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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
Desenhe o circuito da armadura: alimentação V, resistência Ra e fcem E em série.
Use V = E + Ia·Ra para relacionar tensão, corrente e fcem.
Use E = k·ω para a velocidade e T = k·Ia para o torque, com ω = 2π·n/60.
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
Anote o que é dado: taxa de amostragem, frequências do sinal, número de bits, faixa de entrada, taxa de baud.
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.
Em questões de resolução, determine 1 LSB = VFSR/2ᴺ ou o menor N com 2ᴺ ≥ faixa/resolução.
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
Trate a ponte como dois divisores de tensão sobre a mesma alimentação.
Para o equilíbrio, faça R₁/R₂ = R₃/R₄ e resolva para o resistor desconhecido.
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.
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
Conte os polos da malha aberta C(s)·G(s) em s = 0: esse é o tipo do sistema.
Calcule a constante de erro que corresponde à entrada: Kp para um degrau, Kv para uma rampa, Ka para uma parábola.
Aplique ess = A/(1 + Kp), A/Kv ou A/Ka, ou resolva-a para o ganho de que você precisa.
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
Um motor CC (k = 0,8 N·m/A, Ra = 0,25 Ω) funciona com 220 V e aciona um torque de carga de 32 N·m. Encontre sua velocidade n em rpm.
V = 220 Vk = 0,8 N·m/ARa = 0,25 ΩT = 32 N·m
n = rpm
2.Motores CCDifícil
Um motor CC com k = 0,75 V·s/rad e Ra = 0,25 Ω deve acionar uma carga de 22,5 N·m a 1000 rpm. Encontre a tensão de armadura V de que ele precisa.
Um motor de 1,1 kW girando a 2900 rpm aciona um pinhão com 12 dentes, que engrena com uma engrenagem de 24 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 97%. Calcule o torque T1 no eixo do motor.
P = 1,1 kWn1 = 2900 rpmN1 = 12N2 = 24η = 97%
T1 = N·m
4.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
Uma correia aberta liga uma polia motora de 125 mm a 1440 rpm a uma polia de 250 mm; os centros estão a 500 mm de distância. O coeficiente de atrito é 0,35 e a tração no lado tracionado não pode exceder 1200 N. Encontre a maior potência P que a correia pode transmitir sem escorregar, em kW (ignore os efeitos centrífugos).
Uma onda senoidal de 6 kHz é amostrada a 8 kHz sem filtro antialiasing. Em que frequência fa ela aparece nas amostras? Dê em Hz.
f = 6 kHzfs = 8 kHz
fa = Hz
6.Aquisição de dados e amostragemDifícil
Um sensor de temperatura fornece 10 mV/°C (0 V a 0 °C). Seu sinal é amplificado 2 vezes e entra em um ADC de 10 bits com faixa de 0 a 5 V (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Encontre a variação de temperatura ΔTLSB que corresponde a um LSB.
S = 10 mV/°CG = 2N = 10VFSR = 5 V
ΔTLSB = °C
7.Ponte de Wheatstone e extensômetrosMédia
Uma ponte tem quatro braços de 330 Ω e Vs = 3 V. O sensor R₂ aumenta de ΔR = 33 Ω. Encontre a saída exata Vab em mV.
Vs = 3 VR = 330 ΩΔR = 33 Ω
Vab = mV
8.Ponte de Wheatstone e extensômetrosDifícil
Uma célula de carga (uma ponte completa de extensômetros) tem uma saída nominal de 2,5 mV/V na carga nominal de 100 kg. Ela é excitada com 12 V. Encontre sua saída Vo sob uma carga de 60 kg.
2,5 mV/VFrated = 100 kgVs = 12 VF = 60 kg
Vo = mV
9.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
A entrada parabólica r(t) = 4·t²/2 é aplicada a uma malha com realimentação unitária com G(s) = 2(s + 5)/(s²(s + 1)). Encontre o erro em regime permanente ess.
G(s) = 2(s + 5)/(s²(s + 1))r(t) = 4·t²/2
ess =
10.Erro em regime permanente e controle PIDDifícil
Um controlador proporcional K controla a planta G(s) = 10/(s(s + 6)) em uma malha com realimentação unitária. Encontre o ganho K que dá à malha fechada um coeficiente de amortecimento ζ = 0,8.
