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)1,2 N·mn0​n = ?

Um motor CC (k = 0,6 N·m/A, Ra = 2 Ω) funciona com 110 V e aciona um torque de carga de 1,2 N·m. Encontre sua velocidade n em rpm.

V = 110 Vk = 0,6 N·m/ARa = 2 ΩT = 1,2 N·m
n = rpm
2.Motores CCDifícil
+−110 VRa​ = 0,25 ΩIa​: 15 → 22,5 AM+−En = ?T

Um motor CC de excitação independente em 110 V (Ra = 0,25 Ω) gira a 1000 rpm com uma corrente de armadura de 15 A. A carga muda e a corrente passa a 22,5 A, com o campo inalterado. Encontre a nova velocidade n2.

V = 110 VRa = 0,25 Ωn1 = 1000 rpmIa1 = 15 AIa2 = 22,5 A
n2 = rpm
3.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
d1​ = 160 mmd2​ = 250 mm2880 rpmn2​ = ?

Uma polia de 160 mm a 2880 rpm aciona uma polia de 250 mm por uma correia com 1,5 % de escorregamento. Encontre a velocidade n2 da polia movida.

n1 = 2880 rpmd1 = 160 mmd2 = 250 mms = 1,5 %
n2 = rpm
4.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 36B = 72C = 25D = 30

Um motor de 4 kW a 2900 rpm aciona a engrenagem A (36 dentes), que engrena com a engrenagem B (72 dentes). A engrenagem C (25 dentes), no mesmo eixo de B, aciona a engrenagem D (30 dentes) no eixo de saída. Cada engrenamento tem eficiência de 97%. Encontre o torque de saída Tout.

P = 4 kWnin = 2900 rpmA = 36B = 72C = 25D = 30ηmesh = 97%
Tout = N·m
5.Aquisição de dados e amostragemMédia
Vin​N = 20VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Encontre a relação sinal-ruído de quantização ideal SQNR de um ADC de 20 bits para uma senoide de fundo de escala.

N = 20
SQNR = dB
6.Aquisição de dados e amostragemDifícil
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​1/fbaud​4 MHz / (16·D)

Um microcontrolador com clock de 4 MHz define sua taxa de baud da UART como fclk/(16·D), com D um número inteiro arredondado para o valor mais próximo. O alvo é 2400 baud. Encontre o erro percentual da taxa de baud real (positivo quando ela é rápida demais).

fclk = 4 MHzalvo = 2400 Bd
e = %
7.Ponte de Wheatstone e extensômetrosMédia
+−3 V300 Ω300 Ω + ΔR300 Ω300 Ωab+−71,43 mV

Uma ponte com quatro braços de 300 Ω é alimentada com 3 V. Quando o sensor R₂ varia, a saída marca Vab = 71,43 mV. Encontre a variação exata ΔR de R₂.

Vs = 3 VR = 300 ΩVab = 71,43 mV
ΔR = Ω
8.Ponte de Wheatstone e extensômetrosDifícil
+−5 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−Vo​

Um quarto de ponte (um extensômetro ativo, GF = 2,05) é excitado com 5 V. A maior deformação a ser medida é 1200 µε, e ela deve resultar em 5 V na entrada de um conversor analógico-digital. Encontre o ganho do amplificador G.

Vs = 5 VGF = 2,05εmax = 1200 µεVFS = 5 V
G =
9.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
r(t) = 5 + 4t+20(s + 3)s(s + 1)C(s)−

A entrada r(t) = 5 + 4t (um degrau mais uma rampa) é aplicada a uma malha com realimentação unitária com G(s) = 20(s + 3)/(s(s + 1)). Encontre o erro em regime permanente ess.

G(s) = 20(s + 3)/(s(s + 1))r(t) = 5 + 4t
ess =
10.Erro em regime permanente e controle PIDDifícil
R(s)+Kp​ + Ki​/s2s + 4C(s)−

Um controlador PI C(s) = Kp + Ki/s controla a planta G(s) = 2/(s + 4) em uma malha com realimentação unitária. A malha fechada deve ter ωₙ = 5 rad/s e ζ = 0,5. Encontre o ganho proporcional Kp.

G(s) = 2/(s + 4)ωₙ = 5 rad/sζ = 0,5
Kp =
11.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)0,5

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 36,5/(s² + 8s + 73) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre a frequência natural ωn em rad/s.

