Sistemas Mecatrônicos: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 12 exercícios, com soluções completas no final.

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1Fórmulas e métodos

Motores CC

Circuito de armadura
V = E + IaRa
fcem e torque
E = k·ω, T = k·Ia
Velocidade
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Velocidade a vazio e torque de travamento
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Potências
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Partida
Istart = V/(Ra + Rst)
Regulação de velocidade
SR = (n0 − nFL)/nFL
Potência desenvolvida máxima
Pmax = V²/(4Ra)
Acionamento com chopper
Va = D·Vdc

Método

  1. Desenhe o circuito da armadura: alimentação V, resistência Ra e fcem E em série.
  2. Use V = E + Ia·Ra para relacionar tensão, corrente e fcem.
  3. Use E = k·ω para a velocidade e T = k·Ia para o torque, com ω = 2π·n/60.
  4. Para potência e rendimento, parta de V·Ia, subtraia a perda no cobre Ia²·Ra e depois as perdas rotacionais.

Engrenagens e trens de engrenagens

Engrenagens acopladas
n1·N1 = n2·N2
Torque
T2 = T1·(N2/N1)·η
Potência
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Trem composto
relação total = produto das relações de cada estágio

Aquisição de dados e amostragem

Critério de Nyquist
fs > 2·fmax, fN = fs/2
Frequência de aliasing
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
Tamanho do passo
1 LSB = VFSR/2ᴺ
Erro de quantização (arredondamento)
±½ LSB
Código do ADC com truncamento
D = ⌊Vin/LSB⌋
Bits para uma resolução r
2ᴺ ≥ span/r
SQNR ideal, senoide de fundo de escala
SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
Taxa de dados
canais × fs × N bit/s
ADC multiplexado
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/baud; 8N1 = 10 bits por byte; bytes/s = baud/bits por quadro
Divisor da taxa de baud
baud = fclk/(16·D)

Método

  1. Anote o que é dado: taxa de amostragem, frequências do sinal, número de bits, faixa de entrada, taxa de baud.
  2. Em questões de amostragem, compare cada frequência com fs/2; uma frequência mais alta aparece em fa = |f − k·fs|, com o múltiplo de fs mais próximo.
  3. Em questões de resolução, determine 1 LSB = VFSR/2ᴺ ou o menor N com 2ᴺ ≥ faixa/resolução.
  4. Para taxas de dados e enlaces UART, conte tudo o que é enviado: canais, amostras por segundo, bits ou bytes inteiros por amostra e os bits de início, de paridade e de parada de cada quadro.

Ponte de Wheatstone e extensômetros

Tensões dos divisores
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Saídas
Vab = Va − Vb
Balanço
R1/R2 = R3/R4
Ponte de fio
R/Rx = l/(100 − l)
Resistência de Thévenin
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
Fator do extensômetro
ΔR/R = GF·ε
Saída da ponte
quarto Vs·GF·ε/4, meia Vs·GF·ε/2, completa Vs·GF·ε
Pequena variação, um braço
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Tensão
σ = E·ε

Método

  1. Trate a ponte como dois divisores de tensão sobre a mesma alimentação.
  2. Para o equilíbrio, faça R₁/R₂ = R₃/R₄ e resolva para o resistor desconhecido.
  3. Para uma ponte desequilibrada, encontre Va e Vb a partir dos divisores e subtraia; use o equivalente de Thévenin quando um medidor carrega a saída.
  4. Para extensômetros, converta a deformação em ΔR/R = GF·ε e use Vs·GF·ε/4, /2 ou ×1 para um quarto, meia ponte ou ponte completa.

Erro em regime permanente e controle PID

Tipo do sistema
número de polos de G(s) em s = 0
Constantes de erro
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Degrau A
ess = A/(1 + Kp)
Rampa A·t
ess = A/Kv
Parábola A·t²/2
ess = A/Ka
Controlador PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Alvo de segunda ordem
s² + 2ζωns + ωn²
Sobressinal e tempos
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Método

  1. Conte os polos da malha aberta C(s)·G(s) em s = 0: esse é o tipo do sistema.
  2. Calcule a constante de erro que corresponde à entrada: Kp para um degrau, Kv para uma rampa, Ka para uma parábola.
  3. Aplique ess = A/(1 + Kp), A/Kv ou A/Ka, ou resolva-a para o ganho de que você precisa.
  4. Para uma especificação de amortecimento ou velocidade, escreva o polinômio característico de malha fechada e compare-o com s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Exercícios

1.Motores CCMédia
T (N·m)n (rpm)2 N·mn0​nFL​

Um motor CC (k = 0,5 V·s/rad, Ra = 0,8 Ω) funciona com 48 V. A plena carga ele consome 4 A. Desprezando a corrente a vazio, encontre sua regulação de velocidade SR = (n₀ − nFL)/nFL em porcentagem.

V = 48 Vk = 0,5 V·s/radRa = 0,8 ΩIFL = 4 A
SR = %
2.Motores CCDifícil
T (N·m)n (rpm)60 N·m300 rpm

Um motor CC com k = 2 V·s/rad e Ra = 0,25 Ω deve acionar uma carga de 60 N·m a 300 rpm. Encontre a tensão de armadura V de que ele precisa.

k = 2 V·s/radRa = 0,25 ΩT = 60 N·mn = 300 rpm
V = V
3.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
N1​ = 30, m = 5 mm

Um motor de 3 kW girando a 2900 rpm aciona um pinhão com 30 dentes e módulo de 5 mm. Encontre a força tangencial Ft nos dentes do pinhão.

P = 3 kWn = 2900 rpmN1 = 30m = 5 mm
Ft = N
4.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 80 mmd2​ = 450 mm720 rpmC = 1000 mmθ = ?

Uma correia aberta liga uma polia de 80 mm e uma polia de 450 mm cujos centros estão a 1000 mm de distância. Encontre o ângulo de abraçamento θ na polia menor, em graus.

d1 = 80 mmd2 = 450 mmC = 1000 mm
θ = °
5.Aquisição de dados e amostragemMédia
Vin​N = 14VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Encontre a relação sinal-ruído de quantização ideal SQNR de um ADC de 14 bits para uma senoide de fundo de escala.

N = 14
SQNR = dB
6.Aquisição de dados e amostragemDifícil
T10 mV/°C×5∿01N = 10, 5 V? °C/LSB

Um sensor de temperatura fornece 10 mV/°C (0 V a 0 °C). Seu sinal é amplificado 5 vezes e entra em um ADC de 10 bits com faixa de 0 a 5 V (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Encontre a variação de temperatura ΔTLSB que corresponde a um LSB.

S = 10 mV/°CG = 5N = 10VFSR = 5 V
ΔTLSB = °C
7.Ponte de Wheatstone e extensômetrosMédia
+−5 VR1​ = 150 ΩR2​ = 400 ΩR3​ = 50 ΩR4​ = 500 Ωab+−Rth​ = ?

Encontre a resistência de Thévenin Rth da ponte mostrada, vista dos terminais de saída a e b.

Vs = 5 VR1 = 150 ΩR2 = 400 ΩR3 = 50 ΩR4 = 500 Ω
Rth = Ω
8.Ponte de Wheatstone e extensômetrosDifícil
+−5 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−0,525 mV

Um quarto de ponte com um extensômetro ativo (GF = 2,1) é excitado com 5 V. Sob carga a saída marca 0,525 mV. Encontre a deformação ε em µε.

Vs = 5 VGF = 2,1Vo = 0,525 mV
ε = µε
9.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
r(t) = 3t+4(s + 4)s(s + 1)(s + 5)C(s)−

Uma rampa r(t) = 3t é aplicada a uma malha com realimentação unitária com G(s) = 4(s + 4)/(s(s + 1)(s + 5)). Encontre o erro em regime permanente ess.

G(s) = 4(s + 4)/(s(s + 1)(s + 5))r(t) = 3t
ess =
10.Erro em regime permanente e controle PIDDifícil
R(s)+K4s(s + 8)C(s)−

Um controlador proporcional K controla a planta G(s) = 4/(s(s + 8)) em uma malha com realimentação unitária. Encontre o ganho K que dá à malha fechada um coeficiente de amortecimento ζ = 0,6.

