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)Tst​ = ?n0​

Un motore in corrente continua con k = 0,8 N·m/A e Ra = 0,8 Ω è collegato a 220 V. Trova la sua coppia di spunto Tstall, la coppia a velocità zero.

V = 220 Vk = 0,8 N·m/ARa = 0,8 Ω
Tstall = N·m
2.Motori in corrente continuaDifficile
+−110 VRs​ = ?Ra​ = 0,25 ΩM+−En = 400 rpmT = 48 N·m

Un motore in corrente continua (k = 1,2 V·s/rad, Ra = 0,25 Ω) con un’alimentazione fissa da 110 V aziona un carico di 48 N·m. Trova la resistenza in serie Rs che lo rallenta a 400 rpm.

V = 110 Vk = 1,2 V·s/radRa = 0,25 ΩT = 48 N·mn = 400 rpm
Rs = Ω
3.Ingranaggi e rotismiMedia
N1​ = 30N2​ = 45

Un motore da 11 kW che gira a 2900 rpm aziona un pignone con 30 denti, che ingrana con una ruota con 45 denti. La coppia di ruote ha un rendimento del 95 %. Trova il momento torcente T1 sull’albero del motore.

P = 11 kWn1 = 2900 rpmN1 = 30N2 = 45η = 95%
T1 = N·m
4.Ingranaggi e rotismiDifficile
d1​ = 125 mmd2​ = 500 mm1500 rpmC = 600 mmθ = ?

Una cinghia aperta collega una puleggia da 125 mm e una puleggia da 500 mm con gli assi a 600 mm di distanza. Trova l’angolo di avvolgimento θ sulla puleggia più piccola, in gradi.

d1 = 125 mmd2 = 500 mmC = 600 mm
θ = °
5.Acquisizione dati e campionamentoMedia
Vin​N = ?2,5 V2ᴺ − 10≤ 10 mV

Un ADC con campo d’ingresso da 0 a 2,5 V deve risolvere passi di 10 mV o meno. Trova il più piccolo numero di bit N.

VFSR = 2,5 Vrisoluzione = 10 mV
N =
6.Acquisizione dati e campionamentoDifficile
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​1/fbaud​16 MHz / (16·D)

Un microcontrollore con clock a 16 MHz imposta il baud rate della UART come fclk/(16·D), con D un numero intero arrotondato al valore più vicino. Il valore desiderato è 9600 baud. Trova l’errore percentuale del baud rate reale (positivo se è troppo veloce).

fclk = 16 MHzvalore desiderato = 9600 Bd
e = %
7.Ponte di Wheatstone ed estensimetriMedia
+−12 V330 Ω330 Ω + ΔR330 Ω330 Ωab+−Vab​ = ?

Un ponte ha quattro rami da 330 Ω e Vs = 12 V. Il sensore R₂ aumenta di ΔR = 0,66 Ω. Usando l’approssimazione per piccole variazioni, trova l’uscita Vab in mV.

Vs = 12 VR = 330 ΩΔR = 0,66 Ω
Vab = mV
8.Ponte di Wheatstone ed estensimetriDifficile
+−3 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vo​

Un quarto di ponte (un estensimetro attivo, GF = 2) è eccitato con 3 V. La massima deformazione da misurare è 500 µε e deve dare 2,5 V all’ingresso di un convertitore analogico-digitale. Trova il guadagno dell’amplificatore G.

Vs = 3 VGF = 2εmax = 500 µεVFS = 2,5 V
G =
9.Errore a regime e controllo PIDMedia
r(t) = 10 + 5t+20(s + 1)s(s + 10)C(s)−

L’ingresso r(t) = 10 + 5t (un gradino più una rampa) è applicato a un anello a retroazione unitaria con G(s) = 20(s + 1)/(s(s + 10)). Trova l’errore a regime ess.

G(s) = 20(s + 1)/(s(s + 10))r(t) = 10 + 5t
ess =
10.Errore a regime e controllo PIDDifficile
R(s)+K = 205s(s + 5)C(s)−

Un controllore proporzionale K = 20 comanda il sistema G(s) = 5/(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) = 5/(s(s + 5))K = 20
ts = s
11.Risposta al gradinoMedia
t (s)y(t)1?

