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)25 N·mn0​nFL​

Um motor CC (k = 1 V·s/rad, Ra = 0,5 Ω) funciona com 220 V. A plena carga ele consome 25 A. Desprezando a corrente a vazio, encontre sua regulação de velocidade SR = (n₀ − nFL)/nFL em porcentagem.

V = 220 Vk = 1 V·s/radRa = 0,5 ΩIFL = 25 A
SR = %
2.Motores CCDifícil
+−120 VRs​ = ?Ra​ = 0,8 ΩM+−En = 300 rpmT = 6 N·m

Um motor CC (k = 0,5 V·s/rad, Ra = 0,8 Ω) em uma alimentação fixa de 120 V aciona uma carga de 6 N·m. Encontre a resistência em série Rs que o reduz a 300 rpm.

V = 120 Vk = 0,5 V·s/radRa = 0,8 ΩT = 6 N·mn = 300 rpm
Rs = Ω
3.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
N1​ = 25N2​ = 32

Um motor de 15 kW girando a 2900 rpm aciona um pinhão com 25 dentes, que engrena com uma engrenagem de 32 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 98%. Calcule o torque T1 no eixo do motor.

P = 15 kWn1 = 2900 rpmN1 = 25N2 = 32η = 98%
T1 = N·m
4.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 15B = 24C = 25D = 36

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (15 dentes), no eixo de entrada girando a 960 rpm, aciona a engrenagem B (24 dentes). A engrenagem C (25 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (36 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 960 rpmA = 15B = 24C = 25D = 36
nout = rpm
5.Aquisição de dados e amostragemMédia
122 ch∿01N = 1610 kHz? MB

Um gravador amostra 2 canais a 10 kHz cada, com um ADC de 16 bits. Cada amostra é armazenada em bytes inteiros. Encontre a memória M necessária para uma gravação de 2 min, em MB (1 MB = 10⁶ bytes).

n = 2fs = 10 kHzN = 16t = 2 min
M = MB
6.Aquisição de dados e amostragemDifícil
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​1/fbaud​20 MHz / (16·D)

Um microcontrolador com clock de 20 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 38400 baud. Encontre o erro percentual da taxa de baud real (positivo quando ela é rápida demais).

fclk = 20 MHzalvo = 38400 Bd
e = %
7.Ponte de Wheatstone e extensômetrosMédia
+−5 V220 Ω220 Ω + ΔR220 Ω220 Ωab+−96,15 mV

Uma ponte com quatro braços de 220 Ω é alimentada com 5 V. Quando o sensor R₂ varia, a saída marca Vab = 96,15 mV. Encontre a variação exata ΔR de R₂.

Vs = 5 VR = 220 ΩVab = 96,15 mV
ΔR = Ω
8.Ponte de Wheatstone e extensômetrosDifícil
+−5 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−Vo​

Um quarto de ponte (um extensômetro ativo, GF = 2) é excitado com 5 V. A maior deformação a ser medida é 250 µε, e ela deve resultar em 5 V na entrada de um conversor analógico-digital. Encontre o ganho do amplificador G.

Vs = 5 VGF = 2εmax = 250 µεVFS = 5 V
G =
9.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
r(t) = 10t+Ks(s + 1)C(s)−

Uma malha com realimentação unitária com G(s) = K/(s(s + 1)) deve seguir a rampa r(t) = 10t com um erro em regime permanente de 0,2. Encontre o ganho K.

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

Um controlador PI C(s) = Kp + Ki/s controla a planta G(s) = 1/(s + 1) em uma malha com realimentação unitária. A malha fechada deve ter ωₙ = 3 rad/s e ζ = 0,7. Encontre o ganho proporcional Kp.

G(s) = 1/(s + 1)ωₙ = 3 rad/sζ = 0,7
Kp =
11.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)0,5

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 32,5/(s² + 2s + 65) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o fator de amortecimento ζ.

G(s) = 32,5/(s² + 2s + 65)
ζ =
12.Resposta ao degrauDifícil
+−10 VR = 57 ΩL = 200 mHC = 22 µFvC​

Um circuito RLC série com R = 57 Ω, L = 200 mH e C = 22 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 sobressinal percentual %OS da tensão do capacitor.

R = 57 ΩL = 200 mHC = 22 µFV = 10 V
%OS = %

3Soluções

1.Motores CC

Resposta: SR = 6,024 %

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·1) = 2101 rpm
nFL = 60·(220 − 25·0,5)/(2π·1) = 1981 rpm

Regulação de velocidade

SR = (2101 − 1981)/1981·100 = 6,024 %

Resposta

SR = 6,024 %
2.Motores CC

Resposta: Rs = 7,891 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 = 6/0,5 = 12 A
E = 0,5·31,42 = 15,71 V

Resistência em série

Ra + Rs = (120 − 15,71)/12 = 8,691 Ω
Rs = 7,891 Ω

Resposta

Rs = 7,891 Ω

O resistor desperdiça 1136 W; um chopper controla a velocidade com muito menos perdas.

3.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T1 = 49,39 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·2900/60 = 303,7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 15000/303,7 = 49,39 N·m

Resposta

T1 = 49,39 N·m
4.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 416,7 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 = 960·15/24 = 600 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 600·25/36 = 416,7 rpm

Resposta

nout = 416,7 rpm

relação total = 2,304 : 1

5.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: M = 4,8 MB

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).

Bytes por amostra

⌈16/8⌉ = 2 B

Taxa de bytes

2·10000·2 = 40000 B/s

Memória

M = 40000·120 = 4,8 × 10⁶ B = 4,8 MB

Resposta

M = 4,8 MB
6.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: e = −1,357 %

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 = 20·10⁶/(16·38400) = 32,55 → 33

Taxa de baud real

20·10⁶/(16·33) = 37879 Bd

Erro

(37879 − 38400)/38400·100 = −1,357 %

Resposta

e = −1,357 %

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

7.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: ΔR = 17,6 Ω

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 do nó

Va = 2,5 + 0,09615 = 2,596 V

Resolva o divisor

R₂ = 220·2,596/(5 − 2,596) = 237,6 Ω
ΔR = 237,6 − 220 = 17,6 Ω

Resposta

ΔR = 17,6 Ω
8.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: G = 8000

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.

Saída da ponte em fundo de escala

Vo = 0,625 mV

Ganho

G = 5/0,000625 = 8000

Resposta

G = 8000
9.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: K = 50

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 necessária

Kv = A/ess = 10/0,2 = 50

Ganho

K = 1·Kv = 50

Resposta

K = 50

Um ganho grande deixa esta malha muito pouco amortecida: ζ = 0,07071. Esse conflito é o motivo de se usarem compensadores.

10.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: Kp = 3,2

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).

Polinômio característico

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

s² + (1 + 1Kp)s + 1Ki

Polinômio desejado

s² + 2·0,7·3s + 3² = s² + 4,2s + 9

Iguale os coeficientes

1 + 1Kp = 4,2 → Kp = 3,2

Resposta

Kp = 3,2

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

11.Resposta ao degrau

Resposta: ζ = 0,124

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 = 65 → ωₙ = 8,062 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·8,062) = 0,124

Resultado

ζ = 0,124

Resposta

ζ = 0,124
12.Resposta ao degrau

Resposta: %OS = 37,38 %

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/√(0,2·2,2 × 10⁻⁵) = 476,7 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (57/2)·√(2,2 × 10⁻⁵/0,2) = 0,2989

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 37,38 %

Resposta

%OS = 37,38 %

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