G(s) = 4/(s(s + 8))ζ = 0,6
K =
11.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)1ts​ = ?

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 42/(s² + 4s + 42) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o tempo de acomodação de 2 % ts da resposta ao degrau, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 42/(s² + 4s + 42)
ts = s
12.Resposta ao degrauDifícil
R(s)+Ks(s + 4)G(s)C(s)−

Uma malha de realimentação negativa unitária tem G(s) = K/(s(s + 4)). Encontre o ganho K que dá uma resposta ao degrau com 30 % de sobressinal.

G(s) = K/(s(s + 4))%OS = 30 %
K =

3Soluções

1.Motores CC

Resposta: SR = 7,143 %

Motor CC: a armadura é uma resistência Ra em série com a força contraeletromotriz (fcem) E, de modo que V = E + Ia·Ra. A fcem cresce com a velocidade, E = k·ω, e o torque com a corrente, T = k·Ia, com a mesma constante do motor k (V·s/rad = N·m/A) em unidades SI. Converta velocidades com ω = 2π·n/60. A potência desenvolvida é E·Ia = T·ω; a potência de entrada é V·Ia, e a perda no cobre Ia²Ra e a perda rotacional fazem a diferença. A velocidade cai em linha reta com o torque, ω = V/k − Ra·T/k², da velocidade a vazio V/k até zero no torque de travamento k·V/Ra. Com o motor parado E = 0, então a corrente de partida V/Ra é grande, a menos que um resistor a limite.

Velocidade a vazio e a plena carga

n₀ = 60·48/(2π·0,5) = 916,7 rpm
nFL = 60·(48 − 4·0,8)/(2π·0,5) = 855,6 rpm

Regulação de velocidade

SR = (916,7 − 855,6)/855,6·100 = 7,143 %

Resposta

SR = 7,143 %
2.Motores CC

Resposta: V = 70,33 V

Motor CC: a armadura é uma resistência Ra em série com a força contraeletromotriz (fcem) E, de modo que V = E + Ia·Ra. A fcem cresce com a velocidade, E = k·ω, e o torque com a corrente, T = k·Ia, com a mesma constante do motor k (V·s/rad = N·m/A) em unidades SI. Converta velocidades com ω = 2π·n/60. A potência desenvolvida é E·Ia = T·ω; a potência de entrada é V·Ia, e a perda no cobre Ia²Ra e a perda rotacional fazem a diferença. A velocidade cai em linha reta com o torque, ω = V/k − Ra·T/k², da velocidade a vazio V/k até zero no torque de travamento k·V/Ra. Com o motor parado E = 0, então a corrente de partida V/Ra é grande, a menos que um resistor a limite.

Força contraeletromotriz

E = 2·31,42 = 62,83 V

Corrente de armadura

Ia = 60/2 = 30 A

Tensão de armadura

V = 62,83 + 30·0,25 = 70,33 V

Resposta

V = 70,33 V
3.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: Ft = 131,7 N

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

Torque no pinhão

ω = 2π·2900/60 = 303,7 rad/s
T = P/ω = 3000/303,7 = 9,879 N·m

Diâmetro primitivo

d = m·N = 5·30 = 150 mm

Força tangencial

Ft = 2T/d = 2·9,879/0,15 = 131,7 N

Resposta

Ft = 131,7 N
4.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: θ = 158,7 °

Transmissões por correia: sem escorregamento, as duas polias têm a mesma velocidade periférica v = π·d·n/60, de modo que n₁·d₁ = n₂·d₂ e a relação de velocidades é d₂/d₁. O escorregamento s torna a polia movida um pouco mais lenta: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). A potência transmitida é P = (T₁ − T₂)·v, com T₁ a tração no lado tracionado e T₂ no lado frouxo. O atrito limita a razão das trações: T₁/T₂ = eμθ, em que θ é o ângulo de abraçamento em radianos na polia menor; para uma correia aberta, θ = π − 2·asen((d₂ − d₁)/(2C)) com distância entre centros C.

