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
+−48 VRa​ = 0,5 ΩIa​ = 12 AM+−EωT

Um motor CC consome 12 A de uma alimentação de 48 V. Sua resistência de armadura é 0,5 Ω e suas perdas rotacionais (atrito, ventilação e ferro) são 15 W. Encontre seu rendimento η.

V = 48 VIa = 12 ARa = 0,5 ΩProt = 15 W
η = %
2.Motores CCDifícil
+−24 VRa​ = 4 ΩM+−EωT

Um pequeno motor CC tem resistência de armadura de 4 Ω e funciona com 24 V. Desprezando as perdas rotacionais, encontre a maior potência mecânica Pmax que ele pode desenvolver em qualquer velocidade.

V = 24 VRa = 4 Ω
Pmax = W
3.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
N1​ = ?N2​

Dois eixos paralelos estão a 150 mm de distância. Eles devem ser ligados por um par de engrenagens de dentes retos com módulo de 5 mm e redução de 1,5 : 1. Quantos dentes N1 o pinhão deve ter?

a = 150 mmm = 5 mmi = 1,5
N1 =
4.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 12B = 32C = 36D = 60

Um motor de 1,1 kW a 2900 rpm aciona a engrenagem A (12 dentes), que engrena com a engrenagem B (32 dentes). A engrenagem C (36 dentes), no mesmo eixo de B, aciona a engrenagem D (60 dentes) no eixo de saída. Cada engrenamento tem eficiência de 95%. Encontre o torque de saída Tout.

P = 1,1 kWnin = 2900 rpmA = 12B = 32C = 36D = 60ηmesh = 95%
Tout = N·m
5.Aquisição de dados e amostragemMédia
Vin​N = ?150 °C2ᴺ − 10≤ 0,5 °C

Um sensor mede temperatura em uma faixa de 150 °C, e sua saída preenche toda a faixa de entrada de um ADC. A leitura deve resolver 0,5 °C. Encontre o menor número de bits N de que o ADC precisa.

faixa = 150 °Cresolução = 0,5 °C
N =
6.Aquisição de dados e amostragemDifícil
T20 mV/°C×20∿01N = 10, 3,3 V? °C/LSB

Um sensor de temperatura fornece 20 mV/°C (0 V a 0 °C). Seu sinal é amplificado 20 vezes e entra em um ADC de 10 bits com faixa de 0 a 3,3 V (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Encontre a variação de temperatura ΔTLSB que corresponde a um LSB.

S = 20 mV/°CG = 20N = 10VFSR = 3,3 V
ΔTLSB = °C
7.Ponte de Wheatstone e extensômetrosMédia
+−15 VR1​ = 800 ΩR2​ = 200 ΩR3​ = 50 ΩR4​ = 20 ΩabGRg​ = 100 Ω

Um galvanômetro com resistência de 100 Ω é ligado entre a e b da ponte mostrada (Vs = 15 V). Encontre a corrente do galvanômetro Ig de a para b, em µA.

Vs = 15 VR1 = 800 ΩR2 = 200 ΩR3 = 50 ΩR4 = 20 ΩRg = 100 Ω
Ig = µA
8.Ponte de Wheatstone e extensômetrosDifícil
+−2,5 V120 Ω − ΔR120 Ω + ΔR120 Ω + ΔR120 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

Uma ponte com braços de 120 Ω é excitada com 2,5 V e tem quatro extensômetros ativos, dois sob tração e dois sob compressão (ponte completa). O fator do extensômetro é 2 e a deformação é 800 µε. Encontre a saída da ponte Vo em mV.

Vs = 2,5 VGF = 2ε = 800 µε
Vo = mV
9.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
r(t) = 1t+Ks(s + 10)C(s)−

Uma malha com realimentação unitária com G(s) = K/(s(s + 10)) deve seguir a rampa r(t) = 1t com um erro em regime permanente de 0,05. Encontre o ganho K.

G(s) = K/(s(s + 10))r(t) = 1tess = 0,05
K =
10.Erro em regime permanente e controle PIDDifícil
R(s)+K = 501s(s + 10)C(s)−

Um controlador proporcional K = 50 controla a planta G(s) = 1/(s(s + 10)) em uma malha com realimentação unitária. Encontre o tempo de pico tp da resposta ao degrau.

G(s) = 1/(s(s + 10))K = 50
tp = s
11.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)0,5ts​ = ?

