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)16 N·mn0​nFL​

Um motor CC (k = 0,8 V·s/rad, Ra = 0,25 Ω) funciona com 120 V. A plena carga ele consome 20 A. Desprezando a corrente a vazio, encontre sua regulação de velocidade SR = (n₀ − nFL)/nFL em porcentagem.

V = 120 Vk = 0,8 V·s/radRa = 0,25 ΩIFL = 20 A
SR = %
2.Motores CCDifícil
+−120 VD = ?Ra​ = 0,2 ΩM+−En = 900 rpmT = 25 N·m

Um chopper CC alimenta um motor (k = 1 V·s/rad, Ra = 0,2 Ω) a partir de um barramento CC de 120 V. A tensão média de armadura é D·120 V. Encontre a razão cíclica D que faz o motor funcionar a 900 rpm com uma carga de 25 N·m.

Vdc = 120 Vk = 1 V·s/radRa = 0,2 ΩT = 25 N·mn = 900 rpm
D = %
3.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
N1​ = 20N2​ = 50

Um motor de 3 kW girando a 2900 rpm aciona um pinhão com 20 dentes, que engrena com uma engrenagem de 50 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 96%. Calcule o torque de saída T2 no eixo da engrenagem.

P = 3 kWn1 = 2900 rpmN1 = 20N2 = 50η = 96%
T2 = N·m
4.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 150 mmd2​ = 315 mm1440 rpmC = 1200 mmT1​ = 1000 NT2​P = ?

Uma correia aberta liga uma polia motora de 150 mm a 1440 rpm a uma polia de 315 mm; os centros estão a 1200 mm de distância. O coeficiente de atrito é 0,3 e a tração no lado tracionado não pode exceder 1000 N. Encontre a maior potência P que a correia pode transmitir sem escorregar, em kW (ignore os efeitos centrífugos).

d1 = 150 mmn1 = 1440 rpmd2 = 315 mmC = 1200 mmμ = 0,3T1 = 1000 N
P = kW
5.Aquisição de dados e amostragemMédia
Vin​N = ?500 mm2ᴺ − 10≤ 0,5 mm

Um sensor mede distância em uma faixa de 500 mm, e sua saída preenche toda a faixa de entrada de um ADC. A leitura deve resolver 0,5 mm. Encontre o menor número de bits N de que o ADC precisa.

faixa = 500 mmresolução = 0,5 mm
N =
6.Aquisição de dados e amostragemDifícil
T20 mV/°C×1∿01N = 10, 3,3 V? °C/LSB

Um sensor de temperatura fornece 20 mV/°C (0 V a 0 °C). Seu sinal é amplificado 1 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 = 1N = 10VFSR = 3,3 V
ΔTLSB = °C
7.Ponte de Wheatstone e extensômetrosMédia
+−6 V250 Ω250 Ω250 Ω250 Ωab+−

Um extensômetro de 250 Ω é um braço (R₂) de uma ponte com quatro braços iguais de 250 Ω e uma excitação de 6 V. Encontre a potência Pg dissipada no extensômetro, em mW. O autoaquecimento limita a excitação.

Vs = 6 VR = 250 Ω
Pg = mW
8.Ponte de Wheatstone e extensômetrosDifícil
+−10 V1000 Ω − ΔR1000 Ω + ΔR1000 Ω + ΔR1000 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

Uma ponte com braços de 1000 Ω é excitada com 10 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 1200 µε. Encontre a saída da ponte Vo em mV.

Vs = 10 VGF = 2ε = 1200 µε
Vo = mV
9.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
r(t) = 3t+50(s + 3)s(s + 4)(s + 5)C(s)−

Uma rampa r(t) = 3t é aplicada a uma malha com realimentação unitária com G(s) = 50(s + 3)/(s(s + 4)(s + 5)). Encontre o erro em regime permanente ess.