Ângulo da correia

asin(0,185) = 10,66°

Ângulo de abraçamento

θ = 180 − 2·10,66 = 158,7°

Resposta

θ = 158,7°
5.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: SQNR = 86,04 dB

Resolução do ADC: um conversor de N bits divide sua faixa de fundo de escala VFSR em 2ᴺ códigos, de 0 a 2ᴺ − 1. Um passo é 1 LSB = VFSR/2ᴺ: a menor variação que o conversor consegue mostrar. Um ADC com truncamento dá o código ⌊Vin/LSB⌋; um ADC com arredondamento nunca fica a mais de ½ LSB do valor verdadeiro, seu erro de quantização. Cada bit a mais reduz o LSB à metade e acrescenta cerca de 6 dB à relação sinal-ruído de quantização ideal SQNR = 6,02·N + 1,76 dB para uma senoide de fundo de escala. Para alcançar uma resolução r em uma faixa, escolha o menor N com 2ᴺ ≥ faixa/r.

SQNR ideal

SQNR = 6,02·14 + 1,76 = 86,04 dB

Resposta

SQNR = 86,04 dB
6.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: ΔTLSB = 0,09766 °C

Resolução do ADC: um conversor de N bits divide sua faixa de fundo de escala VFSR em 2ᴺ códigos, de 0 a 2ᴺ − 1. Um passo é 1 LSB = VFSR/2ᴺ: a menor variação que o conversor consegue mostrar. Um ADC com truncamento dá o código ⌊Vin/LSB⌋; um ADC com arredondamento nunca fica a mais de ½ LSB do valor verdadeiro, seu erro de quantização. Cada bit a mais reduz o LSB à metade e acrescenta cerca de 6 dB à relação sinal-ruído de quantização ideal SQNR = 6,02·N + 1,76 dB para uma senoide de fundo de escala. Para alcançar uma resolução r em uma faixa, escolha o menor N com 2ᴺ ≥ faixa/r.

Tamanho do passo

1 LSB = 5000/1024 = 4,883 mV

Sensibilidade no ADC

10·5 = 50 mV/°C

Resolução de temperatura

ΔTLSB = 4,883/50 = 0,09766 °C

Resposta

ΔTLSB = 0,09766 °C

O ADC atinge o fundo de escala a 100 °C.

7.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: Rth = 154,5 Ω

Ponte de Wheatstone: dois divisores de tensão compartilham uma mesma alimentação Vs. O divisor da esquerda R1–R2 dá Va = Vs·R2/(R1 + R2) e o divisor da direita R3–R4 dá Vb = Vs·R4/(R3 + R4); a saída é Vab = Va − Vb. A ponte está equilibrada (Vab = 0, sem corrente no medidor) quando R1/R2 = R3/R4, isto é, R1·R4 = R2·R3. Vista da saída, a ponte é uma fonte de Thévenin com Rth = R1∥R2 + R3∥R4.

Alimentação em curto

R₁∥R₂ = 150·400/550 = 109,1 Ω
R₃∥R₄ = 50·500/550 = 45,45 Ω

Resistência de Thévenin

Rth = 154,5 Ω

Resposta

Rth = 154,5 Ω
8.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: ε = 200 µε

Extensômetros: um extensômetro altera sua resistência com a deformação: ΔR/R = GF·ε, onde o fator do extensômetro GF é cerca de 2 para folha metálica. Em uma ponte com todos os braços iguais a R, um extensômetro ativo (um quarto de ponte) dá Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Dois extensômetros ativos com deformações opostas em braços adjacentes (meia ponte) dão Vs·GF·ε/2, e quatro (ponte completa) dão Vs·GF·ε. A tensão mecânica segue da lei de Hooke, σ = E·ε. As células de carga indicam sua sensibilidade em mV/V: a saída a plena carga por volt de excitação.

