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)3 N·mn0​nFL​

Um motor CC (k = 0,25 V·s/rad, Ra = 0,25 Ω) funciona com 48 V. A plena carga ele consome 12 A. Desprezando a corrente a vazio, encontre sua regulação de velocidade SR = (n₀ − nFL)/nFL em porcentagem.

V = 48 Vk = 0,25 V·s/radRa = 0,25 ΩIFL = 12 A
SR = %
2.Motores CCDifícil
T (N·m)n (rpm)3 N·m400 rpm

Um motor CC com k = 0,5 V·s/rad e Ra = 0,8 Ω deve acionar uma carga de 3 N·m a 400 rpm. Encontre a tensão de armadura V de que ele precisa.

k = 0,5 V·s/radRa = 0,8 ΩT = 3 N·mn = 400 rpm
V = V
3.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
d1​ = 100 mmd2​ = 450 mm720 rpmn2​ = ?

Uma polia de 100 mm a 720 rpm aciona uma polia de 450 mm por uma correia com 2,5 % de escorregamento. Encontre a velocidade n2 da polia movida.

n1 = 720 rpmd1 = 100 mmd2 = 450 mms = 2,5 %
n2 = rpm
4.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
Ns​ = 18nr​ = ?Np​ = 24porta-satélites fixo

Em um trem de engrenagens planetário a engrenagem solar tem 18 dentes e cada satélite tem 24 dentes. O porta-satélites é mantido fixo e a solar é acionada a 1440 rpm. Encontre a rotação nr da coroa (em módulo).

Ns = 18Np = 24ns = 1440 rpm
nr = rpm
5.Aquisição de dados e amostragemMédia
Vin​N = ?5 V2ᴺ − 10≤ 0,2 mV

Um ADC com faixa de entrada de 0 a 5 V deve resolver passos de 0,2 mV ou menores. Encontre o menor número de bits N.

VFSR = 5 Vresolução = 0,2 mV
N =
6.Aquisição de dados e amostragemDifícil
T20 mV/°C×10∿01N = 12, 10 V? °C/LSB

Um sensor de temperatura fornece 20 mV/°C (0 V a 0 °C). Seu sinal é amplificado 10 vezes e entra em um ADC de 12 bits com faixa de 0 a 10 V (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Encontre a variação de temperatura ΔTLSB que corresponde a um LSB.

S = 20 mV/°CG = 10N = 12VFSR = 10 V
ΔTLSB = °C
7.Ponte de Wheatstone e extensômetrosMédia
+−10 VR1​ = 300 ΩR2​ = 1000 ΩR3​ = 200 ΩR4​ = 50 ΩabGRg​ = 200 Ω

Um galvanômetro com resistência de 200 Ω é ligado entre a e b da ponte mostrada (Vs = 10 V). Encontre a corrente do galvanômetro Ig de a para b, em µA.

Vs = 10 VR1 = 300 ΩR2 = 1000 ΩR3 = 200 ΩR4 = 50 ΩRg = 200 Ω
Ig = µA
8.Ponte de Wheatstone e extensômetrosDifícil
+−2,5 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−Vo​ = ?

Uma ponte com braços de 1000 Ω é excitada com 2,5 V e tem um extensômetro ativo (um quarto de ponte). O fator do extensômetro é 2,1 e a deformação é 400 µε. Encontre a saída da ponte Vo em mV.

Vs = 2,5 VGF = 2,1ε = 400 µε
Vo = mV
9.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
r(t) = 1t+Ks(s + 1)C(s)−

Uma malha com realimentação unitária com G(s) = K/(s(s + 1)) 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 + 1))r(t) = 1tess = 0,05
K =
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 = 6 rad/s e ζ = 0,5. Encontre o ganho proporcional Kp.

G(s) = 2/(s + 4)ωₙ = 6 rad/sζ = 0,5
Kp =
11.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)2ts​ = ?

