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)32 N·mn0​nFL​

Um motor CC (k = 0,8 V·s/rad, Ra = 0,2 Ω) funciona com 220 V. A plena carga ele consome 40 A. Desprezando a corrente a vazio, encontre sua regulação de velocidade SR = (n₀ − nFL)/nFL em porcentagem.

V = 220 Vk = 0,8 V·s/radRa = 0,2 ΩIFL = 40 A
SR = %
2.Motores CCDifícil
+−24 VRst​ = ?Ra​ = 0,4 Ω30 AM+−E = 0n = 0T

Um motor CC de 24 V tem resistência de armadura de 0,4 Ω. Encontre a resistência de partida em série Rst que limita a corrente de partida a 30 A.

V = 24 VRa = 0,4 ΩImax = 30 A
Rst = Ω
3.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
Nw​ = 50z = 4, 1450 rpm

Um parafuso sem-fim com 4 entrada(s) gira a 1450 rpm e aciona uma coroa com 50 dentes. Encontre a rotação nw da coroa.

z = 4Nw = 50n = 1450 rpm
nw = rpm
4.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 30B = 72C = 18D = 25

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (30 dentes), no eixo de entrada girando a 1450 rpm, aciona a engrenagem B (72 dentes). A engrenagem C (18 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (25 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 1450 rpmA = 30B = 72C = 18D = 25
nout = rpm
5.Aquisição de dados e amostragemMédia
Vin​N = 122,5 V2ᴺ − 101 LSB2,119 V?

Um ADC de 12 bits com faixa de entrada de 0 a 2,5 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 2,119 V.

N = 12VFSR = 2,5 VVin = 2,119 V
D =
6.Aquisição de dados e amostragemDifícil
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​1/fbaud​12 MHz / (16·D)

Um microcontrolador com clock de 12 MHz define sua taxa de baud da UART como fclk/(16·D), com D um número inteiro arredondado para o valor mais próximo. O alvo é 9600 baud. Encontre o erro percentual da taxa de baud real (positivo quando ela é rápida demais).

fclk = 12 MHzalvo = 9600 Bd
e = %
7.Ponte de Wheatstone e extensômetrosMédia
+−3 VR1​ = 10 ΩR2​ = 40 ΩR3​ = 200 ΩR4​ = 200 ΩabGRg​ = 20 Ω

Um galvanômetro com resistência de 20 Ω é ligado entre a e b da ponte mostrada (Vs = 3 V). Encontre a corrente do galvanômetro Ig de a para b, em µA.

Vs = 3 VR1 = 10 ΩR2 = 40 ΩR3 = 200 ΩR4 = 200 ΩRg = 20 Ω
Ig = µA
8.Ponte de Wheatstone e extensômetrosDifícil
+−V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−

Um extensômetro de 350 Ω com fator 2,05 está colado a uma barra de aço. Sob carga sua resistência aumenta 0,7175 Ω. Encontre a deformação ε em microdeformação (µε).

R = 350 ΩGF = 2,05ΔR = 0,7175 Ω
ε = µε
9.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
r(t) = 0,5t+50(s + 4)s(s + 1)(s + 2)C(s)−

Uma rampa r(t) = 0,5t é aplicada a uma malha com realimentação unitária com G(s) = 50(s + 4)/(s(s + 1)(s + 2)). Encontre o erro em regime permanente ess.

G(s) = 50(s + 4)/(s(s + 1)(s + 2))r(t) = 0,5t
ess =
10.Erro em regime permanente e controle PIDDifícil
R(s)+Kp​ + Ki​/s1s + 4C(s)−

Um controlador PI C(s) = Kp + Ki/s controla a planta G(s) = 1/(s + 4) em uma malha com realimentação unitária. A malha fechada deve ter ωₙ = 5 rad/s e ζ = 0,7. Encontre o ganho proporcional Kp.

G(s) = 1/(s + 4)ωₙ = 5 rad/sζ = 0,7
Kp =
11.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)1

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 42/(s² + 4s + 42) e recebe uma entrada em degrau unitário. Os polos são s = σ ± jωd. Encontre a parte real σ.