G(s) = 10/(s(s + 6))ζ = 0,8
K =
11.Resposta ao degrauMédia
Um sistema tem a função de transferência G(s) = 19,5/(s² + 3s + 39) 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) = 19,5/(s² + 3s + 39)
ts = s
12.Resposta ao degrauDifícil
A resposta ao degrau de um sistema de segunda ordem sem zeros mostra 40 % de sobressinal, e o primeiro pico ocorre em t = 0,1 s. Encontre a frequência natural ωn.
%OS = 40 %tp = 0,1 s
ωn = rad/s
3Soluções
1.Motores CC
Resposta: n = 2507 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 = 32/0,8 = 40 A
fcem e velocidade
E = 220 − 40·0,25 = 210 V
ω = E/k = 262,5 rad/s → n = 2507 rpm
Resposta
n = 2507 rpm
2.Motores CC
Resposta: V = 86,04 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 = 0,75·104,7 = 78,54 V
Corrente de armadura
Ia = 22,5/0,75 = 30 A
Tensão de armadura
V = 78,54 + 30·0,25 = 86,04 V
Resposta
V = 86,04 V
3.Engrenagens e trens de engrenagens
Resposta: T1 = 3,622 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 = 1100/303,7 = 3,622 N·m
Resposta
T1 = 3,622 N·m
4.Engrenagens e trens de engrenagens
Resposta: P = 7,198 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.
Ângulo de abraçamento
θ = 2,891 rad
Tração do lado frouxo
eμθ = e1,012 = 2,751, T₂ = 1200/2,751 = 436,3 N
Potência
P = (1200 − 436,3)·9,425 = 7,198 kW
Resposta
P = 7,198 kW
5.Aquisição de dados e amostragem
Resposta: fa = 2000 Hz
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 = 4 kHz < f = 6 kHz
Múltiplo mais próximo da taxa de amostragem
k = round(6000/8000) = 1
Frequência de aliasing
fa = |6000 − 1·8000| = 2000 Hz
Resposta
fa = 2000 Hz
A curva tracejada na figura é o alias: ela passa exatamente pelas mesmas amostras.
6.Aquisição de dados e amostragem
Resposta: ΔTLSB = 0,2441 °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 = 5000/1024 = 4,883 mV
Sensibilidade no ADC
10·2 = 20 mV/°C
Resolução de temperatura
ΔTLSB = 4,883/20 = 0,2441 °C
Resposta
ΔTLSB = 0,2441 °C
O ADC atinge o fundo de escala a 250 °C.
7.Ponte de Wheatstone e extensômetros
Resposta: Vab = 71,43 mV
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.
Tensões dos nós
Va = 3·363/693 = 1,571 V
Vb = 1,5 V
Saídas
Vab = 71,43 mV
Resposta
Vab = 71,43 mV
A estimativa linear Vs·ΔR/(4R) = 75 mV está 5 % alta demais: um quarto de ponte não é perfeitamente linear.
8.Ponte de Wheatstone e extensômetros
Resposta: Vo = 18 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
2,5·12 = 30 mV
Saída nesta carga
Vo = 30·60/100 = 18 mV
Resposta
Vo = 18 mV
9.Erro em regime permanente e controle PID
Resposta: ess = 0,4
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 aceleração
Ka = 2·5/1 = 10
Erro de parábola
ess = 4/10 = 0,4
Resposta
ess = 0,4
10.Erro em regime permanente e controle PID
Resposta: K = 1,406
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
s(s + 6) + 10K = s² + 6s + 10K
Frequência natural
2·0,8·ωₙ = 6 → ωₙ = 3,75 rad/s
Ganho
10K = ωₙ² = 14,06 → K = 1,406
Resposta
K = 1,406
11.Resposta ao degrau
Resposta: ts = 2,667 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 = 39 → ωₙ = 6,245 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·6,245) = 0,2402
Resultado
ζωₙ = 1,5 → ts ≈ 4/1,5 = 2,667 s
Resposta
ts = 2,667 s
12.Resposta ao degrau
Resposta: ωn = 32,72 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).