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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
Desenhe o circuito da armadura: alimentação V, resistência Ra e fcem E em série.
Use V = E + Ia·Ra para relacionar tensão, corrente e fcem.
Use E = k·ω para a velocidade e T = k·Ia para o torque, com ω = 2π·n/60.
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
Anote o que é dado: taxa de amostragem, frequências do sinal, número de bits, faixa de entrada, taxa de baud.
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.
Em questões de resolução, determine 1 LSB = VFSR/2ᴺ ou o menor N com 2ᴺ ≥ faixa/resolução.
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
Trate a ponte como dois divisores de tensão sobre a mesma alimentação.
Para o equilíbrio, faça R₁/R₂ = R₃/R₄ e resolva para o resistor desconhecido.
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.
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
Conte os polos da malha aberta C(s)·G(s) em s = 0: esse é o tipo do sistema.
Calcule a constante de erro que corresponde à entrada: Kp para um degrau, Kv para uma rampa, Ka para uma parábola.
Aplique ess = A/(1 + Kp), A/Kv ou A/Ka, ou resolva-a para o ganho de que você precisa.
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
Um motor CC fornece 0,75 kW de potência mecânica a 1450 rpm. Encontre o torque no eixo T.
P = 0,75 kWn = 1450 rpm
T = N·m
2.Motores CCDifícil
Um chopper CC alimenta um motor (k = 0,15 V·s/rad, Ra = 0,4 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 1,5 N·m.
Um motor de 5,5 kW girando a 1440 rpm aciona um pinhão com 18 dentes, que engrena com uma engrenagem de 45 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 95%. Calcule o torque T1 no eixo do motor.
P = 5,5 kWn1 = 1440 rpmN1 = 18N2 = 45η = 95%
T1 = N·m
4.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (48 dentes), no eixo de entrada girando a 960 rpm, aciona a engrenagem B (50 dentes). A engrenagem C (12 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (25 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.
nin = 960 rpmA = 48B = 50C = 12D = 25
nout = rpm
5.Aquisição de dados e amostragemMédia
Um ADC de 8 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 2,4 V.
N = 8VFSR = 10 VVin = 2,4 V
D =
6.Aquisição de dados e amostragemDifícil
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 8 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 = 10N = 8VFSR = 3,3 V
ΔTLSB = °C
7.Ponte de Wheatstone e extensômetrosMédia
Uma ponte tem quatro braços de 300 Ω e Vs = 6 V. O sensor R₂ aumenta de ΔR = 60 Ω. Encontre a saída exata Vab em mV.
Vs = 6 VR = 300 ΩΔR = 60 Ω
Vab = mV
8.Ponte de Wheatstone e extensômetrosDifícil
Um extensômetro de 120 Ω com fator 2,12 está colado a uma barra de aço. Sob carga sua resistência aumenta 0,1018 Ω. Encontre a deformação ε em microdeformação (µε).
R = 120 ΩGF = 2,12ΔR = 0,1018 Ω
ε = µε
9.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
Uma malha com realimentação unitária tem G(s) = K/((s + 5)(s + 10)). Encontre o ganho K que dá um erro em regime permanente de 25 % para uma entrada em degrau.
G(s) = K/((s + 5)(s + 10))ess = 25 %
K =
10.Erro em regime permanente e controle PIDDifícil
Um controlador proporcional K = 10 controla a planta G(s) = 5/(s(s + 2)) em uma malha com realimentação unitária. Encontre o tempo de pico tp da resposta ao degrau.
G(s) = 5/(s(s + 2))K = 10
tp = s
11.Resposta ao degrauMédia
Um sistema tem a função de transferência G(s) = 42/(s² + 10s + 42) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o tempo de pico tp da resposta ao degrau.
G(s) = 42/(s² + 10s + 42)
tp = s
12.Resposta ao degrauDifícil
Um sistema de segunda ordem sem zeros deve ter uma resposta ao degrau com 12 % de sobressinal. Encontre a razão de amortecimento ζ.
%OS = 12 %
ζ =
3Soluções
1.Motores CC
Resposta: T = 4,939 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.
Velocidade em rad/s
ω = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s
Torque
T = P/ω = 750/151,8 = 4,939 N·m
Resposta
T = 4,939 N·m
2.Motores CC
Resposta: D = 4,285 %
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 = 0,15·41,89 + 10·0,4 = 10,28 V
Ciclo de trabalho
D = 10,28/240 = 4,285 %
Resposta
D = 4,285 %
3.Engrenagens e trens de engrenagens
Resposta: T1 = 36,47 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 = 5500/150,8 = 36,47 N·m
Resposta
T1 = 36,47 N·m
4.Engrenagens e trens de engrenagens
Resposta: nout = 442,4 rpm
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.
Primeiro estágio
nB = 960·48/50 = 921,6 rpm = nC
Segundo estágio
nout = 921,6·12/25 = 442,4 rpm
Resposta
nout = 442,4 rpm
relação total = 2,17 : 1
5.Aquisição de dados e amostragem
Resposta: D = 61
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 = 10/28 = 39,06 mV
Código
Vin/LSB = 2400/39,06 = 61,44
código = ⌊61,44⌋ = 61
Resposta
D = 61
Em binário, isso é 00111101.
6.Aquisição de dados e amostragem
Resposta: ΔTLSB = 0,06445 °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 = 3300/256 = 12,89 mV
Sensibilidade no ADC
20·10 = 200 mV/°C
Resolução de temperatura
ΔTLSB = 12,89/200 = 0,06445 °C
Resposta
ΔTLSB = 0,06445 °C
O ADC atinge o fundo de escala a 16,5 °C.
7.Ponte de Wheatstone e extensômetros
Resposta: Vab = 272,7 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.
Tensões dos nós
Va = 6·360/660 = 3,273 V
Vb = 3 V
Saídas
Vab = 272,7 mV
Resposta
Vab = 272,7 mV
A estimativa linear Vs·ΔR/(4R) = 300 mV está 10 % alta demais: um quarto de ponte não é perfeitamente linear.
8.Ponte de Wheatstone e extensômetros
Resposta: ε = 400 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 = 0,1018/120 = 0,000848
Deformação
ε = 0,000848/2,12 = 0,0004 = 400 µε
Resposta
ε = 400 µε
9.Erro em regime permanente e controle PID
Resposta: K = 150
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 erro necessária
1/(1 + Kp) = 0,25 → Kp = 3
Ganho
K/50 = 3 → K = 150
Resposta
K = 150
Verifique também a estabilidade de malha fechada: para esta malha de segunda ordem qualquer K > 0 é estável.
10.Erro em regime permanente e controle PID
Resposta: tp = 0,4488 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) + 10·5 = s² + 2s + 50
ωₙ e ζ
ωₙ = √50 = 7,071 rad/s
ζ = 2/(2·7,071) = 0,1414
Tempo de pico
ωd = 7,071·√(1 − 0,1414²) = 7 rad/s
tp = π/7 = 0,4488 s
Resposta
tp = 0,4488 s
11.Resposta ao degrau
Resposta: tp = 0,7619 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.
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).