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)n0​ = ?

Un motore in corrente continua con k = 0,25 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 = 0,25 V·s/rad
n0 = rpm
2.Motori in corrente continuaDifficile
+−240 VRa​ = 2 ΩIa​: 8 → 4 AM+−En = ?T

Un motore in corrente continua a eccitazione indipendente a 240 V (Ra = 2 Ω) gira a 1800 rpm con una corrente d’indotto di 8 A. Il carico cambia e la corrente diventa 4 A, con il campo invariato. Trova la nuova velocità n2.

V = 240 VRa = 2 Ωn1 = 1800 rpmIa1 = 8 AIa2 = 4 A
n2 = rpm
3.Ingranaggi e rotismiMedia
N1​ = 18N2​ = 50

Un motore da 15 kW che gira a 1500 rpm aziona un pignone con 18 denti, che ingrana con una ruota con 50 denti. La coppia di ruote ha un rendimento del 98 %. Trova il momento torcente T1 sull’albero del motore.

P = 15 kWn1 = 1500 rpmN1 = 18N2 = 50η = 98%
T1 = N·m
4.Ingranaggi e rotismiDifficile
A = 24B = 72C = 24D = 48

In un rotismo composto, la ruota A (24 denti) sull’albero di ingresso, che gira a 1500 rpm, aziona la ruota B (72 denti). La ruota C (24 denti) è calettata sullo stesso albero di B e aziona la ruota D (48 denti) sull’albero di uscita. Trova la velocità di uscita nout.

nin = 1500 rpmA = 24B = 72C = 24D = 48
nout = rpm
5.Acquisizione dati e campionamentoMedia
∿01N = 1425 kHz? MB

Un registratore campiona un canale a 25 kHz con un ADC a 14 bit. Ogni campione è memorizzato in byte interi. Trova la memoria M necessaria per una registrazione di 2 min, in MB (1 MB = 10⁶ byte).

n = 1fs = 25 kHzN = 14t = 2 min
M = MB
6.Acquisizione dati e campionamentoDifficile
124⋮4 ch∿01tc​ = 2,5 µstset​ = 1 µsfs​ = ?

Un multiplexer a 4 canali alimenta un solo ADC. Ogni conversione dura 2,5 µs e dopo ogni commutazione di canale l’ingresso richiede 1 µs per assestarsi. I canali sono scansionati a turno senza pause. Trova la frequenza di campionamento fs di ciascun canale, in kHz.

n = 4tc = 2,5 µstset = 1 µs
fs = kHz
7.Ponte di Wheatstone ed estensimetriMedia
+−3 V200 Ω200 Ω + ΔR200 Ω200 Ωab+−Vab​ = ?

Un ponte ha quattro rami da 200 Ω e Vs = 3 V. Il sensore R₂ aumenta di ΔR = 0,8 Ω. Usando l’approssimazione per piccole variazioni, trova l’uscita Vab in mV.

Vs = 3 VR = 200 ΩΔR = 0,8 Ω
Vab = mV
8.Ponte di Wheatstone ed estensimetriDifficile
+−5 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vo​ = ?

Un ponte con rami da 120 Ω è eccitato con 5 V e ha un estensimetro attivo (quarto di ponte). Il fattore di taratura è 2,1 e la deformazione è 400 µε. Trova l’uscita del ponte Vo in mV.

Vs = 5 VGF = 2,1ε = 400 µε
Vo = mV
9.Errore a regime e controllo PIDMedia
r(t) = 0,5·t²/2+4(s + 4)s²(s + 5)C(s)−

L’ingresso parabolico r(t) = 0,5·t²/2 è applicato a un anello a retroazione unitaria con G(s) = 4(s + 4)/(s²(s + 5)). Trova l’errore a regime ess.

G(s) = 4(s + 4)/(s²(s + 5))r(t) = 0,5·t²/2
ess =
10.Errore a regime e controllo PIDDifficile
R(s)+K = 14s(s + 2)C(s)−

Un controllore proporzionale K = 1 comanda il sistema G(s) = 4/(s(s + 2)) in un anello a retroazione unitaria. Trova il tempo di picco tp della risposta al gradino.

G(s) = 4/(s(s + 2))K = 1
tp = s
11.Risposta al gradinoMedia
t (s)y(t)2

Un sistema ha funzione di trasferimento G(s) = 56/(s² + 6s + 28) e riceve un ingresso a gradino unitario. I poli sono s = σ ± jωd. Trova la parte reale σ.

