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
+−VRa​M+−En = 1800 rpmT = ?

Um motor CC fornece 1,5 kW de potência mecânica a 1800 rpm. Encontre o torque no eixo T.

P = 1,5 kWn = 1800 rpm
T = N·m
2.Motores CCDifícil
+−220 VRa​ = 0,5 ΩIa​: 20 → 30 AM+−En = ?T

Um motor CC de excitação independente em 220 V (Ra = 0,5 Ω) gira a 1440 rpm com uma corrente de armadura de 20 A. A carga muda e a corrente passa a 30 A, com o campo inalterado. Encontre a nova velocidade n2.

V = 220 VRa = 0,5 Ωn1 = 1440 rpmIa1 = 20 AIa2 = 30 A
n2 = rpm
3.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
N1​ = 24, m = 2,5 mm

Um motor de 22 kW girando a 1440 rpm aciona um pinhão com 24 dentes e módulo de 2,5 mm. Encontre a força tangencial Ft nos dentes do pinhão.

P = 22 kWn = 1440 rpmN1 = 24m = 2,5 mm
Ft = N
4.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 18B = 20C = 12D = 20

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (18 dentes), no eixo de entrada girando a 1440 rpm, aciona a engrenagem B (20 dentes). A engrenagem C (12 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (20 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 1440 rpmA = 18B = 20C = 12D = 20
nout = rpm
5.Aquisição de dados e amostragemMédia
Vin​N = 18VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Encontre a relação sinal-ruído de quantização ideal SQNR de um ADC de 18 bits para uma senoide de fundo de escala.

N = 18
SQNR = dB
6.Aquisição de dados e amostragemDifícil
126⋮6 ch∿01tc​ = 1 µstset​ = 5 µsfs​ = ?

Um multiplexador de 6 canais alimenta um único ADC. Cada conversão leva 1 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 = 6tc = 1 µstset = 5 µs
fs = kHz
7.Ponte de Wheatstone e extensômetrosMédia
+−10 VR1​ = 10 ΩR2​ = 80 ΩR3​ = 40 ΩR4​ = 100 ΩabGRg​ = 500 Ω

Um galvanômetro com resistência de 500 Ω é ligado entre a e b da ponte mostrada (Vs = 10 V). Encontre a corrente do galvanômetro Ig de a para b, em µA.

Vs = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 80 ΩR3 = 40 ΩR4 = 100 ΩRg = 500 Ω
Ig = µA
8.Ponte de Wheatstone e extensômetrosDifícil
+−3 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−2,25 mV

Um quarto de ponte com um extensômetro ativo (GF = 2) é excitado com 3 V. Sob carga a saída marca 2,25 mV. Encontre a deformação ε em µε.

Vs = 3 VGF = 2Vo = 2,25 mV
ε = µε
9.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
r(t) = 10·t²/2+20(s + 4)s²(s + 5)C(s)−

A entrada parabólica r(t) = 10·t²/2 é aplicada a uma malha com realimentação unitária com G(s) = 20(s + 4)/(s²(s + 5)). Encontre o erro em regime permanente ess.

G(s) = 20(s + 4)/(s²(s + 5))r(t) = 10·t²/2
ess =
10.Erro em regime permanente e controle PIDDifícil
R(s)+K2s(s + 8)C(s)−

Um controlador proporcional K controla a planta G(s) = 2/(s(s + 8)) em uma malha com realimentação unitária. Encontre o ganho K que dá à malha fechada um coeficiente de amortecimento ζ = 0,6.

G(s) = 2/(s(s + 8))ζ = 0,6
K =
11.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)1tp​ = ?

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 74/(s² + 5s + 74) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o tempo de pico tp da resposta ao degrau.

G(s) = 74/(s² + 5s + 74)
tp = s
12.Resposta ao degrauDifícil
t (s)y(t)12 %

Um sistema de segunda ordem sem zeros deve ter uma resposta ao degrau com 2 % de sobressinal. Encontre a razão de amortecimento ζ.

%OS = 2 %
ζ =

3Soluções

1.Motores CC

Resposta: T = 7,958 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·1800/60 = 188,5 rad/s

Torque

T = P/ω = 1500/188,5 = 7,958 N·m

Resposta

T = 7,958 N·m
2.Motores CC

Resposta: n2 = 1406 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.

fcem antes e depois

E1 = 220 − 20·0,5 = 210 V
E2 = 220 − 30·0,5 = 205 V

Nova velocidade

n2 = 1440·205/210 = 1406 rpm

Resposta

n2 = 1406 rpm
3.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: Ft = 4863 N

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.

Torque no pinhão

ω = 2π·1440/60 = 150,8 rad/s
T = P/ω = 22000/150,8 = 145,9 N·m

Diâmetro primitivo

d = m·N = 2,5·24 = 60 mm

Força tangencial

Ft = 2T/d = 2·145,9/0,06 = 4863 N

Resposta

Ft = 4863 N
4.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 777,6 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 = 1440·18/20 = 1296 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 1296·12/20 = 777,6 rpm

Resposta

nout = 777,6 rpm

relação total = 1,852 : 1

5.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: SQNR = 110,1 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 = 6,02·18 + 1,76 = 110,1 dB

Resposta

SQNR = 110,1 dB
6.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: fs = 27,78 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

1 + 5 = 6 µs

Tempo por varredura

6·6 = 36 µs

Taxa de amostragem por canal

fs = 1/36 µs = 27,78 kHz

Resposta

fs = 27,78 kHz
7.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: Ig = 3249 µA

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 de Thévenin

Vth = 10·(80/90 − 100/140) = 1,746 V

Resistência de Thévenin

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 37,46 Ω

Corrente do galvanômetro

Ig = 1,746/(37,46 + 500) = 3249 µA

Resposta

Ig = 3249 µA
8.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: ε = 1500 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 = 4·0,00225/(3·2) = 0,0015

Em microdeformação

ε = 1500 µε

Resposta

ε = 1500 µε
9.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: ess = 0,625

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 aceleração

Ka = 20·4/5 = 16

Erro de parábola

ess = 10/16 = 0,625

Resposta

ess = 0,625
10.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: K = 22,22

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 + 8) + 2K = s² + 8s + 2K

Frequência natural

2·0,6·ωₙ = 8 → ωₙ = 6,667 rad/s

Ganho

2K = ωₙ² = 44,44 → K = 22,22

Resposta

K = 22,22
11.Resposta ao degrau

Resposta: tp = 0,3817 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 = 74 → ωₙ = 8,602 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·8,602) = 0,2906

Resultado

ωd = 8,602·√(1 − 0,2906²) = 8,231 rad/s → tp = π/ωd = 0,3817 s

Resposta

tp = 0,3817 s
12.Resposta ao degrau

Resposta: ζ = 0,7797

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).

Fator de amortecimento

ζ = −ln(0,02)/√(π² + ln²(0,02)) = 3,912/√(9,87 + 15,3) = 0,7797

Resposta

ζ = 0,7797

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