Sistemas Mecatrônicos: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 12 exercícios, com soluções completas no final.

Novos exercíciosVoltar à disciplina

Na janela de impressão, escolha “Salvar como PDF” para guardar uma cópia no seu dispositivo.

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)9,6 N·mn0​n = ?

Um motor CC (k = 0,8 N·m/A, Ra = 1,2 Ω) funciona com 240 V e aciona um torque de carga de 9,6 N·m. Encontre sua velocidade n em rpm.

V = 240 Vk = 0,8 N·m/ARa = 1,2 ΩT = 9,6 N·m
n = rpm
2.Motores CCDifícil
+−48 VRa​ = 2 ΩM+−En = ?T = 0,3 N·m

Um motor CC de excitação independente (k = 0,15 V·s/rad com campo pleno, Ra = 2 Ω, V = 48 V) aciona um torque de carga constante de 0,3 N·m. O fluxo de campo é reduzido a 90 % do seu valor pleno. Encontre a nova velocidade n.

V = 48 Vk = 0,15 V·s/radRa = 2 ΩT = 0,3 N·mΦ = 90 %
n = rpm
3.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
N1​ = 15N2​ = 32

Um motor de 4 kW girando a 1500 rpm aciona um pinhão com 15 dentes, que engrena com uma engrenagem de 32 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 98%. Calcule o torque de saída T2 no eixo da engrenagem.

P = 4 kWn1 = 1500 rpmN1 = 15N2 = 32η = 98%
T2 = N·m
4.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 32B = 80C = 20D = 80

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (32 dentes), no eixo de entrada girando a 1440 rpm, aciona a engrenagem B (80 dentes). A engrenagem C (20 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (80 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 1440 rpmA = 32B = 80C = 20D = 80
nout = rpm
5.Aquisição de dados e amostragemMédia
Vin​N = 20VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Encontre a relação sinal-ruído de quantização ideal SQNR de um ADC de 20 bits para uma senoide de fundo de escala.

N = 20
SQNR = dB
6.Aquisição de dados e amostragemDifícil
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​Tb​10·Tb​38400 Bd, 8N1

Um ADC de 10 bits transmite cada amostra por uma UART a 38400 baud, formato 8N1 (bit de início, 8 bits de dados, 1 bit de parada). Cada amostra é enviada como 2 byte(s) inteiro(s) e o enlace fica ocupado o tempo todo. Encontre a maior frequência de sinal fmax que pode ser amostrada sem aliasing, em Hz.

baud = 38400 BdN = 108N1
fmax = Hz
7.Ponte de Wheatstone e extensômetrosMédia
+−5 V500 Ω500 Ω500 Ω500 Ωab+−

Um extensômetro de 500 Ω é um braço (R₂) de uma ponte com quatro braços iguais de 500 Ω e uma excitação de 5 V. Encontre a potência Pg dissipada no extensômetro, em mW. O autoaquecimento limita a excitação.

Vs = 5 VR = 500 Ω
Pg = mW
8.Ponte de Wheatstone e extensômetrosDifícil
+−10 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vo​ = ?

Uma ponte com braços de 120 Ω é excitada com 10 V e tem um extensômetro ativo (um quarto de ponte). O fator do extensômetro é 2,12 e a deformação é 800 µε. Encontre a saída da ponte Vo em mV.

Vs = 10 VGF = 2,12ε = 800 µε
Vo = mV
9.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
R(s)+K(s + 1)(s + 10)C(s)−

Uma malha com realimentação unitária tem G(s) = K/((s + 1)(s + 10)). Encontre o ganho K que dá um erro em regime permanente de 4 % para uma entrada em degrau.

G(s) = K/((s + 1)(s + 10))ess = 4 %
K =
10.Erro em regime permanente e controle PIDDifícil
R(s)+K = 110s(s + 4)C(s)−

Um controlador proporcional K = 1 controla a planta G(s) = 10/(s(s + 4)) em uma malha com realimentação unitária. Encontre o sobressinal percentual %OS da resposta ao degrau.

G(s) = 10/(s(s + 4))K = 1
%OS = %
11.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)1

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 53/(s² + 5s + 53) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre a frequência natural ωn em rad/s.

