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)Tst​ = ?n0​

Um motor CC com k = 0,75 N·m/A e Ra = 2 Ω está ligado a 120 V. Encontre seu torque de travamento Tstall, o torque com velocidade zero.

V = 120 Vk = 0,75 N·m/ARa = 2 Ω
Tstall = N·m
2.Motores CCDifícil
+−220 VRs​ = ?Ra​ = 0,4 ΩM+−En = 1200 rpmT = 15 N·m

Um motor CC (k = 0,6 V·s/rad, Ra = 0,4 Ω) em uma alimentação fixa de 220 V aciona uma carga de 15 N·m. Encontre a resistência em série Rs que o reduz a 1200 rpm.

V = 220 Vk = 0,6 V·s/radRa = 0,4 ΩT = 15 N·mn = 1200 rpm
Rs = Ω
3.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
d1​ = 200 mmd2​ = 500 mm2880 rpmn2​ = ?

Uma polia de 200 mm a 2880 rpm aciona uma polia de 500 mm por uma correia com 3 % de escorregamento. Encontre a velocidade n2 da polia movida.

n1 = 2880 rpmd1 = 200 mmd2 = 500 mms = 3 %
n2 = rpm
4.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 120 mmd2​ = 450 mm1450 rpmC = 500 mmT1​ = 1000 NT2​P = ?

Uma correia aberta liga uma polia motora de 120 mm a 1450 rpm a uma polia de 450 mm; os centros estão a 500 mm de distância. O coeficiente de atrito é 0,35 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 = 120 mmn1 = 1450 rpmd2 = 450 mmC = 500 mmμ = 0,35T1 = 1000 N
P = kW
5.Aquisição de dados e amostragemMédia
Vin​N = 8VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Encontre a relação sinal-ruído de quantização ideal SQNR de um ADC de 8 bits para uma senoide de fundo de escala.

N = 8
SQNR = dB
6.Aquisição de dados e amostragemDifícil
f0fs​/2fs​1,5 kHz5f₁?

Uma onda quadrada de 1,5 kHz é amostrada a 10 kHz sem filtro antialiasing. Uma onda quadrada contém os harmônicos ímpares 3f₁, 5f₁, 7f₁, … Em que frequência fa o harmônico 5f₁ aparece nos dados amostrados? Dê em kHz.

f₁ = 1,5 kHzfs = 10 kHzharmônico: 5f₁
fa = kHz
7.Ponte de Wheatstone e extensômetrosMédia
+−9 V100 Ω100 Ω + ΔR100 Ω100 Ωab+−214,3 mV

Uma ponte com quatro braços de 100 Ω é alimentada com 9 V. Quando o sensor R₂ varia, a saída marca Vab = 214,3 mV. Encontre a variação exata ΔR de R₂.

Vs = 9 VR = 100 ΩVab = 214,3 mV
ΔR = Ω
8.Ponte de Wheatstone e extensômetrosDifícil
+−5 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−1,875 mV

Um quarto de ponte com um extensômetro ativo (GF = 2) é excitado com 5 V. Sob carga a saída marca 1,875 mV. Encontre a deformação ε em µε.

Vs = 5 VGF = 2Vo = 1,875 mV
ε = µε
9.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
r(t) = 0,5t+5(s + 1)s(s + 2)(s + 4)C(s)−

Uma rampa r(t) = 0,5t é aplicada a uma malha com realimentação unitária com G(s) = 5(s + 1)/(s(s + 2)(s + 4)). Encontre o erro em regime permanente ess.

G(s) = 5(s + 1)/(s(s + 2)(s + 4))r(t) = 0,5t
ess =
10.Erro em regime permanente e controle PIDDifícil
R(s)+K = 402s(s + 10)C(s)−

Um controlador proporcional K = 40 controla a planta G(s) = 2/(s(s + 10)) em uma malha com realimentação unitária. Encontre o tempo de acomodação de 2 % ts da resposta ao degrau, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 2/(s(s + 10))K = 40
ts = s
11.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)1tp​ = ?

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 48/(s² + 3s + 48) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o tempo de pico tp da resposta ao degrau.