G(s) = 50(s + 3)/(s(s + 4)(s + 5))r(t) = 3t
ess =
10.Erro em regime permanente e controle PIDDifícil
R(s)+Kp​ + Ki​/s4s + 5C(s)−

Um controlador PI C(s) = Kp + Ki/s controla a planta G(s) = 4/(s + 5) em uma malha com realimentação unitária. A malha fechada deve ter ωₙ = 6 rad/s e ζ = 0,8. Encontre o ganho proporcional Kp.

G(s) = 4/(s + 5)ωₙ = 6 rad/sζ = 0,8
Kp =
11.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)3tp​ = ?

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 144/(s² + 10s + 48) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o tempo de pico tp da resposta ao degrau.

G(s) = 144/(s² + 10s + 48)
tp = s
12.Resposta ao degrauDifícil
+−24 VR = 40 ΩL = 20 mHC = 2 µFvC​

Um circuito RLC série com R = 40 Ω, L = 20 mH e C = 2 µF é ligado a um degrau de 24 V em t = 0. O capacitor está descarregado e nenhuma corrente flui antes do degrau. Encontre o sobressinal percentual %OS da tensão do capacitor.

R = 40 ΩL = 20 mHC = 2 µFV = 24 V
%OS = %

3Soluções

1.Motores CC

Resposta: SR = 4,348 %

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 = 60·120/(2π·0,8) = 1432 rpm
nFL = 60·(120 − 20·0,25)/(2π·0,8) = 1373 rpm

Regulação de velocidade

SR = (1432 − 1373)/1373·100 = 4,348 %

Resposta

SR = 4,348 %
2.Motores CC

Resposta: D = 82,71 %

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 = 1·94,25 + 25·0,2 = 99,25 V

Ciclo de trabalho

D = 99,25/120 = 82,71 %

Resposta

D = 82,71 %
3.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T2 = 23,71 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·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 3000/303,7 = 9,879 N·m

Torque de saída

T2 = 9,879·50/20·0,96 = 23,71 N·m

Resposta

T2 = 23,71 N·m
4.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 6,717 kW

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 de abraçamento

θ = 3,004 rad

Tração do lado frouxo

eμθ = e0,9012 = 2,463, T₂ = 1000/2,463 = 406,1 N

Potência

P = (1000 − 406,1)·11,31 = 6,717 kW

Resposta

P = 6,717 kW
5.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: N = 10

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

500/0,5 = 1000

Bits

log₂(1000) = 9,966
29 = 512 < 1000 ≤ 210 = 1024
N = 10

Resposta

N = 10
6.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: ΔTLSB = 0,1611 °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

20·1 = 20 mV/°C

Resolução de temperatura

ΔTLSB = 3,223/20 = 0,1611 °C

Resposta

ΔTLSB = 0,1611 °C

O ADC atinge o fundo de escala a 165 °C.

7.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: Pg = 36 mW

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 sobre o extensômetro

V = 6/2 = 3 V

Potência

Pg = 3²/250 = 36 mW

Resposta

Pg = 36 mW
8.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: Vo = 24 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 = 2·1200·10⁻⁶ = 0,0024

Saída da ponte

Vo = Vs·GF·ε = 10·0,0024 = 24 mV

Resposta

Vo = 24 mV
9.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: ess = 0,4

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) = 7,5

Erro de rampa

ess = 3/7,5 = 0,4

Resposta

ess = 0,4
10.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: Kp = 1,15

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 + 5).

s² + (5 + 4Kp)s + 4Ki

Polinômio desejado

s² + 2·0,8·6s + 6² = s² + 9,6s + 36

Iguale os coeficientes

5 + 4Kp = 9,6 → Kp = 1,15

Resposta

Kp = 1,15

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

11.Resposta ao degrau

Resposta: tp = 0,6551 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 = 48 → ωₙ = 6,928 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·6,928) = 0,7217

Resultado

ωd = 6,928·√(1 − 0,7217²) = 4,796 rad/s → tp = π/ωd = 0,6551 s

Resposta

tp = 0,6551 s
12.Resposta ao degrau

Resposta: %OS = 52,66 %

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/√(0,02·2 × 10⁻⁶) = 5000 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (40/2)·√(2 × 10⁻⁶/0,02) = 0,2

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 52,66 %

Resposta

%OS = 52,66 %

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