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 = 0,5 Ω está ligado a 120 V. Encontre seu torque de travamento Tstall, o torque com velocidade zero.

V = 120 Vk = 0,75 N·m/ARa = 0,5 Ω
Tstall = N·m
2.Motores CCDifícil
+−48 VRst​ = ?Ra​ = 0,8 Ω40 AM+−E = 0n = 0T

Um motor CC de 48 V tem resistência de armadura de 0,8 Ω. Encontre a resistência de partida em série Rst que limita a corrente de partida a 40 A.

V = 48 VRa = 0,8 ΩImax = 40 A
Rst = Ω
3.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
d1​ = 150 mmd2​ = 315 mm720 rpmT1​ = 600 NT2​ = 300 NP = ?

Uma correia passa por uma polia motora de 150 mm a 720 rpm. A tração é de 600 N no lado tracionado e de 300 N no lado frouxo. Encontre a potência P transmitida, em kW.

d1 = 150 mmn1 = 720 rpmT1 = 600 NT2 = 300 N
P = kW
4.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 50B = 72C = 45D = 80

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (50 dentes), no eixo de entrada girando a 1450 rpm, aciona a engrenagem B (72 dentes). A engrenagem C (45 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (80 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 1450 rpmA = 50B = 72C = 45D = 80
nout = rpm
5.Aquisição de dados e amostragemMédia
tTs​ = 1/fs​f = 36 kHzfs​ = 20 kHz

Uma onda senoidal de 36 kHz é amostrada a 20 kHz sem filtro antialiasing. Em que frequência fa ela aparece nas amostras? Dê em kHz.

f = 36 kHzfs = 20 kHz
fa = kHz
6.Aquisição de dados e amostragemDifícil
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​1/fbaud​24 MHz / (16·D)

Um microcontrolador com clock de 24 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 = 24 MHzalvo = 9600 Bd
e = %
7.Ponte de Wheatstone e extensômetrosMédia
+−10 VR1​ = 250 ΩR2​ = 60 ΩR3​ = 800 ΩR4​ = 150 ΩabGRg​ = 20 Ω

Um galvanômetro com resistência de 20 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 = 250 ΩR2 = 60 ΩR3 = 800 ΩR4 = 150 ΩRg = 20 Ω
Ig = µA
8.Ponte de Wheatstone e extensômetrosDifícil
+−10 V350 Ω − ΔR350 Ω + ΔR350 Ω + ΔR350 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

Uma célula de carga (uma ponte completa de extensômetros) tem uma saída nominal de 2,5 mV/V na carga nominal de 200 kg. Ela é excitada com 10 V. Encontre sua saída Vo sob uma carga de 150 kg.

2,5 mV/VFrated = 200 kgVs = 10 VF = 150 kg
Vo = mV
9.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
r(t) = 4t+4s(s + 10)C(s)−

Uma rampa r(t) = 4t é aplicada a uma malha com realimentação unitária com G(s) = 4/(s(s + 10)). Encontre o erro em regime permanente ess.

G(s) = 4/(s(s + 10))r(t) = 4t
ess =
10.Erro em regime permanente e controle PIDDifícil
r(t) = 2t+2 + 2/s4(s + 2)(s + 4)C(s)−

Um controlador PI C(s) = 2 + 2/s controla a planta G(s) = 4/((s + 2)(s + 4)) em uma malha com realimentação unitária. Encontre o erro em regime permanente ess para a entrada em rampa r(t) = 2t.

C(s) = 2 + 2/sG(s) = 4/((s + 2)(s + 4))r(t) = 2t
ess =
11.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)3tp​ = ?

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 282/(s² + 3s + 94) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o tempo de pico tp da resposta ao degrau.

