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)Tst​ = ?n0​

Um motor CC com k = 0,75 N·m/A e Ra = 0,2 Ω está ligado a 220 V. Encontre seu torque de travamento Tstall, o torque com velocidade zero.

V = 220 Vk = 0,75 N·m/ARa = 0,2 Ω
Tstall = N·m
2.Motores CCDifícil
+−220 VRa​ = 1 ΩM+−En = ?T = 16 N·m

Um motor CC de excitação independente (k = 0,8 V·s/rad com campo pleno, Ra = 1 Ω, V = 220 V) aciona um torque de carga constante de 16 N·m. O fluxo de campo é reduzido a 70 % do seu valor pleno. Encontre a nova velocidade n.

V = 220 Vk = 0,8 V·s/radRa = 1 ΩT = 16 N·mΦ = 70 %
n = rpm
3.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
N1​ = ?N2​

Dois eixos paralelos estão a 270 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 = 270 mmm = 5 mmi = 5
N1 =
4.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 12B = 24C = 15D = 50

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (12 dentes), no eixo de entrada girando a 1500 rpm, aciona a engrenagem B (24 dentes). A engrenagem C (15 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (50 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 1500 rpmA = 12B = 24C = 15D = 50
nout = rpm
5.Aquisição de dados e amostragemMédia
Vin​N = ?5 V2ᴺ − 10≤ 10 mV

Um ADC com faixa de entrada de 0 a 5 V deve resolver passos de 10 mV ou menores. Encontre o menor número de bits N.

VFSR = 5 Vresolução = 10 mV
N =
6.Aquisição de dados e amostragemDifícil
T1 mV/°C×10∿01N = 12, 2,5 V? °C/LSB

Um sensor de temperatura fornece 1 mV/°C (0 V a 0 °C). Seu sinal é amplificado 10 vezes e entra em um ADC de 12 bits com faixa de 0 a 2,5 V (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Encontre a variação de temperatura ΔTLSB que corresponde a um LSB.

S = 1 mV/°CG = 10N = 12VFSR = 2,5 V
ΔTLSB = °C
7.Ponte de Wheatstone e extensômetrosMédia
+−9 V250 Ω250 Ω + ΔR250 Ω250 Ωab+−Vab​ = ?

Uma ponte tem quatro braços de 250 Ω e Vs = 9 V. O sensor R₂ aumenta de ΔR = 2,5 Ω. Usando a aproximação para pequenas variações, encontre a saída Vab em mV.

Vs = 9 VR = 250 ΩΔR = 2,5 Ω
Vab = mV
8.Ponte de Wheatstone e extensômetrosDifícil
+−5 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−0,513 mV

Um quarto de ponte com um extensômetro ativo (GF = 2,05) é excitado com 5 V. Sob carga a saída marca 0,513 mV. Encontre a deformação ε em µε.

Vs = 5 VGF = 2,05Vo = 0,513 mV
ε = µε
9.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
R(s)+K = 10,510s + 1C(s)−

Um processo G(s) = 0,5/(10s + 1) é controlado por um ganho proporcional K = 1 em uma malha com realimentação unitária. Encontre o erro em regime permanente ess para um degrau, como porcentagem do tamanho do degrau.

G(s) = 0,5/(10s + 1)K = 1
ess = %
10.Erro em regime permanente e controle PIDDifícil
R(s)+8 + Kd​s5s(s + 1)C(s)−

Um controlador PD C(s) = 8 + Kd·s controla a planta G(s) = 5/(s(s + 1)) em uma malha com realimentação unitária. Encontre o ganho derivativo Kd que dá à malha fechada um coeficiente de amortecimento ζ = 0,9.

G(s) = 5/(s(s + 1))Kp = 8ζ = 0,9
Kd = s
11.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)1tp​ = ?

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 56/(s² + 7s + 56) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o tempo de pico tp da resposta ao degrau.

G(s) = 56/(s² + 7s + 56)
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: Tstall = 825 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 = 220/0,2 = 1100 A

Torque de travamento

Tstall = 0,75·1100 = 825 N·m

Resposta

Tstall = 825 N·m
2.Motores CC

Resposta: n = 3264 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 = 0,7·0,8 = 0,56 V·s/rad

Nova corrente de armadura

Ia = 16/0,56 = 28,57 A

Nova velocidade

ω = (220 − 28,57·1)/0,56 = 341,8 rad/s → n = 3264 rpm

Resposta

n = 3264 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: N1 = 18

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 = 2·270/5 = 108

Divida pela relação

N1 = 108/(1 + 5) = 18

Resposta

N1 = 18
4.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 225 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 = 1500·12/24 = 750 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 750·15/50 = 225 rpm

Resposta

nout = 225 rpm

relação total = 6,667 : 1

5.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: N = 9

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.

Passos necessários

5000 mV/10 mV = 500

Bits

log₂(500) = 8,966
28 = 256 < 500 ≤ 29 = 512
N = 9

Resposta

N = 9
6.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: ΔTLSB = 0,06104 °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 = 2500/4096 = 0,6104 mV

Sensibilidade no ADC

1·10 = 10 mV/°C

Resolução de temperatura

ΔTLSB = 0,6104/10 = 0,06104 °C

Resposta

ΔTLSB = 0,06104 °C

O ADC atinge o fundo de escala a 250 °C.

7.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: Vab = 22,5 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.

Variação relativa

ΔR/R = 2,5/250 = 0,01

Saída linearizada

Vab ≈ 9·0,01/4 = 22,5 mV

Resposta

Vab = 22,5 mV

O valor exato é 22,39 mV; a aproximação é boa enquanto ΔR/R for pequeno.

8.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: ε = 200,2 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 = 4·0,000513/(5·2,05) = 0,0002002

Em microdeformação

ε = 200,2 µε

Resposta

ε = 200,2 µε
9.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: ess = 66,67 %

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 posição

Kp = 1·0,5 = 0,5

Erro ao degrau

ess = 100/(1 + 0,5) = 66,67 %

Resposta

ess = 66,67 %
10.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: Kd = 2,077 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 + 1) + 5(8 + Kds) = s² + (1 + 5Kd)s + 40

Frequência natural

ωₙ = √40 = 6,325 rad/s

Ganho derivativo

1 + 5Kd = 2·0,9·6,325 = 11,38
Kd = 2,077 s

Resposta

Kd = 2,077 s

O termo derivativo acrescenta amortecimento sem alterar ωₙ.

11.Resposta ao degrau

Resposta: tp = 0,475 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 = 56 → ωₙ = 7,483 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·7,483) = 0,4677

Resultado

ωd = 7,483·√(1 − 0,4677²) = 6,614 rad/s → tp = π/ωd = 0,475 s

Resposta

tp = 0,475 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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