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
T (N·m)n (rpm)0,2 N·mn0​n = ?

Un motore in corrente continua (k = 0,1 N·m/A, Ra = 1,5 Ω) funziona a 24 V e aziona una coppia resistente di 0,2 N·m. Trova la sua velocità n in rpm.

V = 24 Vk = 0,1 N·m/ARa = 1,5 ΩT = 0,2 N·m
n = rpm
2.Motori in corrente continuaDifficile
+−240 VD = ?Ra​ = 1,5 ΩM+−En = 750 rpmT = 10 N·m

Un chopper in corrente continua alimenta un motore (k = 2 V·s/rad, Ra = 1,5 Ω) da un bus in continua da 240 V. La tensione media d’indotto è D·240 V. Trova il rapporto di lavoro D che fa girare il motore a 750 rpm con un carico di 10 N·m.

Vdc = 240 Vk = 2 V·s/radRa = 1,5 ΩT = 10 N·mn = 750 rpm
D = %
3.Ingranaggi e rotismiMedia
N1​ = 24N2​ = 45

Un motore da 4 kW che gira a 1500 rpm aziona un pignone con 24 denti, che ingrana con una ruota con 45 denti. Trascura le perdite. Trova il momento torcente T1 sull’albero del motore.

P = 4 kWn1 = 1500 rpmN1 = 24N2 = 45η = 100%
T1 = N·m
4.Ingranaggi e rotismiDifficile
Ns​ = 30corona fissaNp​ = 15nc​ = ?

In un rotismo epicicloidale il solare ha 30 denti e ogni satellite ha 15 denti. La corona è bloccata e il solare è azionato a 600 rpm. Trova la velocità nc del portatreno.

Ns = 30Np = 15ns = 600 rpm
nc = rpm
5.Acquisizione dati e campionamentoMedia
Vin​N = 1210 V2ᴺ − 101 LSB4,786 V?

Un ADC a 12 bit con campo d’ingresso da 0 a 10 V tronca: il suo codice di uscita è ⌊Vin/LSB⌋ con 1 LSB = VFSR/2ᴺ. Trova il codice di uscita decimale D per un ingresso di 4,786 V.

N = 12VFSR = 10 VVin = 4,786 V
D =
6.Acquisizione dati e campionamentoDifficile
T5 mV/°C×4∿01N = 10, 3,3 V? °C/LSB

Un sensore di temperatura fornisce 5 mV/°C (0 V a 0 °C). Il suo segnale è amplificato 4 volte e inviato a un ADC a 10 bit con campo da 0 a 3,3 V (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Trova la variazione di temperatura ΔTLSB corrispondente a un LSB.

S = 5 mV/°CG = 4N = 10VFSR = 3,3 V
ΔTLSB = °C
7.Ponte di Wheatstone ed estensimetriMedia
+−12 VR1​ = 1000 ΩR2​ = 120 ΩR3​ = 1000 ΩR4​ = 300 ΩabGRg​ = 20 Ω

Un galvanometro con una resistenza di 20 Ω è collegato tra a e b del ponte mostrato (Vs = 12 V). Trova la corrente Ig nel galvanometro da a verso b, in µA.

Vs = 12 VR1 = 1000 ΩR2 = 120 ΩR3 = 1000 ΩR4 = 300 ΩRg = 20 Ω
Ig = µA
8.Ponte di Wheatstone ed estensimetriDifficile
+−3 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−1,89 mV

Un estensimetro (GF = 2,1) su un elemento con E = 200 GPa forma un quarto di ponte eccitato con 3 V. L’uscita indica 1,89 mV. Trova la tensione assiale σ in MPa.

Vs = 3 VGF = 2,1Vo = 1,89 mVE = 200 GPa
σ = MPa
9.Errore a regime e controllo PIDMedia
r(t) = 10·t²/2+10(s + 4)s²(s + 4)C(s)−

L’ingresso parabolico r(t) = 10·t²/2 è applicato a un anello a retroazione unitaria con G(s) = 10(s + 4)/(s²(s + 4)). Trova l’errore a regime ess.

G(s) = 10(s + 4)/(s²(s + 4))r(t) = 10·t²/2
ess =
10.Errore a regime e controllo PIDDifficile
R(s)+K4s(s + 8)C(s)−

Un controllore proporzionale K comanda il sistema G(s) = 4/(s(s + 8)) in un anello a retroazione unitaria. Trova il guadagno K che dà all’anello chiuso un coefficiente di smorzamento ζ = 0,4.

G(s) = 4/(s(s + 8))ζ = 0,4
K =
11.Risposta al gradinoMedia
t (s)y(t)3

Un sistema ha funzione di trasferimento G(s) = 234/(s² + 13s + 78) e riceve un ingresso a gradino unitario. Trova la pulsazione naturale ωn in rad/s.

