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)0,75 N·mn0​n = ?

Um motor CC (k = 0,15 N·m/A, Ra = 0,25 Ω) funciona com 24 V e aciona um torque de carga de 0,75 N·m. Encontre sua velocidade n em rpm.

V = 24 Vk = 0,15 N·m/ARa = 0,25 ΩT = 0,75 N·m
n = rpm
2.Motores CCDifícil
T (N·m)n (rpm)15 N·m900 rpm

Um motor CC com k = 0,75 V·s/rad e Ra = 0,2 Ω deve acionar uma carga de 15 N·m a 900 rpm. Encontre a tensão de armadura V de que ele precisa.

k = 0,75 V·s/radRa = 0,2 ΩT = 15 N·mn = 900 rpm
V = V
3.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
d1​ = 100 mmd2​ = 400 mm2880 rpmT1​ = 600 NT2​ = 150 NP = ?

Uma correia passa por uma polia motora de 100 mm a 2880 rpm. A tração é de 600 N no lado tracionado e de 150 N no lado frouxo. Encontre a potência P transmitida, em kW.

d1 = 100 mmn1 = 2880 rpmT1 = 600 NT2 = 150 N
P = kW
4.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 60B = 80C = 16D = 18

Um motor de 15 kW a 960 rpm aciona a engrenagem A (60 dentes), que engrena com a engrenagem B (80 dentes). A engrenagem C (16 dentes), no mesmo eixo de B, aciona a engrenagem D (18 dentes) no eixo de saída. Cada engrenamento tem eficiência de 95%. Encontre o torque de saída Tout.

P = 15 kWnin = 960 rpmA = 60B = 80C = 16D = 18ηmesh = 95%
Tout = N·m
5.Aquisição de dados e amostragemMédia
Vin​N = 12VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Encontre a relação sinal-ruído de quantização ideal SQNR de um ADC de 12 bits para uma senoide de fundo de escala.

N = 12
SQNR = dB
6.Aquisição de dados e amostragemDifícil
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​Tb​10·Tb​230400 Bd, 8N1

Um ADC de 16 bits transmite cada amostra por uma UART a 230400 baud, formato 8N1 (bit de início, 8 bits de dados, 1 bit de parada). Cada amostra é enviada como 2 byte(s) inteiro(s) e o enlace fica ocupado o tempo todo. Encontre a maior frequência de sinal fmax que pode ser amostrada sem aliasing, em Hz.

baud = 230400 BdN = 168N1
fmax = Hz
7.Ponte de Wheatstone e extensômetrosMédia
+−6 V350 Ω350 Ω350 Ω350 Ωab+−

Um extensômetro de 350 Ω é um braço (R₂) de uma ponte com quatro braços iguais de 350 Ω e uma excitação de 6 V. Encontre a potência Pg dissipada no extensômetro, em mW. O autoaquecimento limita a excitação.

Vs = 6 VR = 350 Ω
Pg = mW
8.Ponte de Wheatstone e extensômetrosDifícil
+−5 V120 Ω − ΔR120 Ω + ΔR120 Ω + ΔR120 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

Uma célula de carga (uma ponte completa de extensômetros) tem uma saída nominal de 1 mV/V na carga nominal de 100 kg. Ela é excitada com 5 V. Encontre sua saída Vo sob uma carga de 25 kg.

1 mV/VFrated = 100 kgVs = 5 VF = 25 kg
Vo = mV
9.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
R(s)+K(s + 1)(s + 2)C(s)−

Uma malha com realimentação unitária tem G(s) = K/((s + 1)(s + 2)). Encontre o ganho K que dá um erro em regime permanente de 4 % para uma entrada em degrau.

G(s) = K/((s + 1)(s + 2))ess = 4 %
K =
10.Erro em regime permanente e controle PIDDifícil
r(t) = 2t+5 + 0,5/s20(s + 1)(s + 5)C(s)−

Um controlador PI C(s) = 5 + 0,5/s controla a planta G(s) = 20/((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) = 5 + 0,5/sG(s) = 20/((s + 1)(s + 5))r(t) = 2t
ess =
11.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)3

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 48/(s² + 3s + 16) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre a frequência natural ωn em rad/s.

G(s) = 48/(s² + 3s + 16)
ωn = rad/s
12.Resposta ao degrauDifícil
+−24 VR = 11 ΩL = 20 mHC = 100 µFvC​

Um circuito RLC série com R = 11 Ω, L = 20 mH e C = 100 µF é ligado a um degrau de 24 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 = 11 ΩL = 20 mHC = 100 µFV = 24 V
tp = ms

3Soluções

1.Motores CC

Resposta: n = 1448 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.

Corrente de armadura

Ia = T/k = 0,75/0,15 = 5 A

fcem e velocidade

E = 24 − 5·0,25 = 22,75 V
ω = E/k = 151,7 rad/s → n = 1448 rpm

Resposta

n = 1448 rpm
2.Motores CC

Resposta: V = 74,69 V

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.

Força contraeletromotriz

E = 0,75·94,25 = 70,69 V

Corrente de armadura

Ia = 15/0,75 = 20 A

Tensão de armadura

V = 70,69 + 20·0,2 = 74,69 V

Resposta

V = 74,69 V
3.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 6,786 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 = 15,08 m/s

Potência

P = (600 − 150)·15,08 = 6786 W = 6,786 kW

Resposta

P = 6,786 kW
4.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: Tout = 202 N·m

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.

Velocidade de saída

nout = 960·(60/80)·(16/18) = 640 rpm
ωout = 2π·640/60 = 67,02 rad/s

Potência e torque de saída

Pout = 15000·0,95² = 13538 W
Tout = Pout/ωout = 13538/67,02 = 202 N·m

Resposta

Tout = 202 N·m
5.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: SQNR = 74 dB

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.

SQNR ideal

SQNR = 6,02·12 + 1,76 = 74 dB

Resposta

SQNR = 74 dB
6.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: fmax = 5760 Hz

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 amostra na linha

2·10 = 20 bit

Maior taxa de amostragem

fs,max = 230400/20 = 11520 Hz

Limite de Nyquist

fmax = 11520/2 = 5760 Hz

Resposta

fmax = 5760 Hz
7.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: Pg = 25,71 mW

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 sobre o extensômetro

V = 6/2 = 3 V

Potência

Pg = 3²/350 = 25,71 mW

Resposta

Pg = 25,71 mW
8.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: Vo = 1,25 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

1·5 = 5 mV

Saída nesta carga

Vo = 5·25/100 = 1,25 mV

Resposta

Vo = 1,25 mV
9.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: K = 48

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 erro necessária

1/(1 + Kp) = 0,04 → Kp = 24

Ganho

K/2 = 24 → K = 48

Resposta

K = 48

Verifique também a estabilidade de malha fechada: para esta malha de segunda ordem qualquer K > 0 é estável.

10.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: ess = 1

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) = 5s + 0,5 → 0,5 quando s → 0.

Kv = 0,5·20/5 = 2

Erro de rampa

ess = 2/2 = 1

Resposta

ess = 1

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

11.Resposta ao degrau

Resposta: ωn = 4 rad/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 = 16 → ωₙ = 4 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·4) = 0,375

Resultado

ωₙ = 4 rad/s

Resposta

ωn = 4 rad/s
12.Resposta ao degrau

Resposta: tp = 4,823 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/√(0,02·1 × 10⁻⁴) = 707,1 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (11/2)·√(1 × 10⁻⁴/0,02) = 0,3889

Resultado

ωd = 651,4 rad/s
tp = π/ωd = 4,823 ms

Resposta

tp = 4,823 ms

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