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​ = 6 AM+−EωT

Um motor CC consome 6 A de uma alimentação de 48 V. Sua resistência de armadura é 0,5 Ω e suas perdas rotacionais (atrito, ventilação e ferro) são 14 W. Encontre seu rendimento η.

V = 48 VIa = 6 ARa = 0,5 ΩProt = 14 W
η = %
2.Motores CCDifícil
+−240 VD = ?Ra​ = 0,5 ΩM+−En = 800 rpmT = 48 N·m

Um chopper CC alimenta um motor (k = 1,2 V·s/rad, Ra = 0,5 Ω) a partir de um barramento CC de 240 V. A tensão média de armadura é D·240 V. Encontre a razão cíclica D que faz o motor funcionar a 800 rpm com uma carga de 48 N·m.

Vdc = 240 Vk = 1,2 V·s/radRa = 0,5 ΩT = 48 N·mn = 800 rpm
D = %
3.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
N1​ = 24N2​ = 48

Um motor de 4 kW girando a 960 rpm aciona um pinhão com 24 dentes, que engrena com uma engrenagem de 48 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 97%. Calcule o torque de saída T2 no eixo da engrenagem.

P = 4 kWn1 = 960 rpmN1 = 24N2 = 48η = 97%
T2 = N·m
4.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 24B = 50C = 40D = 50

Um motor de 1,1 kW a 2900 rpm aciona a engrenagem A (24 dentes), que engrena com a engrenagem B (50 dentes). A engrenagem C (40 dentes), no mesmo eixo de B, aciona a engrenagem D (50 dentes) no eixo de saída. Cada engrenamento tem eficiência de 97%. Encontre o torque de saída Tout.

P = 1,1 kWnin = 2900 rpmA = 24B = 50C = 40D = 50ηmesh = 97%
Tout = N·m
5.Aquisição de dados e amostragemMédia
Vin​N = 1210 V2ᴺ − 101 LSB6,002 V?

Um ADC de 12 bits com faixa de entrada de 0 a 10 V trunca: seu código de saída é ⌊Vin/LSB⌋ com 1 LSB = VFSR/2ᴺ. Encontre o código de saída decimal D para uma entrada de 6,002 V.

N = 12VFSR = 10 VVin = 6,002 V
D =
6.Aquisição de dados e amostragemDifícil
124⋮4 ch∿01tc​ = 4 µstset​ = 2 µsfs​ = ?

Um multiplexador de 4 canais alimenta um único ADC. Cada conversão leva 4 µs e, após cada troca de canal, a entrada precisa de 2 µs para se estabilizar. Os canais são varridos em sequência, sem pausa. Encontre a taxa de amostragem fs de cada canal, em kHz.

n = 4tc = 4 µstset = 2 µs
fs = kHz
7.Ponte de Wheatstone e extensômetrosMédia
+−15 V470 Ω470 Ω + ΔR470 Ω470 Ωab+−Vab​ = ?

Uma ponte tem quatro braços de 470 Ω e Vs = 15 V. O sensor R₂ aumenta de ΔR = 4,7 Ω. Usando a aproximação para pequenas variações, encontre a saída Vab em mV.

Vs = 15 VR = 470 ΩΔR = 4,7 Ω
Vab = mV
8.Ponte de Wheatstone e extensômetrosDifícil
+−V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−

Um extensômetro de 1000 Ω com fator 2 está colado a uma barra de aço. Sob carga sua resistência aumenta 1,6 Ω. Encontre a deformação ε em microdeformação (µε).

R = 1000 ΩGF = 2ΔR = 1,6 Ω
ε = µε
9.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
r(t) = 2t+4(s + 4)s(s + 4)(s + 5)C(s)−

Uma rampa r(t) = 2t é aplicada a uma malha com realimentação unitária com G(s) = 4(s + 4)/(s(s + 4)(s + 5)). Encontre o erro em regime permanente ess.

G(s) = 4(s + 4)/(s(s + 4)(s + 5))r(t) = 2t
ess =
10.Erro em regime permanente e controle PIDDifícil
R(s)+25 + Kd​s1s(s + 2)C(s)−

Um controlador PD C(s) = 25 + Kd·s controla a planta G(s) = 1/(s(s + 2)) em uma malha com realimentação unitária. Encontre o ganho derivativo Kd que dá à malha fechada um coeficiente de amortecimento ζ = 0,8.

G(s) = 1/(s(s + 2))Kp = 25ζ = 0,8
Kd = s
11.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)1ts​ = ?