G(s) = 42/(s² + 4s + 42)
σ =
12.Resposta ao degrauDifícil
R(s)+230s(s + 20)G(s)C(s)−

Uma malha de realimentação negativa unitária tem G(s) = 230/(s(s + 20)). Encontre o tempo de acomodação de 2 % ts da resposta ao degrau de malha fechada, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 230/(s(s + 20))
ts = s

3Soluções

1.Motores CC

Resposta: SR = 3,774 %

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 e a plena carga

n₀ = 60·220/(2π·0,8) = 2626 rpm
nFL = 60·(220 − 40·0,2)/(2π·0,8) = 2531 rpm

Regulação de velocidade

SR = (2626 − 2531)/2531·100 = 3,774 %

Resposta

SR = 3,774 %
2.Motores CC

Resposta: Rst = 0,4 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 = 24/30 = 0,8 Ω

Resistor de partida

Rst = 0,8 − 0,4 = 0,4 Ω

Resposta

Rst = 0,4 Ω

O resistor é retirado por etapas à medida que o motor acelera e a fcem cresce.

3.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nw = 116 rpm

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

Rotação da coroa

nw = n·z/Nw = 1450·4/50 = 116 rpm

Resposta

nw = 116 rpm
4.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 435 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 = 1450·30/72 = 604,2 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 604,2·18/25 = 435 rpm

Resposta

nout = 435 rpm

relação total = 3,333 : 1

5.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: D = 3471

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 = 2,5/212 = 0,6104 mV

Código

Vin/LSB = 2119/0,6104 = 3472
código = ⌊3472⌋ = 3471

Resposta

D = 3471

Em binário, isso é 110110001111.

6.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: e = 0,1603 %

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.

Divisor

D = 12·10⁶/(16·9600) = 78,13 → 78

Taxa de baud real

12·10⁶/(16·78) = 9615 Bd

Erro

(9615 − 9600)/9600·100 = 0,1603 %

Resposta

e = 0,1603 %

Um erro abaixo de cerca de 2 % costuma ser aceitável.

7.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: Ig = 7031 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 = 3·(40/50 − 200/400) = 0,9 V

Resistência de Thévenin

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 108 Ω

Corrente do galvanômetro

Ig = 0,9/(108 + 20) = 7031 µA

Resposta

Ig = 7031 µA
8.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: ε = 1000 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.

Variação relativa da resistência

ΔR/R = 0,7175/350 = 0,00205

Deformação

ε = 0,00205/2,05 = 0,001 = 1000 µε

Resposta

ε = 1000 µε
9.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: ess = 0,005

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) = 100

Erro de rampa

ess = 0,5/100 = 0,005

Resposta

ess = 0,005
10.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: Kp = 3

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

1 + C(s)G(s) = 0, multiplicada por s(s + 4).

s² + (4 + 1Kp)s + 1Ki

Polinômio desejado

s² + 2·0,7·5s + 5² = s² + 7s + 25

Iguale os coeficientes

4 + 1Kp = 7 → Kp = 3

Resposta

Kp = 3

O termo integral torna a malha do tipo 1, então um degrau é seguido sem erro em regime permanente.

11.Resposta ao degrau

Resposta: σ = −2

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 = 42 → ωₙ = 6,481 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·6,481) = 0,3086

Resultado

σ = −ζωₙ = −4/2 = −2

Resposta

σ = −2
12.Resposta ao degrau

Resposta: ts = 0,4 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).

Função de transferência de malha fechada

T(s) = 230/(s² + 20s + 230): ωₙ = 15,17 rad/s, ζ = 0,6594

Tempo de acomodação

ζωₙ = 20/2 = 10
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0,4 s

Resposta

ts = 0,4 s

Nesta malha ζωₙ = a/2 seja qual for K: aumentar K aumenta o sobressinal, mas não encurta o tempo de acomodação.

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