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)Tst​ = ?n0​

Un motore in corrente continua con k = 0,75 N·m/A e Ra = 0,8 Ω è collegato a 48 V. Trova la sua coppia di spunto Tstall, la coppia a velocità zero.

V = 48 Vk = 0,75 N·m/ARa = 0,8 Ω
Tstall = N·m
2.Motori in corrente continuaDifficile
T (N·m)n (rpm)1 N·m900 rpm

Un motore in corrente continua con k = 0,2 V·s/rad e Ra = 0,5 Ω deve azionare un carico di 1 N·m a 900 rpm. Trova la tensione d’indotto V necessaria.

k = 0,2 V·s/radRa = 0,5 ΩT = 1 N·mn = 900 rpm
V = V
3.Ingranaggi e rotismiMedia
d1​ = 120 mmd2​ = 315 mm960 rpmn2​ = ?

Una puleggia da 120 mm a 960 giri/min aziona con una cinghia una puleggia da 315 mm con slittamento del 3 %. Trova la velocità n2 della puleggia condotta.

n1 = 960 rpmd1 = 120 mmd2 = 315 mms = 3 %
n2 = rpm
4.Ingranaggi e rotismiDifficile
d1​ = 80 mmd2​ = 250 mm1500 rpmC = 1200 mmT1​ = 600 NT2​P = ?

Una cinghia aperta collega una puleggia motrice da 80 mm a 1500 giri/min a una puleggia da 250 mm; gli assi distano 1200 mm. Il coefficiente di attrito è 0,35 e la tensione sul lato teso non può superare 600 N. Trova la massima potenza P che la cinghia può trasmettere senza slittare, in kW (trascura gli effetti centrifughi).

d1 = 80 mmn1 = 1500 rpmd2 = 250 mmC = 1200 mmμ = 0,35T1 = 600 N
P = kW
5.Acquisizione dati e campionamentoMedia
tTs​ = 1/fs​f = 8,5 kHzfs​ = 10 kHz

Una sinusoide a 8,5 kHz è campionata a 10 kHz senza filtro anti-aliasing. A quale frequenza fa compare nei campioni? Esprimila in kHz.

f = 8,5 kHzfs = 10 kHz
fa = kHz
6.Acquisizione dati e campionamentoDifficile
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​1/fbaud​10 MHz / (16·D)

Un microcontrollore con clock a 10 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 38400 baud. Trova l’errore percentuale del baud rate reale (positivo se è troppo veloce).

fclk = 10 MHzvalore desiderato = 38400 Bd
e = %
7.Ponte di Wheatstone ed estensimetriMedia
+−5 V470 Ω470 Ω + ΔR470 Ω470 Ωab+−Vab​ = ?

Un ponte ha quattro rami da 470 Ω e Vs = 5 V. Il sensore R₂ aumenta di ΔR = 37,6 Ω. Trova l’uscita esatta Vab in mV.

Vs = 5 VR = 470 ΩΔR = 37,6 Ω
Vab = mV
8.Ponte di Wheatstone ed estensimetriDifficile
+−2,5 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−0,769 mV

Un estensimetro (GF = 2,05) su un elemento con E = 110 GPa forma un quarto di ponte eccitato con 2,5 V. L’uscita indica 0,769 mV. Trova la tensione assiale σ in MPa.

Vs = 2,5 VGF = 2,05Vo = 0,769 mVE = 110 GPa
σ = MPa
9.Errore a regime e controllo PIDMedia
R(s)+K = 452s + 1C(s)−

Un processo G(s) = 5/(2s + 1) è controllato da un guadagno proporzionale K = 4 in un anello a retroazione unitaria. Trova l’errore a regime ess per un gradino, in percentuale dell’ampiezza del gradino.

G(s) = 5/(2s + 1)K = 4
ess = %
10.Errore a regime e controllo PIDDifficile
R(s)+K4s(s + 2)C(s)−

Un controllore proporzionale K comanda il sistema G(s) = 4/(s(s + 2)) in un anello a retroazione unitaria. Trova il guadagno K che dà all’anello chiuso un coefficiente di smorzamento ζ = 0,8.

G(s) = 4/(s(s + 2))ζ = 0,8
K =
11.Risposta al gradinoMedia
t (s)y(t)3ts​ = ?

