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)n0​ = ?

Um motor CC com k = 0,12 V·s/rad funciona com 48 V. Desprezando todas as perdas a vazio, encontre sua velocidade a vazio n0 em rpm.

V = 48 Vk = 0,12 V·s/rad
n0 = rpm
2.Motores CCDifícil
+−120 VRs​ = ?Ra​ = 1,5 ΩM+−En = 500 rpmT = 3,2 N·m

Um motor CC (k = 0,8 V·s/rad, Ra = 1,5 Ω) em uma alimentação fixa de 120 V aciona uma carga de 3,2 N·m. Encontre a resistência em série Rs que o reduz a 500 rpm.

V = 120 Vk = 0,8 V·s/radRa = 1,5 ΩT = 3,2 N·mn = 500 rpm
Rs = Ω
3.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
N1​ = 20, m = 2,5 mm

Um motor de 1,5 kW girando a 2900 rpm aciona um pinhão com 20 dentes e módulo de 2,5 mm. Encontre a força tangencial Ft nos dentes do pinhão.

P = 1,5 kWn = 2900 rpmN1 = 20m = 2,5 mm
Ft = N
4.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 20B = 36C = 32D = 48

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (20 dentes), no eixo de entrada girando a 2900 rpm, aciona a engrenagem B (36 dentes). A engrenagem C (32 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (48 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 2900 rpmA = 20B = 36C = 32D = 48
nout = rpm
5.Aquisição de dados e amostragemMédia
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​PTb​11·Tb​4800 Bd, 8E1

Uma UART envia bytes a 4800 baud no formato 8E1: 8 bits de dados, um bit de paridade par e 1 bit(s) de parada, além do bit de início. Encontre o maior número de bytes de dados por segundo que ela consegue transferir.

baud = 4800 Bd8E1
RB = B/s
6.Aquisição de dados e amostragemDifícil
T1 mV/°C×5∿01N = 12, 3,3 V? °C/LSB

Um sensor de temperatura fornece 1 mV/°C (0 V a 0 °C). Seu sinal é amplificado 5 vezes e entra em um ADC de 12 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 = 1 mV/°CG = 5N = 12VFSR = 3,3 V
ΔTLSB = °C
7.Ponte de Wheatstone e extensômetrosMédia
+−2 VR1​ = 1000 ΩR2​ = 250 ΩR3​ = 300 ΩR4​ = 150 ΩabGRg​ = 20 Ω

Um galvanômetro com resistência de 20 Ω é ligado entre a e b da ponte mostrada (Vs = 2 V). Encontre a corrente do galvanômetro Ig de a para b, em µA.

Vs = 2 VR1 = 1000 ΩR2 = 250 ΩR3 = 300 ΩR4 = 150 ΩRg = 20 Ω
Ig = µA
8.Ponte de Wheatstone e extensômetrosDifícil
+−3 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−1,125 mV

Um quarto de ponte com um extensômetro ativo (GF = 2) é excitado com 3 V. Sob carga a saída marca 1,125 mV. Encontre a deformação ε em µε.

Vs = 3 VGF = 2Vo = 1,125 mV
ε = µε
9.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
r(t) = 2t+4(s + 4)s(s + 1)(s + 5)C(s)−

Uma rampa r(t) = 2t é aplicada a uma malha com realimentação unitária com G(s) = 4(s + 4)/(s(s + 1)(s + 5)). Encontre o erro em regime permanente ess.

G(s) = 4(s + 4)/(s(s + 1)(s + 5))r(t) = 2t
ess =
10.Erro em regime permanente e controle PIDDifícil
r(t) = 2t+1 + 5/s10(s + 1)(s + 5)C(s)−

Um controlador PI C(s) = 1 + 5/s controla a planta G(s) = 10/((s + 1)(s + 5)) em uma malha com realimentação unitária. Encontre o erro em regime permanente ess para a entrada em rampa r(t) = 2t.

C(s) = 1 + 5/sG(s) = 10/((s + 1)(s + 5))r(t) = 2t
ess =
11.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)1ts​ = ?