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 65/(s² + 11s + 65) 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) = 65/(s² + 11s + 65)
ts = s
12.Resposta ao degrauDifícil
R(s)+Ks(s + 12)G(s)C(s)−

Uma malha de realimentação negativa unitária tem G(s) = K/(s(s + 12)). Encontre o ganho K que dá uma resposta ao degrau com 25 % de sobressinal.

G(s) = K/(s(s + 12))%OS = 25 %
K =

3Soluções

1.Motores CC

Resposta: η = 88,89 %

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 = 48·6 = 288 W
Pdev = 45·6 = 270 W
Pout = 270 − 14 = 256 W

Rendimento

η = 256/288·100 = 88,89 %

Resposta

η = 88,89 %
2.Motores CC

Resposta: D = 50,22 %

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.

Tensão de armadura necessária

Va = 1,2·83,78 + 40·0,5 = 120,5 V

Ciclo de trabalho

D = 120,5/240 = 50,22 %

Resposta

D = 50,22 %
3.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T2 = 77,19 N·m

Trens de engrenagens: engrenagens acopladas têm a mesma velocidade nos dentes, então n₁·N₁ = n₂·N₂: a engrenagem com menos dentes gira mais rápido. Engrenagens no mesmo eixo giram com a mesma rotação. A potência é transmitida (menos as perdas), então o torque aumenta quando a rotação diminui: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, e P = T·ω com ω = 2π·n/60.

Torque do motor

ω₁ = 2π·960/60 = 100,5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 4000/100,5 = 39,79 N·m

Torque de saída

T2 = 39,79·48/24·0,97 = 77,19 N·m

Resposta

T2 = 77,19 N·m
4.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: Tout = 8,875 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·(24/50)·(40/50) = 1114 rpm
ωout = 2π·1114/60 = 116,6 rad/s

Potência e torque de saída

Pout = 1100·0,97² = 1035 W
Tout = Pout/ωout = 1035/116,6 = 8,875 N·m

Resposta

Tout = 8,875 N·m
5.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: D = 2458

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 = 10/212 = 2,441 mV

Código

Vin/LSB = 6002/2,441 = 2458
código = ⌊2458⌋ = 2458

Resposta

D = 2458

Em binário, isso é 100110011010.

6.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: fs = 41,67 kHz

Taxas de dados: cada canal fornece fs amostras por segundo de N bits, então a taxa bruta é canais × fs × N bit/s. Na memória, uma amostra ocupa bytes inteiros (uma amostra de 12 bits é armazenada em 2 bytes), então a memória para uma gravação é canais × fs × bytes por amostra × tempo. Um ADC multiplexado converte os canais um após o outro: cada conversão (com o tempo de estabilização) leva t, então uma rodada de n canais leva n·t e cada canal é amostrado a 1/(n·t).

Tempo por canal

4 + 2 = 6 µs

Tempo por varredura

4·6 = 24 µs

Taxa de amostragem por canal

fs = 1/24 µs = 41,67 kHz

Resposta

fs = 41,67 kHz
7.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: Vab = 37,5 mV

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.

Variação relativa

ΔR/R = 4,7/470 = 0,01

Saída linearizada

Vab ≈ 15·0,01/4 = 37,5 mV

Resposta

Vab = 37,5 mV

O valor exato é 37,31 mV; a aproximação é boa enquanto ΔR/R for pequeno.

8.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: ε = 800 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.

Variação relativa da resistência

ΔR/R = 1,6/1000 = 0,0016

Deformação

ε = 0,0016/2 = 0,0008 = 800 µε

Resposta

ε = 800 µε
9.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: ess = 2,5

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) = 0,8

Erro de rampa

ess = 2/0,8 = 2,5

Resposta

ess = 2,5
10.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: Kd = 6 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 + 2) + 1(25 + Kds) = s² + (2 + 1Kd)s + 25

Frequência natural

ωₙ = √25 = 5 rad/s

Ganho derivativo

2 + 1Kd = 2·0,8·5 = 8
Kd = 6 s

Resposta

Kd = 6 s

O termo derivativo acrescenta amortecimento sem alterar ωₙ.

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 = 65 → ωₙ = 8,062 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·8,062) = 0,6822

Resultado

ζωₙ = 5,5 → ts ≈ 4/5,5 = 0,7273 s

Resposta

ts = 0,7273 s
12.Resposta ao degrau

Resposta: K = 220,9

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 + 12s + K)

Razão de amortecimento a partir do sobressinal

ζ = −ln(0,25)/√(π² + ln²(0,25)) = 0,4037

Ganho

ωₙ = 12/(2ζ) = 14,86 rad/s
K = ωₙ² = 220,9

Resposta

K = 220,9

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