Un sistema ha funzione di trasferimento G(s) = 123/(s² + 5s + 41) 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) = 123/(s² + 5s + 41)
ts = s
12.Risposta al gradinoDifficile
R(s)+215s(s + 5)G(s)C(s)−

Un anello di retroazione negativa unitaria ha G(s) = 215/(s(s + 5)). Trova il tempo di assestamento al 2 % ts della risposta al gradino ad anello chiuso, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 215/(s(s + 5))
ts = s

3Soluzioni

1.Motori in corrente continua

Risposta: Tstall = 45 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.

Corrente di spunto

Ia = V/Ra = 48/0,8 = 60 A

Coppia di spunto

Tstall = 0,75·60 = 45 N·m

Risposta

Tstall = 45 N·m
2.Motori in corrente continua

Risposta: V = 21,35 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 = 0,2·94,25 = 18,85 V

Corrente d’indotto

Ia = 1/0,2 = 5 A

Tensione d’indotto

V = 18,85 + 5·0,5 = 21,35 V

Risposta

V = 21,35 V
3.Ingranaggi e rotismi

Risposta: n2 = 354,7 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

960·120/315 = 365,7 rpm

Con slittamento

n2 = 365,7·0,97 = 354,7 rpm

Risposta

n2 = 354,7 rpm
4.Ingranaggi e rotismi

Risposta: P = 2,451 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.

Angolo di avvolgimento

θ = 3 rad

Tensione sul lato lento

eμθ = e1,05 = 2,857, T₂ = 600/2,857 = 210 N

Potenza

P = (600 − 210)·6,283 = 2,451 kW

Risposta

P = 2,451 kW
5.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: fa = 1,5 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 = 5 kHz < f = 8,5 kHz

Multiplo più vicino della frequenza di campionamento

k = round(8,5/10) = 1

Frequenza di alias

fa = |8,5 − 1·10| = 1,5 kHz

Risposta

fa = 1,5 kHz

La curva tratteggiata nella figura è l’alias: passa esattamente per gli stessi campioni.

6.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: e = 1,725 %

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 = 10·10⁶/(16·38400) = 16,28 → 16

Baud rate reale

10·10⁶/(16·16) = 39063 Bd

Errore

(39063 − 38400)/38400·100 = 1,725 %

Risposta

e = 1,725 %

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

7.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: Vab = 96,15 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 = 5·507,6/977,6 = 2,596 V
Vb = 2,5 V

Uscite

Vab = 96,15 mV

Risposta

Vab = 96,15 mV

La stima lineare Vs·ΔR/(4R) = 100 mV è del 4 % troppo alta: un quarto di ponte non è del tutto lineare.

8.Ponte di Wheatstone ed estensimetri

Risposta: σ = 66,02 MPa

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.

Deformazione

ε = 4·0,000769/(2,5·2,05) = 0,0006002

Tensione

σ = 110·10³ MPa·0,0006002 = 66,02 MPa

Risposta

σ = 66,02 MPa
9.Errore a regime e controllo PID

Risposta: ess = 4,762 %

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 = 4·5 = 20

Errore al gradino

ess = 100/(1 + 20) = 4,762 %

Risposta

ess = 4,762 %
10.Errore a regime e controllo PID

Risposta: K = 0,3906

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) + 4K = s² + 2s + 4K

Frequenza naturale

2·0,8·ωₙ = 2 → ωₙ = 1,25 rad/s

Guadagno

4K = ωₙ² = 1,562 → K = 0,3906

Risposta

K = 0,3906
11.Risposta al gradino

Risposta: ts = 1,6 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 = 41 → ωₙ = 6,403 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·6,403) = 0,3904

Risultato

ζωₙ = 2,5 → ts ≈ 4/2,5 = 1,6 s

Risposta

ts = 1,6 s
12.Risposta al gradino

Risposta: ts = 1,6 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).

Funzione di trasferimento ad anello chiuso

T(s) = 215/(s² + 5s + 215): ωₙ = 14,66 rad/s, ζ = 0,1705

Tempo di assestamento

ζωₙ = 5/2 = 2,5
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 1,6 s

Risposta

ts = 1,6 s

Per questo anello ζωₙ = a/2 qualunque sia K: aumentare K aumenta la sovraelongazione ma non accorcia il tempo di assestamento.

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