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
+−48 VRa​ = 1 ΩIa​ = 6 AM+−EωT

Un motore in corrente continua assorbe 6 A da un’alimentazione da 48 V. La sua resistenza d’indotto è 1 Ω e le sue perdite rotazionali (attrito, ventilazione e ferro) sono 20 W. Trova il suo rendimento η.

V = 48 VIa = 6 ARa = 1 ΩProt = 20 W
η = %
2.Motori in corrente continuaDifficile
+−48 VRa​ = 1,2 ΩIa​: 5 → 2 AM+−En = ?T

Un motore in corrente continua a eccitazione indipendente a 48 V (Ra = 1,2 Ω) gira a 1200 rpm con una corrente d’indotto di 5 A. Il carico cambia e la corrente diventa 2 A, con il campo invariato. Trova la nuova velocità n2.

V = 48 VRa = 1,2 Ωn1 = 1200 rpmIa1 = 5 AIa2 = 2 A
n2 = rpm
3.Ingranaggi e rotismiMedia
d1​ = 100 mmd2​ = 400 mm720 rpmn2​ = ?

Una puleggia da 100 mm a 720 giri/min aziona con una cinghia una puleggia da 400 mm con slittamento del 4 %. Trova la velocità n2 della puleggia condotta.

n1 = 720 rpmd1 = 100 mmd2 = 400 mms = 4 %
n2 = rpm
4.Ingranaggi e rotismiDifficile
A = 24B = 36C = 24D = ?

In un rotismo composto, la ruota A (24 denti) sull’albero di ingresso gira a 2880 rpm e aziona la ruota B (36 denti). La ruota C (24 denti) è calettata sullo stesso albero di B e aziona la ruota D sull’albero di uscita. L’uscita deve girare a 921,6 rpm. Quanti denti ND deve avere la ruota D?

nin = 2880 rpmA = 24B = 36C = 24nout = 921,6 rpm
ND =
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
f0fs​/2fs​1,2 kHz7f₁?

Un’onda quadra a 1,2 kHz è campionata a 8 kHz senza filtro anti-aliasing. Un’onda quadra contiene le armoniche dispari 3f₁, 5f₁, 7f₁, … A quale frequenza fa compare nei dati campionati la sua armonica 7f₁? Esprimila in Hz.

f₁ = 1,2 kHzfs = 8 kHzarmonica: 7f₁
fa = Hz
7.Ponte di Wheatstone ed estensimetriMedia
+−2 VR1​ = 300 ΩR2​ = 150 ΩR3​ = 20 ΩR4​ = 50 ΩabGRg​ = 500 Ω

Un galvanometro con una resistenza di 500 Ω è collegato tra a e b del ponte mostrato (Vs = 2 V). Trova la corrente Ig nel galvanometro da a verso b, in µA.

Vs = 2 VR1 = 300 ΩR2 = 150 ΩR3 = 20 ΩR4 = 50 ΩRg = 500 Ω
Ig = µA
8.Ponte di Wheatstone ed estensimetriDifficile
+−10 V120 Ω − ΔR120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vo​ = ?

Un ponte con rami da 120 Ω è eccitato con 10 V e ha due estensimetri attivi in rami adiacenti, uno in trazione e uno in compressione (mezzo ponte). Il fattore di taratura è 2 e la deformazione è 500 µε. Trova l’uscita del ponte Vo in mV.

Vs = 10 VGF = 2ε = 500 µε
Vo = mV
9.Errore a regime e controllo PIDMedia
r(t) = 5t+2s(s + 4)C(s)−

Una rampa r(t) = 5t è applicata a un anello a retroazione unitaria con G(s) = 2/(s(s + 4)). Trova l’errore a regime ess.

G(s) = 2/(s(s + 4))r(t) = 5t
ess =
10.Errore a regime e controllo PIDDifficile
R(s)+K = 501s(s + 5)C(s)−

Un controllore proporzionale K = 50 comanda il sistema G(s) = 1/(s(s + 5)) in un anello a retroazione unitaria. Trova il tempo di assestamento al 2 % ts della risposta al gradino, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 1/(s(s + 5))K = 50
ts = s
11.Risposta al gradinoMedia
t (s)y(t)0,5tp​ = ?

Un sistema ha funzione di trasferimento G(s) = 43/(s² + 4s + 86) e riceve un ingresso a gradino unitario. Trova il tempo di picco tp della risposta al gradino.

