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)0,6 N·mn0​n = ?

Um motor CC (k = 0,12 N·m/A, Ra = 0,5 Ω) funciona com 24 V e aciona um torque de carga de 0,6 N·m. Encontre sua velocidade n em rpm.

V = 24 Vk = 0,12 N·m/ARa = 0,5 ΩT = 0,6 N·m
n = rpm
2.Motores CCDifícil
+−240 VD = ?Ra​ = 2 ΩM+−En = 400 rpmT = 4,5 N·m

Um chopper CC alimenta um motor (k = 0,75 V·s/rad, Ra = 2 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 400 rpm com uma carga de 4,5 N·m.

Vdc = 240 Vk = 0,75 V·s/radRa = 2 ΩT = 4,5 N·mn = 400 rpm
D = %
3.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
N1​ = 25N2​ = 60

Um motor de 2,2 kW girando a 1440 rpm aciona um pinhão com 25 dentes, que engrena com uma engrenagem de 60 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 96%. Calcule o torque T1 no eixo do motor.

P = 2,2 kWn1 = 1440 rpmN1 = 25N2 = 60η = 96%
T1 = N·m
4.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 15B = 60C = 15D = 25

Um motor de 2,2 kW a 1450 rpm aciona a engrenagem A (15 dentes), que engrena com a engrenagem B (60 dentes). A engrenagem C (15 dentes), no mesmo eixo de B, aciona a engrenagem D (25 dentes) no eixo de saída. Cada engrenamento tem eficiência de 96%. Encontre o torque de saída Tout.

P = 2,2 kWnin = 1450 rpmA = 15B = 60C = 15D = 25ηmesh = 96%
Tout = N·m
5.Aquisição de dados e amostragemMédia
Vin​N = 1210 V2ᴺ − 101 LSB8,455 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 8,455 V.

N = 12VFSR = 10 VVin = 8,455 V
D =
6.Aquisição de dados e amostragemDifícil
Vin​N = ?VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Uma medição de áudio exige uma relação sinal-ruído de quantização ideal de pelo menos 100 dB para uma senoide de fundo de escala. Encontre o menor número de bits N do ADC.

SQNR ≥ 100 dB
N =
7.Ponte de Wheatstone e extensômetrosMédia
+−6 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−115,4 mV

Uma ponte com quatro braços de 1000 Ω é alimentada com 6 V. Quando o sensor R₂ varia, a saída marca Vab = 115,4 mV. Encontre a variação exata ΔR de R₂.

Vs = 6 VR = 1000 ΩVab = 115,4 mV
ΔR = Ω
8.Ponte de Wheatstone e extensômetrosDifícil
+−3 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−Vo​

Um quarto de ponte (um extensômetro ativo, GF = 2,05) é excitado com 3 V. A maior deformação a ser medida é 1200 µε, e ela deve resultar em 2,5 V na entrada de um conversor analógico-digital. Encontre o ganho do amplificador G.

Vs = 3 VGF = 2,05εmax = 1200 µεVFS = 2,5 V
G =
9.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
r(t) = 3t+10s(s + 2)C(s)−

Uma rampa r(t) = 3t é aplicada a uma malha com realimentação unitária com G(s) = 10/(s(s + 2)). Encontre o erro em regime permanente ess.

G(s) = 10/(s(s + 2))r(t) = 3t
ess =
10.Erro em regime permanente e controle PIDDifícil
R(s)+25 + Kd​s2s(s + 4)C(s)−

Um controlador PD C(s) = 25 + Kd·s controla a planta G(s) = 2/(s(s + 4)) em uma malha com realimentação unitária. Encontre o ganho derivativo Kd que dá à malha fechada um coeficiente de amortecimento ζ = 0,5.

G(s) = 2/(s(s + 4))Kp = 25ζ = 0,5
Kd = s
11.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)3

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 174/(s² + 8s + 58) e recebe uma entrada em degrau unitário. Os polos são s = σ ± jωd. Encontre a parte real σ.

G(s) = 174/(s² + 8s + 58)
σ =
12.Resposta ao degrauDifícil
R(s)+Ks(s + 5)G(s)C(s)−

Uma malha de realimentação negativa unitária tem G(s) = K/(s(s + 5)). Encontre o ganho K que dá uma resposta ao degrau com 15 % de sobressinal.

G(s) = K/(s(s + 5))%OS = 15 %
K =

3Soluções

1.Motores CC

Resposta: n = 1711 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 = 0,6/0,12 = 5 A

fcem e velocidade

E = 24 − 5·0,5 = 21,5 V
ω = E/k = 179,2 rad/s → n = 1711 rpm

Resposta

n = 1711 rpm
2.Motores CC

Resposta: D = 18,09 %

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 = 0,75·41,89 + 6·2 = 43,42 V

Ciclo de trabalho

D = 43,42/240 = 18,09 %

Resposta

D = 18,09 %
3.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T1 = 14,59 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·1440/60 = 150,8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 2200/150,8 = 14,59 N·m

Resposta

T1 = 14,59 N·m
4.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: Tout = 89,02 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 = 1450·(15/60)·(15/25) = 217,5 rpm
ωout = 2π·217,5/60 = 22,78 rad/s

Potência e torque de saída

Pout = 2200·0,96² = 2028 W
Tout = Pout/ωout = 2028/22,78 = 89,02 N·m

Resposta

Tout = 89,02 N·m
5.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: D = 3463

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 = 8455/2,441 = 3463
código = ⌊3463⌋ = 3463

Resposta

D = 3463

Em binário, isso é 110110000111.

6.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: N = 17

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.

Resolva para N

N ≥ (100 − 1,76)/6,02 = 16,32

Arredondar para cima

N = 17
verificação: 6,02·17 + 1,76 = 104,1 dB ≥ 100 dB

Resposta

N = 17
7.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: ΔR = 80 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 = 3 + 0,1154 = 3,115 V

Resolva o divisor

R₂ = 1000·3,115/(6 − 3,115) = 1080 Ω
ΔR = 1080 − 1000 = 80 Ω

Resposta

ΔR = 80 Ω
8.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: G = 1355

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 = 1,845 mV

Ganho

G = 2,5/0,001845 = 1355

Resposta

G = 1355
9.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: ess = 0,6

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) = 5

Erro de rampa

ess = 3/5 = 0,6

Resposta

ess = 0,6
10.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: Kd = 1,536 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 + 4) + 2(25 + Kds) = s² + (4 + 2Kd)s + 50

Frequência natural

ωₙ = √50 = 7,071 rad/s

Ganho derivativo

4 + 2Kd = 2·0,5·7,071 = 7,071
Kd = 1,536 s

Resposta

Kd = 1,536 s

O termo derivativo acrescenta amortecimento sem alterar ωₙ.

11.Resposta ao degrau

Resposta: σ = −4

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 = 58 → ωₙ = 7,616 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·7,616) = 0,5252

Resultado

σ = −ζωₙ = −8/2 = −4

Resposta

σ = −4
12.Resposta ao degrau

Resposta: K = 23,39

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 + 5s + K)

Razão de amortecimento a partir do sobressinal

ζ = −ln(0,15)/√(π² + ln²(0,15)) = 0,5169

Ganho

ωₙ = 5/(2ζ) = 4,836 rad/s
K = ωₙ² = 23,39

Resposta

K = 23,39

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