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 30/(s² + 11s + 60) 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) = 30/(s² + 11s + 60)
ts = s
12.Resposta ao degrauDifícil
+−12 VR = 165 ΩL = 200 mHC = 4,7 µFvC​

Um circuito RLC série com R = 165 Ω, L = 200 mH e C = 4,7 µF é ligado a um degrau de 12 V em t = 0. O capacitor está descarregado e nenhuma corrente flui antes do degrau. Encontre a frequência natural não amortecida ωn em rad/s.

R = 165 ΩL = 200 mHC = 4,7 µFV = 12 V
ωn = rad/s

3Soluções

1.Motores CC

Resposta: η = 84,9 %

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.

Potências

Pin = 48·12 = 576 W
Pdev = 42·12 = 504 W
Pout = 504 − 15 = 489 W

Rendimento

η = 489/576·100 = 84,9 %

Resposta

η = 84,9 %
2.Motores CC

Resposta: Pmax = 36 W

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.

Potência em função da fcem

P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 12 V

Potência máxima

Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 24²/(4·4) = 36 W

Resposta

Pmax = 36 W

Nesse ponto o rendimento é de apenas 50 %, por isso os motores reais funcionam bem acima da metade da velocidade.

3.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: N1 = 24

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.

Número total de dentes

N1 + N2 = 2a/m = 2·150/5 = 60

Divida pela relação

N1 = 60/(1 + 1,5) = 24

Resposta

N1 = 24
4.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: Tout = 14,53 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.

Velocidade de saída

nout = 2900·(12/32)·(36/60) = 652,5 rpm
ωout = 2π·652,5/60 = 68,33 rad/s

Potência e torque de saída

Pout = 1100·0,95² = 992,8 W
Tout = Pout/ωout = 992,8/68,33 = 14,53 N·m

Resposta

Tout = 14,53 N·m
5.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: N = 9

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.

Passos necessários

150/0,5 = 300

Bits

log₂(300) = 8,229
28 = 256 < 300 ≤ 29 = 512
N = 9

Resposta

N = 9
6.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: ΔTLSB = 0,008057 °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 = 3300/1024 = 3,223 mV

Sensibilidade no ADC

20·20 = 400 mV/°C

Resolução de temperatura

ΔTLSB = 3,223/400 = 0,008057 °C

Resposta

ΔTLSB = 0,008057 °C

O ADC atinge o fundo de escala a 8,25 °C.

7.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: Ig = −4687 µA

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.

Tensão de Thévenin

Vth = 15·(200/1000 − 20/70) = −1,286 V

Resistência de Thévenin

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 174,3 Ω

Corrente do galvanômetro

Ig = −1,286/(174,3 + 100) = −4687 µA

Resposta

Ig = −4687 µA
8.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: Vo = 4 mV

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.

Variação relativa da resistência

ΔR/R = 2·800·10⁻⁶ = 0,0016

Saída da ponte

Vo = Vs·GF·ε = 2,5·0,0016 = 4 mV

Resposta

Vo = 4 mV
9.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: K = 200

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 necessária

Kv = A/ess = 1/0,05 = 20

Ganho

K = 10·Kv = 200

Resposta

K = 200

Um ganho grande deixa esta malha muito pouco amortecida: ζ = 0,3536. Esse conflito é o motivo de se usarem compensadores.

10.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: tp = 0,6283 s

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 + 10) + 50·1 = s² + 10s + 50

ωₙ e ζ

ωₙ = √50 = 7,071 rad/s
ζ = 10/(2·7,071) = 0,7071

Tempo de pico

ωd = 7,071·√(1 − 0,7071²) = 5 rad/s
tp = π/5 = 0,6283 s

Resposta

tp = 0,6283 s
11.Resposta ao degrau

Resposta: ts = 0,7273 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 = 60 → ωₙ = 7,746 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·7,746) = 0,71

Resultado

ζωₙ = 5,5 → ts ≈ 4/5,5 = 0,7273 s

Resposta

ts = 0,7273 s
12.Resposta ao degrau

Resposta: ωn = 1031 rad/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).

Frequência natural e razão de amortecimento

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,2·4,7 × 10⁻⁶) = 1031 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (165/2)·√(4,7 × 10⁻⁶/0,2) = 0,3999

Resultado

ωₙ = 1031 rad/s

Resposta

ωn = 1031 rad/s

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