Un sistema ha funzione di trasferimento G(s) = 48/(s² + 9s + 48) e riceve un ingresso a gradino unitario. Trova la sovraelongazione percentuale %OS della risposta al gradino.

G(s) = 48/(s² + 9s + 48)
%OS = %
12.Risposta al gradinoDifficile
R(s)+Ks(s + 12)G(s)C(s)−

Un anello di retroazione negativa unitaria ha G(s) = K/(s(s + 12)). Trova il guadagno K che dà una risposta al gradino con sovraelongazione del 15 %.

G(s) = K/(s(s + 12))%OS = 15 %
K =

3Soluzioni

1.Motori in corrente continua

Risposta: Tstall = 220 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.

Corrente di spunto

Ia = V/Ra = 220/0,8 = 275 A

Coppia di spunto

Tstall = 0,8·275 = 220 N·m

Risposta

Tstall = 220 N·m
2.Motori in corrente continua

Risposta: Rs = 1,243 Ω

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 e f.c.e.m.

Ia = 48/1,2 = 40 A
E = 1,2·41,89 = 50,27 V

Resistenza in serie

Ra + Rs = (110 − 50,27)/40 = 1,493 Ω
Rs = 1,243 Ω

Risposta

Rs = 1,243 Ω

Il resistore dissipa 1989 W; un chopper regola la velocità con perdite molto minori.

3.Ingranaggi e rotismi

Risposta: T1 = 36,22 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·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 11000/303,7 = 36,22 N·m

Risposta

T1 = 36,22 N·m
4.Ingranaggi e rotismi

Risposta: θ = 143,6 °

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 della cinghia

asin(0,3125) = 18,21°

Angolo di avvolgimento

θ = 180 − 2·18,21 = 143,6°

Risposta

θ = 143,6°
5.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: N = 8

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.

Passi necessari

2500 mV/10 mV = 250

Bit

log₂(250) = 7,966
27 = 128 < 250 ≤ 28 = 256
N = 8

Risposta

N = 8
6.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: e = 0,1603 %

UART: un collegamento seriale asincrono invia ogni byte come un frame: un bit di start (basso), i bit di dati, un bit di parità facoltativo e uno o due bit di stop (alti). Il baud rate è il numero di bit al secondo, quindi un bit dura Tb = 1/baud e un frame di n bit dura n/baud. Il comune formato 8N1 ha 10 bit per byte. Il generatore di baud divide il clock: baud = fclk/(16·D) con un numero intero D, quindi il baud rate reale differisce leggermente da quello desiderato; un errore sotto circa il 2 % di solito è accettabile.

Divisore

D = 16·10⁶/(16·9600) = 104,2 → 104

Baud rate reale

16·10⁶/(16·104) = 9615 Bd

Errore

(9615 − 9600)/9600·100 = 0,1603 %

Risposta

e = 0,1603 %

Un errore sotto circa il 2 % di solito è accettabile.

7.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: Vab = 6 mV

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.

Variazione relativa

ΔR/R = 0,66/330 = 0,002

Uscita linearizzata

Vab ≈ 12·0,002/4 = 6 mV

Risposta

Vab = 6 mV

Il valore esatto è 5,994 mV; l’approssimazione è buona finché ΔR/R è piccolo.

8.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: G = 3333

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.

Uscita del ponte a fondo scala

Vo = 0,75 mV

Guadagno

G = 2,5/0,00075 = 3333

Risposta

G = 3333
9.Errore a regime e controllo PID

Risposta: ess = 2,5

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) = 2

Parte a gradino

Kp = ∞ → estep = 0

Errore alla rampa

ess = 5/2 = 2,5

Risposta

ess = 2,5
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) + 20·5 = s² + 5s + 100

ωₙ e ζ

ωₙ = √100 = 10 rad/s
ζ = 5/(2·10) = 0,25

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: %OS = 6,831 %

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 = 48 → ωₙ = 6,928 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·6,928) = 0,6495

Risultato

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2,684 = 6,831 %

Risposta

%OS = 6,831 %
12.Risposta al gradino

Risposta: K = 134,7

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 + 12s + K)

Rapporto di smorzamento dalla sovraelongazione

ζ = −ln(0,15)/√(π² + ln²(0,15)) = 0,5169

Guadagno

ωₙ = 12/(2ζ) = 11,61 rad/s
K = ωₙ² = 134,7

Risposta

K = 134,7

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