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 158/(s² + 3s + 79) 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) = 158/(s² + 3s + 79)
ts = s
12.Resposta ao degrauDifícil
R(s)+115s(s + 4)G(s)C(s)−

Uma malha de realimentação negativa unitária tem G(s) = 115/(s(s + 4)). Encontre o tempo de acomodação de 2 % ts da resposta ao degrau de malha fechada, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 115/(s(s + 4))
ts = s

3Soluções

1.Motores CC

Resposta: SR = 6,667 %

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·0,25) = 1833 rpm
nFL = 60·(48 − 12·0,25)/(2π·0,25) = 1719 rpm

Regulação de velocidade

SR = (1833 − 1719)/1719·100 = 6,667 %

Resposta

SR = 6,667 %
2.Motores CC

Resposta: V = 25,74 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 = 0,5·41,89 = 20,94 V

Corrente de armadura

Ia = 3/0,5 = 6 A

Tensão de armadura

V = 20,94 + 6·0,8 = 25,74 V

Resposta

V = 25,74 V
3.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: n2 = 156 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

720·100/450 = 160 rpm

Com escorregamento

n2 = 160·0,975 = 156 rpm

Resposta

n2 = 156 rpm
4.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nr = 392,7 rpm

Trens de engrenagens planetários: as rotações da solar, da coroa e do porta-satélites estão ligadas pela equação de Willis (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns: visto do porta-satélites, o conjunto é um trem comum com os satélites como engrenagens intermediárias. Manter um membro fixo transforma o conjunto em um redutor de relação única.

Dentes da coroa

Nr = Ns + 2·Np = 18 + 2·24 = 66

Equação de Willis com o porta-satélites fixo

Com nc = 0 a solar aciona a coroa através dos satélites, que funcionam como engrenagens intermediárias.

nr = −ns·Ns/Nr = −1440·18/66 = −392,7 rpm
|nr| = 392,7 rpm

Resposta

nr = 392,7 rpm

A coroa gira no sentido oposto ao da solar.

5.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: N = 15

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

5000 mV/0,2 mV = 25000

Bits

log₂(25000) = 14,61
214 = 16384 < 25000 ≤ 215 = 32768
N = 15

Resposta

N = 15
6.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: ΔTLSB = 0,01221 °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 = 10000/4096 = 2,441 mV

Sensibilidade no ADC

20·10 = 200 mV/°C

Resolução de temperatura

ΔTLSB = 2,441/200 = 0,01221 °C

Resposta

ΔTLSB = 0,01221 °C

O ADC atinge o fundo de escala a 50 °C.

7.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: Ig = 12092 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 = 10·(1000/1300 − 50/250) = 5,692 V

Resistência de Thévenin

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 270,8 Ω

Corrente do galvanômetro

Ig = 5,692/(270,8 + 200) = 12092 µA

Resposta

Ig = 12092 µA
8.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: Vo = 0,525 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 = 2,1·400·10⁻⁶ = 0,00084

Saída da ponte

Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 2,5·0,00084/4 = 0,525 mV

Resposta

Vo = 0,525 mV
9.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: K = 20

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 = 1·Kv = 20

Resposta

K = 20

Um ganho grande deixa esta malha muito pouco amortecida: ζ = 0,1118. Esse conflito é o motivo de se usarem compensadores.

10.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: Kp = 1

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 + 2·0,5·6s + 6² = s² + 6s + 36

Iguale os coeficientes

4 + 2Kp = 6 → Kp = 1

Resposta

Kp = 1

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

11.Resposta ao degrau

Resposta: ts = 2,667 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 = 79 → ωₙ = 8,888 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·8,888) = 0,1688

Resultado

ζωₙ = 1,5 → ts ≈ 4/1,5 = 2,667 s

Resposta

ts = 2,667 s
12.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).

Função de transferência de malha fechada

T(s) = 115/(s² + 4s + 115): ωₙ = 10,72 rad/s, ζ = 0,1865

Tempo de acomodação

ζωₙ = 4/2 = 2
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 2 s

Resposta

ts = 2 s

Nesta malha ζωₙ = a/2 seja qual for K: aumentar K aumenta o sobressinal, mas não encurta o tempo de acomodação.

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