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 61/(s² + 8s + 61) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o tempo de acomodação de 2 % ts da resposta ao degrau, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 61/(s² + 8s + 61)
ts = s
12.Resposta ao degrauDifícil
+−10 VR = 8 ΩL = 10 mHC = 100 µFvC​

Um circuito RLC série com R = 8 Ω, L = 10 mH e C = 100 µF é ligado a um degrau de 10 V em t = 0. O capacitor está descarregado e nenhuma corrente flui antes do degrau. Encontre o instante tp do primeiro pico de tensão, em ms.

R = 8 ΩL = 10 mHC = 100 µFV = 10 V
tp = ms

3Soluções

1.Motores CC

Resposta: n0 = 3820 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.

Velocidade a vazio

ω₀ = V/k = 48/0,12 = 400 rad/s
n0 = 60·400/(2π) = 3820 rpm

Resposta

n0 = 3820 rpm
2.Motores CC

Resposta: Rs = 18,03 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.

Corrente e fcem

Ia = 3,2/0,8 = 4 A
E = 0,8·52,36 = 41,89 V

Resistência em série

Ra + Rs = (120 − 41,89)/4 = 19,53 Ω
Rs = 18,03 Ω

Resposta

Rs = 18,03 Ω

O resistor desperdiça 288,4 W; um chopper controla a velocidade com muito menos perdas.

3.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: Ft = 197,6 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·2900/60 = 303,7 rad/s
T = P/ω = 1500/303,7 = 4,939 N·m

Diâmetro primitivo

d = m·N = 2,5·20 = 50 mm

Força tangencial

Ft = 2T/d = 2·4,939/0,05 = 197,6 N

Resposta

Ft = 197,6 N
4.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 1074 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 = 2900·20/36 = 1611 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 1611·32/48 = 1074 rpm

Resposta

nout = 1074 rpm

relação total = 2,7 : 1

5.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: RB = 436,4 B/s

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 quadro

1 + 8 + 1 + 1 = 11

Taxa de bytes

4800/11 = 436,4 B/s

Resposta

RB = 436,4 B/s
6.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: ΔTLSB = 0,1611 °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 = 3300/4096 = 0,8057 mV

Sensibilidade no ADC

1·5 = 5 mV/°C

Resolução de temperatura

ΔTLSB = 0,8057/5 = 0,1611 °C

Resposta

ΔTLSB = 0,1611 °C

O ADC atinge o fundo de escala a 660 °C.

7.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: Ig = −833,3 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 = 2·(250/1250 − 150/450) = −0,2667 V

Resistência de Thévenin

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 300 Ω

Corrente do galvanômetro

Ig = −0,2667/(300 + 20) = −833,3 µA

Resposta

Ig = −833,3 µA
8.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: ε = 750 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 = 4·0,001125/(3·2) = 0,00075

Em microdeformação

ε = 750 µε

Resposta

ε = 750 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 velocidade

Kv = lim s·G(s) = 3,2

Erro de rampa

ess = 2/3,2 = 0,625

Resposta

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

Resposta: ess = 0,2

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).

Constante de velocidade

s·C(s) = 1s + 5 → 5 quando s → 0.

Kv = 5·10/5 = 10

Erro de rampa

ess = 2/10 = 0,2

Resposta

ess = 0,2

O controlador PI remove completamente o erro ao degrau; uma rampa é seguida com um atraso constante.

11.Resposta ao degrau

Resposta: ts = 1 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 = 61 → ωₙ = 7,81 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·7,81) = 0,5121

Resultado

ζωₙ = 4 → ts ≈ 4/4 = 1 s

Resposta

ts = 1 s
12.Resposta ao degrau

Resposta: tp = 3,428 ms

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 = 1/√(LC) = 1/√(0,01·1 × 10⁻⁴) = 1000 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (8/2)·√(1 × 10⁻⁴/0,01) = 0,4

Resultado

ωd = 916,5 rad/s
tp = π/ωd = 3,428 ms

Resposta

tp = 3,428 ms

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