G(s) = 282/(s² + 3s + 94)
tp = s
12.Resposta ao degrauDifícil
R(s)+235s(s + 4)G(s)C(s)−

Uma malha de realimentação negativa unitária tem G(s) = 235/(s(s + 4)). Encontre o tempo de acomodação de 2 % ts da resposta ao degrau de malha fechada, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 235/(s(s + 4))
ts = s

3Soluções

1.Motores CC

Resposta: Tstall = 180 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 = 120/0,5 = 240 A

Torque de travamento

Tstall = 0,75·240 = 180 N·m

Resposta

Tstall = 180 N·m
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 = 48/40 = 1,2 Ω

Resistor de partida

Rst = 1,2 − 0,8 = 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: P = 1,696 kW

Transmissões por correia: sem escorregamento, as duas polias têm a mesma velocidade periférica v = π·d·n/60, de modo que n₁·d₁ = n₂·d₂ e a relação de velocidades é d₂/d₁. O escorregamento s torna a polia movida um pouco mais lenta: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). A potência transmitida é P = (T₁ − T₂)·v, com T₁ a tração no lado tracionado e T₂ no lado frouxo. O atrito limita a razão das trações: T₁/T₂ = eμθ, em que θ é o ângulo de abraçamento em radianos na polia menor; para uma correia aberta, θ = π − 2·asen((d₂ − d₁)/(2C)) com distância entre centros C.

Velocidade da correia

v = 5,655 m/s

Potência

P = (600 − 300)·5,655 = 1696 W = 1,696 kW

Resposta

P = 1,696 kW
4.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 566,4 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 = 1450·50/72 = 1007 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 1007·45/80 = 566,4 rpm

Resposta

nout = 566,4 rpm

relação total = 2,56 : 1

5.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: fa = 4 kHz

Amostragem: um ADC mede o sinal fs vezes por segundo. Pelo teorema de Nyquist–Shannon, uma frequência f só é capturada corretamente enquanto f < fs/2, a frequência de Nyquist (de dobramento), de modo que a taxa de amostragem deve superar o dobro da maior frequência do sinal. Uma frequência mais alta não se perde: ela aparece como um alias em fa = |f − k·fs|, com o número inteiro k que leva o resultado para entre 0 e fs/2. As amostras não distinguem as duas, então um filtro analógico antialiasing deve remover tudo acima de fs/2 antes do ADC.

Frequência de Nyquist

fs/2 = 10 kHz < f = 36 kHz

Múltiplo mais próximo da taxa de amostragem

k = round(36/20) = 2

Frequência de aliasing

fa = |36 − 2·20| = 4 kHz

Resposta

fa = 4 kHz

A curva tracejada na figura é o alias: ela passa exatamente pelas mesmas amostras.

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 = 24·10⁶/(16·9600) = 156,3 → 156

Taxa de baud real

24·10⁶/(16·156) = 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 = 1831 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·(60/310 − 150/950) = 0,3565 V

Resistência de Thévenin

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 174,7 Ω

Corrente do galvanômetro

Ig = 0,3565/(174,7 + 20) = 1831 µA

Resposta

Ig = 1831 µA
8.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: Vo = 18,75 mV

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 em fundo de escala

2,5·10 = 25 mV

Saída nesta carga

Vo = 25·150/200 = 18,75 mV

Resposta

Vo = 18,75 mV
9.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: ess = 10

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) = 0,4

Erro de rampa

ess = 4/0,4 = 10

Resposta

ess = 10
10.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: ess = 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) = 2s + 2 → 2 quando s → 0.

Kv = 2·4/8 = 1

Erro de rampa

ess = 2/1 = 2

Resposta

ess = 2

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

11.Resposta ao degrau

Resposta: tp = 0,328 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 = 94 → ωₙ = 9,695 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·9,695) = 0,1547

Resultado

ωd = 9,695·√(1 − 0,1547²) = 9,579 rad/s → tp = π/ωd = 0,328 s

Resposta

tp = 0,328 s
12.Resposta ao degrau

Resposta: ts = 2 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) = 235/(s² + 4s + 235): ωₙ = 15,33 rad/s, ζ = 0,1305

Tempo de acomodação

ζωₙ = 4/2 = 2
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 2 s

Resposta

ts = 2 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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