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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 com k = 0,2 N·m/A e Ra = 1,2 Ω está ligado a 48 V. Encontre seu torque de travamento Tstall, o torque com velocidade zero.
V = 48 Vk = 0,2 N·m/ARa = 1,2 Ω
Tstall = N·m
2.Motores CCDifícil
Um motor CC de 120 V tem resistência de armadura de 1,2 Ω. Encontre a resistência de partida em série Rst que limita a corrente de partida a 40 A.
V = 120 VRa = 1,2 ΩImax = 40 A
Rst = Ω
3.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
Dois eixos paralelos estão a 375 mm de distância. Eles devem ser ligados por um par de engrenagens de dentes retos com módulo de 5 mm e redução de 5 : 1. Quantos dentes N1 o pinhão deve ter?
a = 375 mmm = 5 mmi = 5
N1 =
4.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
Uma correia aberta liga uma polia motora de 160 mm a 1450 rpm a uma polia de 200 mm; os centros estão a 500 mm de distância. O coeficiente de atrito é 0,3 e a tração no lado tracionado não pode exceder 600 N. Encontre a maior potência P que a correia pode transmitir sem escorregar, em kW (ignore os efeitos centrífugos).
Um ADC de 12 bits com faixa de entrada de 0 a 5 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 3,699 V.
N = 12VFSR = 5 VVin = 3,699 V
D =
6.Aquisição de dados e amostragemDifícil
Um multiplexador de 8 canais alimenta um único ADC. Cada conversão leva 8 µs e, após cada troca de canal, a entrada precisa de 5 µs para se estabilizar. Os canais são varridos em sequência, sem pausa. Encontre a taxa de amostragem fs de cada canal, em kHz.
n = 8tc = 8 µstset = 5 µs
fs = kHz
7.Ponte de Wheatstone e extensômetrosMédia
Uma ponte tem quatro braços de 1000 Ω e Vs = 15 V. O sensor R₂ aumenta de ΔR = 80 Ω. Encontre a saída exata Vab em mV.
Vs = 15 VR = 1000 ΩΔR = 80 Ω
Vab = mV
8.Ponte de Wheatstone e extensômetrosDifícil
Uma ponte com braços de 120 Ω é excitada com 5 V e tem dois extensômetros ativos em braços adjacentes, um sob tração e outro sob compressão (meia ponte). O fator do extensômetro é 2,1 e a deformação é 400 µε. Encontre a saída da ponte Vo em mV.
Vs = 5 VGF = 2,1ε = 400 µε
Vo = mV
9.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
A entrada r(t) = 5 + 3t (um degrau mais uma rampa) é aplicada a uma malha com realimentação unitária com G(s) = 2/(s(s + 2)(s + 4)). Encontre o erro em regime permanente ess.
G(s) = 2/(s(s + 2)(s + 4))r(t) = 5 + 3t
ess =
10.Erro em regime permanente e controle PIDDifícil
Um controlador proporcional K controla a planta G(s) = 1/(s(s + 5)) em uma malha com realimentação unitária. Encontre o ganho K que dá à malha fechada um coeficiente de amortecimento ζ = 0,8.
G(s) = 1/(s(s + 5))ζ = 0,8
K =
11.Resposta ao degrauMédia
Um sistema tem a função de transferência G(s) = 80/(s² + 7s + 80) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o sobressinal percentual %OS da resposta ao degrau.
G(s) = 80/(s² + 7s + 80)
%OS = %
12.Resposta ao degrauDifícil
Uma malha de realimentação negativa unitária tem G(s) = 60/(s(s + 12)). Encontre o tempo de acomodação de 2 % ts da resposta ao degrau de malha fechada, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 60/(s(s + 12))
ts = s
3Soluções
1.Motores CC
Resposta: Tstall = 8 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 = 48/1,2 = 40 A
Torque de travamento
Tstall = 0,2·40 = 8 N·m
Resposta
Tstall = 8 N·m
2.Motores CC
Resposta: Rst = 1,8 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.
Resistência total
Ra + Rst = 120/40 = 3 Ω
Resistor de partida
Rst = 3 − 1,2 = 1,8 Ω
Resposta
Rst = 1,8 Ω
O resistor é retirado por etapas à medida que o motor acelera e a fcem cresce.
3.Engrenagens e trens de engrenagens
Resposta: N1 = 25
Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.
Número total de dentes
N1 + N2 = 2a/m = 2·375/5 = 150
Divida pela relação
N1 = 150/(1 + 5) = 25
Resposta
N1 = 25
4.Engrenagens e trens de engrenagens
Resposta: P = 4,379 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 = 3,062 rad
Tração do lado frouxo
eμθ = e0,9185 = 2,505, T₂ = 600/2,505 = 239,5 N
Potência
P = (600 − 239,5)·12,15 = 4,379 kW
Resposta
P = 4,379 kW
5.Aquisição de dados e amostragem
Resposta: D = 3030
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 = 5/212 = 1,221 mV
Código
Vin/LSB = 3699/1,221 = 3030
código = ⌊3030⌋ = 3030
Resposta
D = 3030
Em binário, isso é 101111010110.
6.Aquisição de dados e amostragem
Resposta: fs = 9,615 kHz
Taxas de dados: cada canal fornece fs amostras por segundo de N bits, então a taxa bruta é canais × fs × N bit/s. Na memória, uma amostra ocupa bytes inteiros (uma amostra de 12 bits é armazenada em 2 bytes), então a memória para uma gravação é canais × fs × bytes por amostra × tempo. Um ADC multiplexado converte os canais um após o outro: cada conversão (com o tempo de estabilização) leva t, então uma rodada de n canais leva n·t e cada canal é amostrado a 1/(n·t).
Tempo por canal
8 + 5 = 13 µs
Tempo por varredura
8·13 = 104 µs
Taxa de amostragem por canal
fs = 1/104 µs = 9,615 kHz
Resposta
fs = 9,615 kHz
7.Ponte de Wheatstone e extensômetros
Resposta: Vab = 288,5 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 = 15·1080/2080 = 7,788 V
Vb = 7,5 V
Saídas
Vab = 288,5 mV
Resposta
Vab = 288,5 mV
A estimativa linear Vs·ΔR/(4R) = 300 mV está 4 % alta demais: um quarto de ponte não é perfeitamente linear.
8.Ponte de Wheatstone e extensômetros
Resposta: Vo = 2,1 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/2 = 5·0,00084/2 = 2,1 mV
Resposta
Vo = 2,1 mV
9.Erro em regime permanente e controle PID
Resposta: ess = 12
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) = 0,25
Parte do degrau
Kp = ∞ → estep = 0
Erro de rampa
ess = 3/0,25 = 12
Resposta
ess = 12
10.Erro em regime permanente e controle PID
Resposta: K = 9,766
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 + 5) + 1K = s² + 5s + 1K
Frequência natural
2·0,8·ωₙ = 5 → ωₙ = 3,125 rad/s
Ganho
1K = ωₙ² = 9,766 → K = 9,766
Resposta
K = 9,766
11.Resposta ao degrau
Resposta: %OS = 26,29 %
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 = 80 → ωₙ = 8,944 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·8,944) = 0,3913
Resultado
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,336 = 26,29 %
Resposta
%OS = 26,29 %
12.Resposta ao degrau
Resposta: ts = 0,6667 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).