₙ e ζ. Per un sistema massa-molla-smorzatore ωₙ = √(k/m) e ζ = c/(2√(km)); per un circuito RLC serie ωₙ = 1/√(LC) e ζ = (R/2)·√(C/L).

Confronta con la forma standard

Il denominatore deve coincidere con s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 94 → ωₙ = 9,695 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·9,695) = 0,4126

Risultato

σ = −ζωₙ = −8/2 = −4

Risposta

σ = −4
12.Risposta al gradino

Risposta: ts = 4 s

Risposta al gradino: un sistema del primo ordine G(s) = K/(τs + 1) risponde a un gradino di ampiezza U con y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): raggiunge il 63,2 % del valore finale K·U dopo una costante di tempo τ e il 98 % dopo 4τ. Un sistema del secondo ordine G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) ha i poli s = −ζωₙ ± jωd con ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Per 0 < ζ < 1 la risposta al gradino ha sovraelongazione: sovraelongazione percentuale %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tempo di picco tp = π/ωd, e tempo di assestamento al 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Confronta il denominatore con s² + 2ζωₙs + ωₙ² per ricavare ωₙ e ζ. Per un sistema massa-molla-smorzatore ωₙ = √(k/m) e ζ = c/(2√(km)); per un circuito RLC serie ωₙ = 1/√(LC) e ζ = (R/2)·√(C/L).

Funzione di trasferimento ad anello chiuso

T(s) = 105/(s² + 2s + 105): ωₙ = 10,25 rad/s, ζ = 0,09759

Tempo di assestamento

ζωₙ = 2/2 = 1
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 4 s

Risposta

ts = 4 s

Per questo anello ζωₙ = a/2 qualunque sia K: aumentare K aumenta la sovraelongazione ma non accorcia il tempo di assestamento.

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