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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
Disegna il circuito d’indotto: alimentazione V, resistenza Ra e f.c.e.m. E in serie.
Usa V = E + Ia·Ra per collegare tensione, corrente e f.c.e.m.
Usa E = k·ω per la velocità e T = k·Ia per la coppia, con ω = 2π·n/60.
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
Scrivi i dati: frequenza di campionamento, frequenze del segnale, numero di bit, campo d’ingresso, baud rate.
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.
Nei problemi di risoluzione trova 1 LSB = VFSR/2ᴺ, oppure il più piccolo N con 2ᴺ ≥ campo/risoluzione.
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
Tratta il ponte come due partitori di tensione ai capi della stessa alimentazione.
Per l’equilibrio, poni R₁/R₂ = R₃/R₄ e ricava la resistenza incognita.
Per un ponte non equilibrato, ricava Va e Vb dai partitori e sottrai; usa l’equivalente di Thévenin quando uno strumento carica l’uscita.
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
Conta i poli dell’anello aperto C(s)·G(s) in s = 0: è il tipo del sistema.
Calcola la costante d’errore corrispondente all’ingresso: Kp per un gradino, Kv per una rampa, Ka per una parabola.
Applica ess = A/(1 + Kp), A/Kv o A/Ka, oppure risolvi per il guadagno che ti serve.
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
Un motore in corrente continua assorbe 8 A da un’alimentazione da 120 V. La sua resistenza d’indotto è 0,8 Ω e le sue perdite rotazionali (attrito, ventilazione e ferro) sono 36 W. Trova il suo rendimento η.
V = 120 VIa = 8 ARa = 0,8 ΩProt = 36 W
η = %
2.Motori in corrente continuaDifficile
Un motore in corrente continua con k = 1,5 V·s/rad e Ra = 1 Ω deve azionare un carico di 18 N·m a 1000 rpm. Trova la tensione d’indotto V necessaria.
k = 1,5 V·s/radRa = 1 ΩT = 18 N·mn = 1000 rpm
V = V
3.Ingranaggi e rotismiMedia
Una cinghia scorre su una puleggia motrice da 125 mm a 1440 giri/min. La tensione è 1500 N sul lato teso e 750 N sul lato lento. Trova la potenza P trasmessa, in kW.
d1 = 125 mmn1 = 1440 rpmT1 = 1500 NT2 = 750 N
P = kW
4.Ingranaggi e rotismiDifficile
In un rotismo composto, la ruota A (12 denti) sull’albero di ingresso, che gira a 2900 rpm, aziona la ruota B (20 denti). La ruota C (16 denti) è calettata sullo stesso albero di B e aziona la ruota D (72 denti) sull’albero di uscita. Trova la velocità di uscita nout.
nin = 2900 rpmA = 12B = 20C = 16D = 72
nout = rpm
5.Acquisizione dati e campionamentoMedia
Una sinusoide a 550 Hz è campionata a 1 kHz senza filtro anti-aliasing. A quale frequenza fa compare nei campioni? Esprimila in Hz.
f = 550 Hzfs = 1 kHz
fa = Hz
6.Acquisizione dati e campionamentoDifficile
Un’onda quadra a 4,4 kHz è campionata a 20 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 kHz.
f₁ = 4,4 kHzfs = 20 kHzarmonica: 7f₁
fa = kHz
7.Ponte di Wheatstone ed estensimetriMedia
Un ponte ha quattro rami da 250 Ω e Vs = 15 V. Il sensore R₂ aumenta di ΔR = 12,5 Ω. Trova l’uscita esatta Vab in mV.
Vs = 15 VR = 250 ΩΔR = 12,5 Ω
Vab = mV
8.Ponte di Wheatstone ed estensimetriDifficile
Un quarto di ponte con un estensimetro attivo (GF = 2,05) è eccitato con 3 V. Sotto carico l’uscita indica 1,537 mV. Trova la deformazione ε in µε.
Vs = 3 VGF = 2,05Vo = 1,537 mV
ε = µε
9.Errore a regime e controllo PIDMedia
Un processo G(s) = 0,5/(0,5s + 1) è controllato da un guadagno proporzionale K = 19 in un anello a retroazione unitaria. Trova l’errore a regime ess per un gradino, in percentuale dell’ampiezza del gradino.
G(s) = 0,5/(0,5s + 1)K = 19
ess = %
10.Errore a regime e controllo PIDDifficile
Un controllore PD C(s) = 4 + Kd·s comanda il sistema G(s) = 10/(s(s + 1)) in un anello a retroazione unitaria. Trova il guadagno derivativo Kd che dà all’anello chiuso un coefficiente di smorzamento ζ = 0,8.