Resolva a equação do quarto de ponte

ε = 4·0,000525/(5·2,1) = 0,0002

Em microdeformação

ε = 200 µε

Resposta

ε = 200 µε
9.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: ess = 0,9375

Erro em regime permanente: em uma malha com realimentação unitária e função de transferência de malha aberta G(s), o erro é E(s) = R(s)/(1 + G(s)), e pelo teorema do valor final ess = lims→0 s·E(s). O tipo do sistema é o número de polos de G(s) em s = 0. As constantes de erro são Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) e Ka = lim s²·G(s), todas para s → 0. Um degrau de tamanho A dá ess = A/(1 + Kp), uma rampa A·t dá A/Kv e uma parábola A·t²/2 dá A/Ka. Uma malha do tipo 0 segue um degrau com erro finito, uma malha do tipo 1 o segue exatamente e segue uma rampa com erro finito.

Constante de velocidade

Kv = lim s·G(s) = 3,2

Erro de rampa

ess = 3/3,2 = 0,9375

Resposta

ess = 0,9375
10.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: K = 11,11

Controle P, PI e PID: o controlador C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s atua sobre o erro. Um ganho proporcional torna a malha mais rápida e reduz o erro de uma planta do tipo 0, mas nunca o elimina. O termo integral acrescenta um polo em s = 0: o tipo do sistema sobe uma unidade, e um degrau é seguido sem erro. O termo derivativo acrescenta amortecimento. Para escolher os ganhos, escreva o polinômio característico de malha fechada e compare-o com s² + 2ζωns + ωn². Então %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd com ωd = ωn√(1 − ζ²), e ts ≈ 4/(ζωn).

Polinômio característico

s(s + 8) + 4K = s² + 8s + 4K

Frequência natural

2·0,6·ωₙ = 8 → ωₙ = 6,667 rad/s

Ganho

4K = ωₙ² = 44,44 → K = 11,11

Resposta

K = 11,11
11.Resposta ao degrau

Resposta: ts = 2 s

Resposta ao degrau: um sistema de primeira ordem G(s) = K/(τs + 1) responde a um degrau de tamanho U com y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): ele atinge 63,2 % do valor final K·U após uma constante de tempo τ e 98 % após 4τ. Um sistema de segunda ordem G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) tem os polos s = −ζωₙ ± jωd com ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Para 0 < ζ < 1 a resposta ao degrau tem sobressinal: sobressinal percentual %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tempo de pico tp = π/ωd e tempo de acomodação de 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Compare o denominador com s² + 2ζωₙs + ωₙ² para obter ωₙ e ζ. Para um sistema massa–mola–amortecedor, ωₙ = √(k/m) e ζ = c/(2√(km)); para um circuito RLC série, ωₙ = 1/√(LC) e ζ = (R/2)·√(C/L).

Compare com a forma padrão

O denominador deve coincidir com s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 42 → ωₙ = 6,481 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·6,481) = 0,3086

Resultado

ζωₙ = 2 → ts ≈ 4/2 = 2 s

Resposta

ts = 2 s
12.Resposta ao degrau

Resposta: K = 31,23

Resposta ao degrau: um sistema de primeira ordem G(s) = K/(τs + 1) responde a um degrau de tamanho U com y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): ele atinge 63,2 % do valor final K·U após uma constante de tempo τ e 98 % após 4τ. Um sistema de segunda ordem G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) tem os polos s = −ζωₙ ± jωd com ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Para 0 < ζ < 1 a resposta ao degrau tem sobressinal: sobressinal percentual %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tempo de pico tp = π/ωd e tempo de acomodação de 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Compare o denominador com s² + 2ζωₙs + ωₙ² para obter ωₙ e ζ. Para um sistema massa–mola–amortecedor, ωₙ = √(k/m) e ζ = c/(2√(km)); para um circuito RLC série, ωₙ = 1/√(LC) e ζ = (R/2)·√(C/L).

Função de transferência de malha fechada

T(s) = K/(s² + 4s + K)

Razão de amortecimento a partir do sobressinal

ζ = −ln(0,3)/√(π² + ln²(0,3)) = 0,3579

Ganho

ωₙ = 4/(2ζ) = 5,589 rad/s
K = ωₙ² = 31,23

Resposta

K = 31,23

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