G(s) = 56/(s² + 6s + 28)
σ =
12.Risposta al gradinoDifficile
k = 1000 N/mc = 72 N·s/mm = 8 kgF = 50 Nx(t)

Una massa m = 8 kg è appesa a una molla k = 1000 N/m con uno smorzatore viscoso c = 72 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). In equilibrio a riposo, viene applicata improvvisamente una forza costante F = 50 N. Trova il tempo tp in cui lo spostamento è massimo.

m = 8 kgk = 1000 N/mc = 72 N·s/mF = 50 N
tp = s

3Soluzioni

1.Motori in corrente continua

Risposta: n0 = 916,7 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 = 24/0,25 = 96 rad/s
n0 = 60·96/(2π) = 916,7 rpm

Risposta

n0 = 916,7 rpm
2.Motori in corrente continua

Risposta: n2 = 1864 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.

F.c.e.m. prima e dopo

E1 = 240 − 8·2 = 224 V
E2 = 240 − 4·2 = 232 V

Nuova velocità

n2 = 1800·232/224 = 1864 rpm

Risposta

n2 = 1864 rpm
3.Ingranaggi e rotismi

Risposta: T1 = 95,49 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 = 15000/157,1 = 95,49 N·m

Risposta

T1 = 95,49 N·m
4.Ingranaggi e rotismi

Risposta: nout = 250 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 = 1500·24/72 = 500 rpm = nC

Secondo stadio

nout = 500·24/48 = 250 rpm

Risposta

nout = 250 rpm

rapporto totale = 6 : 1

5.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: M = 6 MB

Velocità dei dati: ogni canale fornisce fs campioni al secondo da N bit, quindi la velocità grezza è canali × fs × N bit/s. In memoria un campione occupa byte interi (un campione a 12 bit è memorizzato in 2 byte), quindi la memoria per una registrazione è canali × fs × byte per campione × tempo. Un ADC multiplexato converte i canali uno dopo l’altro: ogni conversione (con assestamento) richiede t, quindi un giro di n canali richiede n·t e ogni canale è campionato a 1/(n·t).

Byte per campione

⌈14/8⌉ = 2 B

Byte al secondo

1·25000·2 = 50000 B/s

Memoria

M = 50000·120 = 6 × 10⁶ B = 6 MB

Risposta

M = 6 MB
6.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: fs = 71,43 kHz

Velocità dei dati: ogni canale fornisce fs campioni al secondo da N bit, quindi la velocità grezza è canali × fs × N bit/s. In memoria un campione occupa byte interi (un campione a 12 bit è memorizzato in 2 byte), quindi la memoria per una registrazione è canali × fs × byte per campione × tempo. Un ADC multiplexato converte i canali uno dopo l’altro: ogni conversione (con assestamento) richiede t, quindi un giro di n canali richiede n·t e ogni canale è campionato a 1/(n·t).

Tempo per canale

2,5 + 1 = 3,5 µs

Tempo per scansione

4·3,5 = 14 µs

Frequenza di campionamento per canale

fs = 1/14 µs = 71,43 kHz

Risposta

fs = 71,43 kHz
7.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: Vab = 3 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 = 0,8/200 = 0,004

Uscita linearizzata

Vab ≈ 3·0,004/4 = 3 mV

Risposta

Vab = 3 mV

Il valore esatto è 2,994 mV; l’approssimazione è buona finché ΔR/R è piccolo.

8.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: Vo = 1,05 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 = 2,1·400·10⁻⁶ = 0,00084

Uscita del ponte

Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 5·0,00084/4 = 1,05 mV

Risposta

Vo = 1,05 mV
9.Errore a regime e controllo PID

Risposta: ess = 0,1563

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 = 4·4/5 = 3,2

Errore alla parabola

ess = 0,5/3,2 = 0,1563

Risposta

ess = 0,1563
10.Errore a regime e controllo PID

Risposta: tp = 1,814 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 + 2) + 1·4 = s² + 2s + 4

ωₙ e ζ

ωₙ = √4 = 2 rad/s
ζ = 2/(2·2) = 0,5

Tempo di picco

ωd = 2·√(1 − 0,5²) = 1,732 rad/s
tp = π/1,732 = 1,814 s

Risposta

tp = 1,814 s
11.Risposta al gradino

Risposta: σ = −3

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 = 28 → ωₙ = 5,292 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·5,292) = 0,5669

Risultato

σ = −ζωₙ = −6/2 = −3

Risposta

σ = −3
12.Risposta al gradino

Risposta: tp = 0,307 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).

Pulsazione naturale e rapporto di smorzamento

ωₙ = √(k/m) = √(1000/8) = 11,18 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 72/(2·√(1000·8)) = 0,4025

Risultato

ωd = 10,23 rad/s
tp = π/ωd = 0,307 s

Risposta

tp = 0,307 s

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