G(s) = 43/(s² + 4s + 86)
tp = s
12.Risposta al gradinoDifficile
R(s)+Ks(s + 8)G(s)C(s)−

Un anello di retroazione negativa unitaria ha G(s) = K/(s(s + 8)). Trova il guadagno K che dà una risposta al gradino con sovraelongazione del 2 %.

G(s) = K/(s(s + 8))%OS = 2 %
K =

3Soluzioni

1.Motori in corrente continua

Risposta: η = 80,56 %

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.

Potenze

Pin = 48·6 = 288 W
Pdev = 42·6 = 252 W
Pout = 252 − 20 = 232 W

Rendimento

η = 232/288·100 = 80,56 %

Risposta

η = 80,56 %
2.Motori in corrente continua

Risposta: n2 = 1303 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 = 48 − 5·1,2 = 42 V
E2 = 48 − 2·1,2 = 45,6 V

Nuova velocità

n2 = 1200·45,6/42 = 1303 rpm

Risposta

n2 = 1303 rpm
3.Ingranaggi e rotismi

Risposta: n2 = 172,8 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

720·100/400 = 180 rpm

Con slittamento

n2 = 180·0,96 = 172,8 rpm

Risposta

n2 = 172,8 rpm
4.Ingranaggi e rotismi

Risposta: ND = 50

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.

Velocità dell’albero intermedio

nB = nC = 2880·24/36 = 1920 rpm

Denti della ruota D

ND = C·nC/nout = 24·1920/921,6 = 50

Risposta

ND = 50
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: fa = 400 Hz

Campionamento: un ADC misura il segnale fs volte al secondo. Secondo il teorema di Nyquist–Shannon una frequenza f è acquisita correttamente solo finché f < fs/2, la frequenza di Nyquist (di ripiegamento), quindi la frequenza di campionamento deve superare il doppio della frequenza più alta del segnale. Una frequenza più alta non va persa: compare come alias a fa = |f − k·fs|, con il numero intero k che porta il risultato tra 0 e fs/2. I campioni non permettono di distinguere le due, quindi un filtro anti-aliasing analogico deve eliminare tutto ciò che sta sopra fs/2 prima dell’ADC.

Frequenza dell’armonica

7f₁ = 7·1,2 kHz = 8,4 kHz

Multiplo più vicino della frequenza di campionamento

m = round(1,05) = 1

Frequenza di alias

fa = |8400 − 1·8000| = 400 Hz

Risposta

fa = 400 Hz

L’alias cade dentro la banda del segnale, dove nessun filtro digitale può rimuoverlo. Aiuta solo un filtro analogico prima dell’ADC.

7.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: Ig = −1240 µA

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.

Tensione di Thévenin

Vth = 2·(150/450 − 50/70) = −0,7619 V

Resistenza di Thévenin

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 114,3 Ω

Corrente nel galvanometro

Ig = −0,7619/(114,3 + 500) = −1240 µA

Risposta

Ig = −1240 µA
8.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: Vo = 5 mV

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.

Variazione relativa di resistenza

ΔR/R = 2·500·10⁻⁶ = 0,001

Uscita del ponte

Vo = Vs·GF·ε/2 = 10·0,001/2 = 5 mV

Risposta

Vo = 5 mV
9.Errore a regime e controllo PID

Risposta: ess = 10

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) = 0,5

Errore alla rampa

ess = 5/0,5 = 10

Risposta

ess = 10
10.Errore a regime e controllo PID

Risposta: ts = 1,6 s

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 + 5) + 50·1 = s² + 5s + 50

ωₙ e ζ

ωₙ = √50 = 7,071 rad/s
ζ = 5/(2·7,071) = 0,3536

Tempo di assestamento

ζωₙ = 5/2 = 2,5
ts ≈ 4/2,5 = 1,6 s

Risposta

ts = 1,6 s

Qui il tempo di assestamento non dipende da K: aumentare K fa solo oscillare più velocemente la risposta.

11.Risposta al gradino

Risposta: tp = 0,3469 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).

Confronta con la forma standard

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

ωₙ² = 86 → ωₙ = 9,274 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·9,274) = 0,2157

Risultato

ωd = 9,274·√(1 − 0,2157²) = 9,055 rad/s → tp = π/ωd = 0,3469 s

Risposta

tp = 0,3469 s
12.Risposta al gradino

Risposta: K = 26,32

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) = K/(s² + 8s + K)

Rapporto di smorzamento dalla sovraelongazione

ζ = −ln(0,02)/√(π² + ln²(0,02)) = 0,7797

Guadagno

ωₙ = 8/(2ζ) = 5,13 rad/s
K = ωₙ² = 26,32

Risposta

K = 26,32

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