Sistemi meccatronici: pacchetto last-minute

Motore in corrente continua: l’indotto è una resistenza R_a in serie con la forza controelettromotrice E, quindi V = E + I_a·R_a. La f.c.e.m. cresce con la velocità, E = k·ω, e la coppia con la corrente, T = k·I_a, 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·I_a = T·ω; la potenza assorbita è V·I_a, e la differenza è data dalle perdite nel rame I_a²R_a e dalle perdite meccaniche rotazionali. La velocità diminuisce linearmente con la coppia, ω = V/k − R_a·T/k², dalla velocità a vuoto V/k fino a zero alla coppia di spunto k·V/R_a. A motore fermo E = 0, quindi la corrente di spunto V/R_a è elevata se una resistenza non la limita.

Motore in corrente continua: l’indotto è una resistenza R_a in serie con la forza controelettromotrice E, quindi V = E + I_a·R_a. La f.c.e.m. cresce con la velocità, E = k·ω, e la coppia con la corrente, T = k·I_a, 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·I_a = T·ω; la potenza assorbita è V·I_a, e la differenza è data dalle perdite nel rame I_a²R_a e dalle perdite meccaniche rotazionali. La velocità diminuisce linearmente con la coppia, ω = V/k − R_a·T/k², dalla velocità a vuoto V/k fino a zero alla coppia di spunto k·V/R_a. A motore fermo E = 0, quindi la corrente di spunto V/R_a è elevata se una resistenza non la limita.

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.

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 = e^μθ, 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.

Risoluzione dell’ADC: un convertitore a N bit divide il suo campo di fondo scala V_FSR in 2ᴺ codici, da 0 a 2ᴺ − 1. Un passo è 1 LSB = V_FSR/2ᴺ: la più piccola variazione che il convertitore può mostrare. Un ADC a troncamento dà il codice ⌊V_in/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.

Campionamento: un ADC misura il segnale f_s volte al secondo. Secondo il teorema di Nyquist–Shannon una frequenza f è acquisita correttamente solo finché f < f_s/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 f_a = |f − k·f_s|, con il numero intero k che porta il risultato tra 0 e f_s/2. I campioni non permettono di distinguere le due, quindi un filtro anti-aliasing analogico deve eliminare tutto ciò che sta sopra f_s/2 prima dell’ADC.

Ponte di Wheatstone: due partitori di tensione condividono un’unica alimentazione V_s. Il partitore sinistro R₁–R₂ dà V_a = V_s·R₂/(R₁ + R₂) e il partitore destro R₃–R₄ dà V_b = V_s·R₄/(R₃ + R₄); l’uscita è V_ab = V_a − V_b. Il ponte è in equilibrio (V_ab = 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 R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄.

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 V_o ≈ V_s·GF·ε/4. Due estensimetri attivi con deformazioni opposte in rami adiacenti (mezzo ponte) danno V_s·GF·ε/2, e quattro (ponte intero) danno V_s·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.

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 e_ss = lim_s→0 s·E(s). Il tipo del sistema è il numero di poli di G(s) in s = 0. Le costanti d’errore sono K_p = lim G(s), K_v = lim s·G(s) e K_a = lim s²·G(s), tutte per s → 0. Un gradino di ampiezza A dà e_ss = A/(1 + K_p), una rampa A·t dà A/K_v e una parabola A·t²/2 dà A/K_a. 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.

Controllo P, PI e PID: il controllore C(s) = K_p + K_i/s + K_d·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 + 2ζω_ns + ω_n². Poi %OS = 100·e^{−ζπ/√(1−ζ²)}, t_p = π/ω_d con ω_d = ω_n√(1 − ζ²), e t_s ≈ 4/(ζω_n).

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 ± jω_d con ω_d = ωₙ√(1 − ζ²). Per 0 < ζ < 1 la risposta al gradino ha sovraelongazione: sovraelongazione percentuale %OS = 100·e^{−ζπ/√(1−ζ²)}, tempo di picco t_p = π/ω_d, e tempo di assestamento al 2 % t_s ≈ 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).

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 ± jω_d con ω_d = ωₙ√(1 − ζ²). Per 0 < ζ < 1 la risposta al gradino ha sovraelongazione: sovraelongazione percentuale %OS = 100·e^{−ζπ/√(1−ζ²)}, tempo di picco t_p = π/ω_d, e tempo di assestamento al 2 % t_s ≈ 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).