G(s) = 234/(s² + 13s + 78)
ωn = rad/s
12.Risposta al gradinoDifficile
R(s)+85s(s + 5)G(s)C(s)−

Un anello di retroazione negativa unitaria ha G(s) = 85/(s(s + 5)). Trova il tempo di assestamento al 2 % ts della risposta al gradino ad anello chiuso, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 85/(s(s + 5))
ts = s

3Soluzioni

1.Motori in corrente continua

Risposta: n = 2005 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.

Corrente d’indotto

Ia = T/k = 0,2/0,1 = 2 A

F.c.e.m. e velocità

E = 24 − 2·1,5 = 21 V
ω = E/k = 210 rad/s → n = 2005 rpm

Risposta

n = 2005 rpm
2.Motori in corrente continua

Risposta: D = 68,57 %

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.

Tensione d’indotto richiesta

Va = 2·78,54 + 5·1,5 = 164,6 V

Rapporto di lavoro

D = 164,6/240 = 68,57 %

Risposta

D = 68,57 %
3.Ingranaggi e rotismi

Risposta: T1 = 25,46 N·m

Rotismi: le ruote dentate in presa hanno la stessa velocità sui denti, quindi n₁·N₁ = n₂·N₂: la ruota con meno denti gira più veloce. Le ruote calettate sullo stesso albero girano alla stessa velocità. La potenza si trasmette (a meno delle perdite), quindi il momento torcente aumenta quando la velocità diminuisce: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, e P = T·ω con ω = 2π·n/60.

Momento torcente del motore

ω₁ = 2π·1500/60 = 157,1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 4000/157,1 = 25,46 N·m

Risposta

T1 = 25,46 N·m
4.Ingranaggi e rotismi

Risposta: nc = 200 rpm

Rotismi epicicloidali: le velocità di solare, corona e portatreno sono legate dalla formula di Willis (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns: visto dal portatreno, il rotismo è un rotismo ordinario con i satelliti come ruote oziose. Bloccando un elemento il rotismo diventa un riduttore a rapporto unico.

Denti della corona

Nr = Ns + 2·Np = 30 + 2·15 = 60

Formula di Willis con la corona fissa

Poni nr = 0 e ricava la velocità del portatreno.

(600 − nc)/(0 − nc) = −60/30
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 600·30/90 = 200 rpm

Risposta

nc = 200 rpm

Il portatreno gira nello stesso verso del solare.

5.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: D = 1960

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.

Passo di quantizzazione

1 LSB = 10/212 = 2,441 mV

Codice

Vin/LSB = 4786/2,441 = 1960
codice = ⌊1960⌋ = 1960

Risposta

D = 1960

In binario è 011110101000.

6.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: ΔTLSB = 0,1611 °C

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.

Passo di quantizzazione

1 LSB = 3300/1024 = 3,223 mV

Sensibilità all’ADC

5·4 = 20 mV/°C

Risoluzione in temperatura

ΔTLSB = 3,223/20 = 0,1611 °C

Risposta

ΔTLSB = 0,1611 °C

L’ADC arriva a fondo scala a 165 °C.

7.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: Ig = −4145 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 = 12·(120/1120 − 300/1300) = −1,484 V

Resistenza di Thévenin

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 337,9 Ω

Corrente nel galvanometro

Ig = −1,484/(337,9 + 20) = −4145 µA

Risposta

Ig = −4145 µA
8.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: σ = 240 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 = 4·0,00189/(3·2,1) = 0,0012

Tensione

σ = 200·10³ MPa·0,0012 = 240 MPa

Risposta

σ = 240 MPa
9.Errore a regime e controllo PID

Risposta: ess = 1

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 accelerazione

Ka = 10·4/4 = 10

Errore alla parabola

ess = 10/10 = 1

Risposta

ess = 1
10.Errore a regime e controllo PID

Risposta: K = 25

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 + 8) + 4K = s² + 8s + 4K

Frequenza naturale

2·0,4·ωₙ = 8 → ωₙ = 10 rad/s

Guadagno

4K = ωₙ² = 100 → K = 25

Risposta

K = 25
11.Risposta al gradino

Risposta: ωn = 8,832 rad/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 = 78 → ωₙ = 8,832 rad/s
2ζωₙ = 13 → ζ = 13/(2·8,832) = 0,736

Risultato

ωₙ = 8,832 rad/s

Risposta

ωn = 8,832 rad/s
12.Risposta al gradino

Risposta: ts = 1,6 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) = 85/(s² + 5s + 85): ωₙ = 9,22 rad/s, ζ = 0,2712

Tempo di assestamento

ζωₙ = 5/2 = 2,5
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 1,6 s

Risposta

ts = 1,6 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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