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
+−VRa​M+−En = 1450 rpmT = ?

Un motore in corrente continua eroga 15 kW di potenza meccanica a 1450 rpm. Trova la coppia all’albero T.

P = 15 kWn = 1450 rpm
T = N·m
2.Motori in corrente continuaDifficile
+−120 VD = ?Ra​ = 1 ΩM+−En = 500 rpmT = 3 N·m

Un chopper in corrente continua alimenta un motore (k = 0,3 V·s/rad, Ra = 1 Ω) da un bus in continua da 120 V. La tensione media d’indotto è D·120 V. Trova il rapporto di lavoro D che fa girare il motore a 500 rpm con un carico di 3 N·m.

Vdc = 120 Vk = 0,3 V·s/radRa = 1 ΩT = 3 N·mn = 500 rpm
D = %
3.Ingranaggi e rotismiMedia
N1​ = 24N2​ = 50

Un motore da 0,75 kW che gira a 2900 rpm aziona un pignone con 24 denti, che ingrana con una ruota con 50 denti. La coppia di ruote ha un rendimento del 95 %. Trova il momento torcente in uscita T2 sull’albero della ruota.

P = 0,75 kWn1 = 2900 rpmN1 = 24N2 = 50η = 95%
T2 = N·m
4.Ingranaggi e rotismiDifficile
A = 24B = 45C = 12D = 72

Un motore da 7,5 kW a 960 rpm aziona la ruota A (24 denti), che ingrana con la ruota B (45 denti). La ruota C (12 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.

P = 7,5 kWnin = 960 rpmA = 24B = 45C = 12D = 72ηmesh = 96%
Tout = N·m
5.Acquisizione dati e campionamentoMedia
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​Tb​11·Tb​115200 Bd, 8N2

Una UART invia byte a 115200 baud nel formato 8N2: 8 bit di dati, nessuna parità e 2 bit di stop, più il bit di start. Trova il massimo numero di byte di dati al secondo che può trasferire.

baud = 115200 Bd8N2
RB = B/s
6.Acquisizione dati e campionamentoDifficile
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​1/fbaud​24 MHz / (16·D)

Un microcontrollore con clock a 24 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 115200 baud. Trova l’errore percentuale del baud rate reale (positivo se è troppo veloce).

fclk = 24 MHzvalore desiderato = 115200 Bd
e = %
7.Ponte di Wheatstone ed estensimetriMedia
+−12 V470 Ω470 Ω + ΔR470 Ω470 Ωab+−Vab​ = ?

Un ponte ha quattro rami da 470 Ω e Vs = 12 V. Il sensore R₂ aumenta di ΔR = 117,5 Ω. Trova l’uscita esatta Vab in mV.

Vs = 12 VR = 470 ΩΔR = 117,5 Ω
Vab = mV
8.Ponte di Wheatstone ed estensimetriDifficile
+−2,5 V350 Ω − ΔR350 Ω + ΔR350 Ω + ΔR350 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

Un ponte con rami da 350 Ω è eccitato con 2,5 V e ha quattro estensimetri attivi, due in trazione e due in compressione (ponte intero). Il fattore di taratura è 2 e la deformazione è 400 µε. Trova l’uscita del ponte Vo in mV.

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

Un anello a retroazione unitaria con G(s) = K/(s(s + 4)) deve seguire la rampa r(t) = 5t con un errore a regime di 0,5. Trova il guadagno K.

G(s) = K/(s(s + 4))r(t) = 5tess = 0,5
K =
10.Errore a regime e controllo PIDDifficile
R(s)+K = 502s(s + 10)C(s)−

Un controllore proporzionale K = 50 comanda il sistema G(s) = 2/(s(s + 10)) in un anello a retroazione unitaria. Trova il tempo di picco tp della risposta al gradino.

G(s) = 2/(s(s + 10))K = 50
tp = s
11.Risposta al gradinoMedia
t (s)y(t)1ts​ = ?

Un sistema ha funzione di trasferimento G(s) = 29/(s² + 4s + 29) 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) = 29/(s² + 4s + 29)
ts = s
12.Risposta al gradinoDifficile
t (s)y(t)125 %

Un sistema del secondo ordine senza zeri deve avere una risposta al gradino con sovraelongazione del 25 %. Trova il rapporto di smorzamento ζ.

%OS = 25 %
ζ =

3Soluzioni

1.Motori in corrente continua

Risposta: T = 98,79 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.

Velocità in rad/s

ω = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s

Momento torcente

T = P/ω = 15000/151,8 = 98,79 N·m

Risposta

T = 98,79 N·m
2.Motori in corrente continua

Risposta: D = 21,42 %

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 = 0,3·52,36 + 10·1 = 25,71 V

Rapporto di lavoro

D = 25,71/120 = 21,42 %

Risposta

D = 21,42 %
3.Ingranaggi e rotismi

Risposta: T2 = 4,888 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 = 750/303,7 = 2,47 N·m

Momento torcente in uscita

T2 = 2,47·50/24·0,95 = 4,888 N·m

Risposta

T2 = 4,888 N·m
4.Ingranaggi e rotismi

Risposta: Tout = 773,5 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 = 960·(24/45)·(12/72) = 85,33 rpm
ωout = 2π·85,33/60 = 8,936 rad/s

Potenza e coppia in uscita

Pout = 7500·0,96² = 6912 W
Tout = Pout/ωout = 6912/8,936 = 773,5 N·m

Risposta

Tout = 773,5 N·m
5.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: RB = 10473 B/s

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 frame

1 + 8 + 0 + 2 = 11

Byte al secondo

115200/11 = 10473 B/s

Risposta

RB = 10473 B/s
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 = 24·10⁶/(16·115200) = 13,02 → 13

Baud rate reale

24·10⁶/(16·13) = 115385 Bd

Errore

(115385 − 115200)/115200·100 = 0,1603 %

Risposta

e = 0,1603 %

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

7.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: Vab = 666,7 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 = 12·587,5/1058 = 6,667 V
Vb = 6 V

Uscite

Vab = 666,7 mV

Risposta

Vab = 666,7 mV

La stima lineare Vs·ΔR/(4R) = 750 mV è del 12,5 % troppo alta: un quarto di ponte non è del tutto lineare.

8.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: Vo = 2 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 = 2·400·10⁻⁶ = 0,0008

Uscita del ponte

Vo = Vs·GF·ε = 2,5·0,0008 = 2 mV

Risposta

Vo = 2 mV
9.Errore a regime e controllo PID

Risposta: K = 40

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 = 5/0,5 = 10

Guadagno

K = 4·Kv = 40

Risposta

K = 40

Un guadagno elevato rende questo anello molto poco smorzato: ζ = 0,3162. Questo conflitto è il motivo per cui si usano i compensatori.

10.Errore a regime e controllo PID

Risposta: tp = 0,3628 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 + 10) + 50·2 = s² + 10s + 100

ωₙ e ζ

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

Tempo di picco

ωd = 10·√(1 − 0,5²) = 8,66 rad/s
tp = π/8,66 = 0,3628 s

Risposta

tp = 0,3628 s
11.Risposta al gradino

Risposta: ts = 2 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 = 4 → ζ = 4/(2·5,385) = 0,3714

Risultato

ζωₙ = 2 → ts ≈ 4/2 = 2 s

Risposta

ts = 2 s
12.Risposta al gradino

Risposta: ζ = 0,4037

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).

Fattore di smorzamento

ζ = −ln(0,25)/√(π² + ln²(0,25)) = 1,386/√(9,87 + 1,922) = 0,4037

Risposta

ζ = 0,4037

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