G(s) = 10/(s(s + 1))Kp = 4ζ = 0,8
Kd = s
11.Risposta al gradinoMedia
Un sistema ha funzione di trasferimento G(s) = 29/(s² + 5s + 29) e riceve un ingresso a gradino unitario. Trova la pulsazione naturale ωn in rad/s.
G(s) = 29/(s² + 5s + 29)
ωn = rad/s
12.Risposta al gradinoDifficile
Un circuito RLC serie con R = 253 Ω, L = 200 mH e C = 2 µF è collegato a un gradino da 10 V a t = 0. Il condensatore è scarico e prima del gradino non circola corrente. Trova la pulsazione naturale non smorzata ωn in rad/s.
R = 253 ΩL = 200 mHC = 2 µFV = 10 V
ωn = rad/s
3Soluzioni
1.Motori in corrente continua
Risposta: η = 90,92 %
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 = 120·8 = 960 W
Pdev = 113,6·8 = 908,8 W
Pout = 908,8 − 36 = 872,8 W
Rendimento
η = 872,8/960·100 = 90,92 %
Risposta
η = 90,92 %
2.Motori in corrente continua
Risposta: V = 169,1 V
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.
E = 1,5·104,7 = 157,1 V
Corrente d’indotto
Ia = 18/1,5 = 12 A
Tensione d’indotto
V = 157,1 + 12·1 = 169,1 V
Risposta
V = 169,1 V
3.Ingranaggi e rotismi
Risposta: P = 7,069 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.
Velocità della cinghia
v = 9,425 m/s
Potenza
P = (1500 − 750)·9,425 = 7069 W = 7,069 kW
Risposta
P = 7,069 kW
4.Ingranaggi e rotismi
Risposta: nout = 386,7 rpm
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.
Primo stadio
nB = 2900·12/20 = 1740 rpm = nC
Secondo stadio
nout = 1740·16/72 = 386,7 rpm
Risposta
nout = 386,7 rpm
rapporto totale = 7,5 : 1
5.Acquisizione dati e campionamento
Risposta: fa = 450 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 di Nyquist
fs/2 = 500 Hz < f = 550 Hz
Multiplo più vicino della frequenza di campionamento
k = round(550/1000) = 1
Frequenza di alias
fa = |550 − 1·1000| = 450 Hz
Risposta
fa = 450 Hz
La curva tratteggiata nella figura è l’alias: passa esattamente per gli stessi campioni.
6.Acquisizione dati e campionamento
Risposta: fa = 9,2 kHz
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 = 7·4,4 kHz = 30,8 kHz
Multiplo più vicino della frequenza di campionamento
m = round(1,54) = 2
Frequenza di alias
fa = |30,8 − 2·20| = 9,2 kHz
Risposta
fa = 9,2 kHz
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: Vab = 182,9 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.
Tensioni dei nodi
Va = 15·262,5/512,5 = 7,683 V
Vb = 7,5 V
Uscite
Vab = 182,9 mV
Risposta
Vab = 182,9 mV
La stima lineare Vs·ΔR/(4R) = 187,5 mV è del 2,5 % troppo alta: un quarto di ponte non è del tutto lineare.
8.Ponte di Wheatstone ed estensimetri
Risposta: ε = 999,7 µε
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.
Risolvi l’equazione del quarto di ponte
ε = 4·0,001537/(3·2,05) = 0,0009997
In microdeformazioni
ε = 999,7 µε
Risposta
ε = 999,7 µε
9.Errore a regime e controllo PID
Risposta: ess = 9,524 %
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 posizione
Kp = 19·0,5 = 9,5
Errore al gradino
ess = 100/(1 + 9,5) = 9,524 %
Risposta
ess = 9,524 %
10.Errore a regime e controllo PID
Risposta: Kd = 0,9119 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 + 1) + 10(4 + Kds) = s² + (1 + 10Kd)s + 40
Frequenza naturale
ωₙ = √40 = 6,325 rad/s
Guadagno derivativo
1 + 10Kd = 2·0,8·6,325 = 10,12
Kd = 0,9119 s
Risposta
Kd = 0,9119 s
Il termine derivativo aggiunge smorzamento senza cambiare ωₙ.
11.Risposta al gradino
Risposta: ωn = 5,385 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 = 29 → ωₙ = 5,385 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·5,385) = 0,4642
Risultato
ωₙ = 5,385 rad/s
Risposta
ωn = 5,385 rad/s
12.Risposta al gradino
Risposta: ωn = 1581 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).