G(s) = 36,5/(s² + 8s + 73)
ωn = rad/s
12.Resposta ao degrauDifícil
R(s)+Ks(s + 16)G(s)C(s)−

Uma malha de realimentação negativa unitária tem G(s) = K/(s(s + 16)). Encontre o ganho K que dá uma resposta ao degrau com 10 % de sobressinal.

G(s) = K/(s(s + 16))%OS = 10 %
K =

3Soluções

1.Motores CC

Resposta: n = 1687 rpm

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.

Corrente de armadura

Ia = T/k = 1,2/0,6 = 2 A

fcem e velocidade

E = 110 − 2·2 = 106 V
ω = E/k = 176,7 rad/s → n = 1687 rpm

Resposta

n = 1687 rpm
2.Motores CC

Resposta: n2 = 982,4 rpm

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.

fcem antes e depois

E1 = 110 − 15·0,25 = 106,3 V
E2 = 110 − 22,5·0,25 = 104,4 V

Nova velocidade

n2 = 1000·104,4/106,3 = 982,4 rpm

Resposta

n2 = 982,4 rpm
3.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: n2 = 1816 rpm

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.

Velocidade sem escorregamento

2880·160/250 = 1843 rpm

Com escorregamento

n2 = 1843·0,985 = 1816 rpm

Resposta

n2 = 1816 rpm
4.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: Tout = 29,74 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·(36/72)·(25/30) = 1208 rpm
ωout = 2π·1208/60 = 126,5 rad/s

Potência e torque de saída

Pout = 4000·0,97² = 3764 W
Tout = Pout/ωout = 3764/126,5 = 29,74 N·m

Resposta

Tout = 29,74 N·m
5.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: SQNR = 122,2 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 = 6,02·20 + 1,76 = 122,2 dB

Resposta

SQNR = 122,2 dB
6.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: e = 0,1603 %

UART: um enlace serial assíncrono envia cada byte como um quadro: um bit de início (baixo), os bits de dados, um bit de paridade opcional e um ou dois bits de parada (alto). A taxa de baud é o número de bits por segundo, então um bit dura Tb = 1/baud e um quadro de n bits dura n/baud. O formato comum 8N1 tem 10 bits por byte. O gerador de baud divide o clock: baud = fclk/(16·D) com um número inteiro D, então a taxa de baud real difere um pouco da desejada; um erro abaixo de cerca de 2 % costuma ser aceitável.

Divisor

D = 4·10⁶/(16·2400) = 104,2 → 104

Taxa de baud real

4·10⁶/(16·104) = 2404 Bd

Erro

(2404 − 2400)/2400·100 = 0,1603 %

Resposta

e = 0,1603 %

Um erro abaixo de cerca de 2 % costuma ser aceitável.

7.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: ΔR = 30 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.

Tensão do nó

Va = 1,5 + 0,07143 = 1,571 V

Resolva o divisor

R₂ = 300·1,571/(3 − 1,571) = 330 Ω
ΔR = 330 − 300 = 30 Ω

Resposta

ΔR = 30 Ω
8.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: G = 1626

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.

Saída da ponte em fundo de escala

Vo = 3,075 mV

Ganho

G = 5/0,003075 = 1626

Resposta

G = 1626
9.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: ess = 0,06667

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) = 60

Parte do degrau

Kp = ∞ → estep = 0

Erro de rampa

ess = 4/60 = 0,06667

Resposta

ess = 0,06667
10.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: Kp = 0,5

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

1 + C(s)G(s) = 0, multiplicada por s(s + 4).

s² + (4 + 2Kp)s + 2Ki

Polinômio desejado

s² + 2·0,5·5s + 5² = s² + 5s + 25

Iguale os coeficientes

4 + 2Kp = 5 → Kp = 0,5

Resposta

Kp = 0,5

O termo integral torna a malha do tipo 1, então um degrau é seguido sem erro em regime permanente.

11.Resposta ao degrau

Resposta: ωn = 8,544 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).

Compare com a forma padrão

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

ωₙ² = 73 → ωₙ = 8,544 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·8,544) = 0,4682

Resultado

ωₙ = 8,544 rad/s

Resposta

ωn = 8,544 rad/s
12.Resposta ao degrau

Resposta: K = 183,1

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 + 16s + K)

Razão de amortecimento a partir do sobressinal

ζ = −ln(0,1)/√(π² + ln²(0,1)) = 0,5912

Ganho

ωₙ = 16/(2ζ) = 13,53 rad/s
K = ωₙ² = 183,1

Resposta

K = 183,1

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