G(s) = 53/(s² + 5s + 53)
ωn = rad/s
12.Resposta ao degrauDifícil
k = 400 N/mc = 14 N·s/mm = 0,5 kgF = 10 Nx(t)

Uma massa m = 0,5 kg está pendurada em uma mola k = 400 N/m com um amortecedor viscoso c = 14 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Em repouso, em equilíbrio, uma força constante F = 10 N é aplicada de repente. Encontre o maior deslocamento xmax em mm.

m = 0,5 kgk = 400 N/mc = 14 N·s/mF = 10 N
xmax = mm

3Soluções

1.Motores CC

Resposta: n = 2693 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 = 9,6/0,8 = 12 A

fcem e velocidade

E = 240 − 12·1,2 = 225,6 V
ω = E/k = 282 rad/s → n = 2693 rpm

Resposta

n = 2693 rpm
2.Motores CC

Resposta: n = 3081 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.

Constante do motor enfraquecida

k₂ = 0,9·0,15 = 0,135 V·s/rad

Nova corrente de armadura

Ia = 0,3/0,135 = 2,222 A

Nova velocidade

ω = (48 − 2,222·2)/0,135 = 322,6 rad/s → n = 3081 rpm

Resposta

n = 3081 rpm

O enfraquecimento de campo é a forma de um acionamento CC operar acima da sua velocidade base.

3.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T2 = 53,24 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 4000/157,1 = 25,46 N·m

Torque de saída

T2 = 25,46·32/15·0,98 = 53,24 N·m

Resposta

T2 = 53,24 N·m
4.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 144 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 = 1440·32/80 = 576 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 576·20/80 = 144 rpm

Resposta

nout = 144 rpm

relação total = 10 : 1

5.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: SQNR = 122,2 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 = 6,02·20 + 1,76 = 122,2 dB

Resposta

SQNR = 122,2 dB
6.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: fmax = 960 Hz

UART: um enlace serial assíncrono envia cada byte como um quadro: um bit de início (baixo), os bits de dados, um bit de paridade opcional e um ou dois bits de parada (alto). A taxa de baud é o número de bits por segundo, então um bit dura Tb = 1/baud e um quadro de n bits dura n/baud. O formato comum 8N1 tem 10 bits por byte. O gerador de baud divide o clock: baud = fclk/(16·D) com um número inteiro D, então a taxa de baud real difere um pouco da desejada; um erro abaixo de cerca de 2 % costuma ser aceitável.

Bits por amostra na linha

2·10 = 20 bit

Maior taxa de amostragem

fs,max = 38400/20 = 1920 Hz

Limite de Nyquist

fmax = 1920/2 = 960 Hz

Resposta

fmax = 960 Hz
7.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: Pg = 12,5 mW

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 sobre o extensômetro

V = 5/2 = 2,5 V

Potência

Pg = 2,5²/500 = 12,5 mW

Resposta

Pg = 12,5 mW
8.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: Vo = 4,24 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 = 2,12·800·10⁻⁶ = 0,001696

Saída da ponte

Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 10·0,001696/4 = 4,24 mV

Resposta

Vo = 4,24 mV
9.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: K = 240

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) = 0,04 → Kp = 24

Ganho

K/10 = 24 → K = 240

Resposta

K = 240

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: %OS = 7,691 %

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) + 1·10 = s² + 4s + 10

ωₙ e ζ

ωₙ = √10 = 3,162 rad/s
ζ = 4/(2·3,162) = 0,6325

Sobressinal

%OS = 100·e−0,6325π/√(1 − 0,6325²) = 7,691 %

Resposta

%OS = 7,691 %
11.Resposta ao degrau

Resposta: ωn = 7,28 rad/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 = 53 → ωₙ = 7,28 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·7,28) = 0,3434

Resultado

ωₙ = 7,28 rad/s

Resposta

ωn = 7,28 rad/s
12.Resposta ao degrau

Resposta: xmax = 29,18 mm

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).

Frequência natural e razão de amortecimento

ωₙ = √(k/m) = √(400/0,5) = 28,28 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 14/(2·√(400·0,5)) = 0,495

Resultado

xst = F/k = 10/400 m = 25 mm
%OS = 16,7 %
xmax = 25·(1 + 0,167) = 29,18 mm

Resposta

xmax = 29,18 mm

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems