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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 con k = 0,1 V·s/rad funziona a 24 V. Trascurando tutte le perdite a vuoto, trova la sua velocità a vuoto n0 in rpm.
V = 24 Vk = 0,1 V·s/rad
n0 = rpm
2.Motori in corrente continuaDifficile
Un chopper in corrente continua alimenta un motore (k = 1,2 V·s/rad, Ra = 0,2 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 1200 rpm con un carico di 48 N·m.
Una puleggia da 100 mm a 720 giri/min aziona con una cinghia una puleggia da 200 mm con slittamento del 1,5 %. Trova la velocità n2 della puleggia condotta.
n1 = 720 rpmd1 = 100 mmd2 = 200 mms = 1,5 %
n2 = rpm
4.Ingranaggi e rotismiDifficile
Un motore da 1,5 kW a 2900 rpm aziona la ruota A (16 denti), che ingrana con la ruota B (48 denti). La ruota C (45 denti), sullo stesso albero di B, aziona la ruota D (72 denti) sull’albero di uscita. Ogni ingranamento ha un rendimento del 96%. Trova la coppia in uscita Tout.
Una sinusoide a 35 kHz è campionata a 50 kHz senza filtro anti-aliasing. A quale frequenza fa compare nei campioni? Esprimila in kHz.
f = 35 kHzfs = 50 kHz
fa = kHz
6.Acquisizione dati e campionamentoDifficile
Un ADC a 16 bit invia ogni campione tramite UART a 115200 baud, formato 8E1 (bit di start, 8 bit di dati, parità pari, 1 bit di stop). Ogni campione è inviato come 2 byte interi e il collegamento è occupato in continuazione. Trova la frequenza massima del segnale fmax che può essere campionata senza aliasing, in Hz.
baud = 115200 BdN = 168E1
fmax = Hz
7.Ponte di Wheatstone ed estensimetriMedia
Un ponte con quattro rami da 300 Ω è alimentato con 12 V. Quando il sensore R₂ cambia, l’uscita indica Vab = 339,6 mV. Trova la variazione esatta ΔR di R₂.
Vs = 12 VR = 300 ΩVab = 339,6 mV
ΔR = Ω
8.Ponte di Wheatstone ed estensimetriDifficile
Un ponte con rami da 120 Ω è eccitato con 2,5 V e ha un estensimetro attivo (quarto di ponte). Il fattore di taratura è 2 e la deformazione è 1000 µε. Trova l’uscita del ponte Vo in mV.
Vs = 2,5 VGF = 2ε = 1000 µε
Vo = mV
9.Errore a regime e controllo PIDMedia
Un anello a retroazione unitaria con G(s) = K/(s(s + 1)) deve seguire la rampa r(t) = 2t con un errore a regime di 0,5. Trova il guadagno K.
G(s) = K/(s(s + 1))r(t) = 2tess = 0,5
K =
10.Errore a regime e controllo PIDDifficile
Un controllore PI C(s) = Kp + Ki/s comanda il sistema G(s) = 4/(s + 1) in un anello a retroazione unitaria. L’anello chiuso deve avere ωₙ = 8 rad/s e ζ = 0,5. Trova il guadagno integrale Ki.
G(s) = 4/(s + 1)ωₙ = 8 rad/sζ = 0,5
Ki =
11.Risposta al gradinoMedia
Un sistema ha funzione di trasferimento G(s) = 96/(s² + 13s + 96) e riceve un ingresso a gradino unitario. Trova il tempo di assestamento al 2 % ts della risposta al gradino, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 96/(s² + 13s + 96)
ts = s
12.Risposta al gradinoDifficile
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 10 %.
G(s) = K/(s(s + 8))%OS = 10 %
K =
3Soluzioni
1.Motori in corrente continua
Risposta: n0 = 2292 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.
Velocità a vuoto
ω₀ = V/k = 24/0,1 = 240 rad/s
n0 = 60·240/(2π) = 2292 rpm
Risposta
n0 = 2292 rpm
2.Motori in corrente continua
Risposta: D = 66,17 %
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 = 1,2·125,7 + 40·0,2 = 158,8 V
Rapporto di lavoro
D = 158,8/240 = 66,17 %
Risposta
D = 66,17 %
3.Ingranaggi e rotismi
Risposta: n2 = 354,6 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
720·100/200 = 360 rpm
Con slittamento
n2 = 360·0,985 = 354,6 rpm
Risposta
n2 = 354,6 rpm
4.Ingranaggi e rotismi
Risposta: Tout = 21,85 N·m
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 in uscita
nout = 2900·(16/48)·(45/72) = 604,2 rpm
ωout = 2π·604,2/60 = 63,27 rad/s
Potenza e coppia in uscita
Pout = 1500·0,96² = 1382 W
Tout = Pout/ωout = 1382/63,27 = 21,85 N·m
Risposta
Tout = 21,85 N·m
5.Acquisizione dati e campionamento
Risposta: fa = 15 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 di Nyquist
fs/2 = 25 kHz < f = 35 kHz
Multiplo più vicino della frequenza di campionamento
k = round(35/50) = 1
Frequenza di alias
fa = |35 − 1·50| = 15 kHz
Risposta
fa = 15 kHz
La curva tratteggiata nella figura è l’alias: passa esattamente per gli stessi campioni.
6.Acquisizione dati e campionamento
Risposta: fmax = 2618 Hz
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.
Bit per campione sulla linea
2·11 = 22 bit
Frequenza di campionamento massima
fs,max = 115200/22 = 5236 Hz
Limite di Nyquist
fmax = 5236/2 = 2618 Hz
Risposta
fmax = 2618 Hz
7.Ponte di Wheatstone ed estensimetri
Risposta: ΔR = 36 Ω
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 del nodo
Va = 6 + 0,3396 = 6,34 V
Risolvi il partitore
R₂ = 300·6,34/(12 − 6,34) = 336 Ω
ΔR = 336 − 300 = 36 Ω
Risposta
ΔR = 36 Ω
8.Ponte di Wheatstone ed estensimetri
Risposta: Vo = 1,25 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 = 2·1000·10⁻⁶ = 0,002
Uscita del ponte
Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 2,5·0,002/4 = 1,25 mV
Risposta
Vo = 1,25 mV
9.Errore a regime e controllo PID
Risposta: K = 4
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 richiesta
Kv = A/ess = 2/0,5 = 4
Guadagno
K = 1·Kv = 4
Risposta
K = 4
Un guadagno elevato rende questo anello molto poco smorzato: ζ = 0,25. Questo conflitto è il motivo per cui si usano i compensatori.
10.Errore a regime e controllo PID
Risposta: Ki = 16
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
1 + C(s)G(s) = 0, moltiplicata per s(s + 1).
s² + (1 + 4Kp)s + 4Ki
Polinomio obiettivo
s² + 2·0,5·8s + 8² = s² + 8s + 64
Uguaglia i coefficienti
4Ki = 64 → Ki = 16
Risposta
Ki = 16
Il termine integrale rende l’anello di tipo 1, quindi un gradino viene seguito senza errore a regime.
11.Risposta al gradino
Risposta: ts = 0,6154 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 = 96 → ωₙ = 9,798 rad/s
2ζωₙ = 13 → ζ = 13/(2·9,798) = 0,6634
Risultato
ζωₙ = 6,5 → ts ≈ 4/6,5 = 0,6154 s
Risposta
ts = 0,6154 s
12.Risposta al gradino
Risposta: K = 45,78
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).