G(s) = 48/(s² + 3s + 48)
tp = s
12.Resposta ao degrauDifícil
R(s)+220s(s + 8)G(s)C(s)−

Uma malha de realimentação negativa unitária tem G(s) = 220/(s(s + 8)). Encontre o tempo de acomodação de 2 % ts da resposta ao degrau de malha fechada, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 220/(s(s + 8))
ts = s

3Soluções

1.Motores CC

Resposta: Tstall = 45 N·m

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 travamento

Ia = V/Ra = 120/2 = 60 A

Torque de travamento

Tstall = 0,75·60 = 45 N·m

Resposta

Tstall = 45 N·m
2.Motores CC

Resposta: Rs = 5,384 Ω

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 e fcem

Ia = 15/0,6 = 25 A
E = 0,6·125,7 = 75,4 V

Resistência em série

Ra + Rs = (220 − 75,4)/25 = 5,784 Ω
Rs = 5,384 Ω

Resposta

Rs = 5,384 Ω

O resistor desperdiça 3365 W; um chopper controla a velocidade com muito menos perdas.

3.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: n2 = 1117 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

2880·200/500 = 1152 rpm

Com escorregamento

n2 = 1152·0,97 = 1117 rpm

Resposta

n2 = 1117 rpm
4.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 5,271 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 = 2,469 rad

Tração do lado frouxo

eμθ = e0,8641 = 2,373, T₂ = 1000/2,373 = 421,4 N

Potência

P = (1000 − 421,4)·9,111 = 5,271 kW

Resposta

P = 5,271 kW
5.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: SQNR = 49,92 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 = 6,02·8 + 1,76 = 49,92 dB

Resposta

SQNR = 49,92 dB
6.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: fa = 2,5 kHz

Amostragem: um ADC mede o sinal fs vezes por segundo. Pelo teorema de Nyquist–Shannon, uma frequência f só é capturada corretamente enquanto f < fs/2, a frequência de Nyquist (de dobramento), de modo que a taxa de amostragem deve superar o dobro da maior frequência do sinal. Uma frequência mais alta não se perde: ela aparece como um alias em fa = |f − k·fs|, com o número inteiro k que leva o resultado para entre 0 e fs/2. As amostras não distinguem as duas, então um filtro analógico antialiasing deve remover tudo acima de fs/2 antes do ADC.

Frequência do harmônico

5f₁ = 5·1,5 kHz = 7,5 kHz

Múltiplo mais próximo da taxa de amostragem

m = round(0,75) = 1

Frequência de aliasing

fa = |7,5 − 1·10| = 2,5 kHz

Resposta

fa = 2,5 kHz

O alias cai dentro da banda do sinal, onde nenhum filtro digital consegue removê-lo. Só um filtro analógico antes do ADC ajuda.

7.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: ΔR = 10 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 = 4,5 + 0,2143 = 4,714 V

Resolva o divisor

R₂ = 100·4,714/(9 − 4,714) = 110 Ω
ΔR = 110 − 100 = 10 Ω

Resposta

ΔR = 10 Ω
8.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: ε = 750 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.

Resolva a equação do quarto de ponte

ε = 4·0,001875/(5·2) = 0,00075

Em microdeformação

ε = 750 µε

Resposta

ε = 750 µε
9.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: ess = 0,8

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) = 0,625

Erro de rampa

ess = 0,5/0,625 = 0,8

Resposta

ess = 0,8
10.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: ts = 0,8 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) + 40·2 = s² + 10s + 80

ωₙ e ζ

ωₙ = √80 = 8,944 rad/s
ζ = 10/(2·8,944) = 0,559

Tempo de acomodação

ζωₙ = 10/2 = 5
ts ≈ 4/5 = 0,8 s

Resposta

ts = 0,8 s

O tempo de acomodação não depende de K aqui: aumentar K só faz a resposta oscilar mais rápido.

11.Resposta ao degrau

Resposta: tp = 0,4645 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 = 3 → ζ = 3/(2·6,928) = 0,2165

Resultado

ωd = 6,928·√(1 − 0,2165²) = 6,764 rad/s → tp = π/ωd = 0,4645 s

Resposta

tp = 0,4645 s
12.Resposta ao degrau

Resposta: ts = 1 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) = 220/(s² + 8s + 220): ωₙ = 14,83 rad/s, ζ = 0,2697

Tempo de acomodação

ζωₙ = 8/2 = 4
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 1 s

Resposta

ts = 1 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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