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)8 N·mn0​n = ?

Um motor CC (k = 1 N·m/A, Ra = 1,2 Ω) funciona com 110 V e aciona um torque de carga de 8 N·m. Encontre sua velocidade n em rpm.

V = 110 Vk = 1 N·m/ARa = 1,2 ΩT = 8 N·m
n = rpm
2.Motores CCDifícil
+−120 VRst​ = ?Ra​ = 0,8 Ω60 AM+−E = 0n = 0T

Um motor CC de 120 V tem resistência de armadura de 0,8 Ω. Encontre a resistência de partida em série Rst que limita a corrente de partida a 60 A.

V = 120 VRa = 0,8 ΩImax = 60 A
Rst = Ω
3.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
N1​ = 12N2​ = 20

Um motor de 0,75 kW girando a 1500 rpm aciona um pinhão com 12 dentes, que engrena com uma engrenagem de 20 dentes. O par de engrenagens tem rendimento de 97%. Calcule o torque T1 no eixo do motor.

P = 0,75 kWn1 = 1500 rpmN1 = 12N2 = 20η = 97%
T1 = N·m
4.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
A = 36B = 80C = 24D = 50

Em um trem de engrenagens composto, a engrenagem A (36 dentes), no eixo de entrada girando a 2900 rpm, aciona a engrenagem B (80 dentes). A engrenagem C (24 dentes) está fixada no mesmo eixo que B e aciona a engrenagem D (50 dentes) no eixo de saída. Calcule a rotação de saída nout.

nin = 2900 rpmA = 36B = 80C = 24D = 50
nout = rpm
5.Aquisição de dados e amostragemMédia
∿01N = 162 kHz? MB

Um gravador amostra um canal a 2 kHz com um ADC de 16 bits. Cada amostra é armazenada em bytes inteiros. Encontre a memória M necessária para uma gravação de 60 min, em MB (1 MB = 10⁶ bytes).

n = 1fs = 2 kHzN = 16t = 60 min
M = MB
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 4800 baud. Encontre o erro percentual da taxa de baud real (positivo quando ela é rápida demais).

fclk = 24 MHzalvo = 4800 Bd
e = %
7.Ponte de Wheatstone e extensômetrosMédia
+−6 VR1​ = 800 ΩR2​ = 300 ΩR3​ = 200 ΩR4​ = 40 Ωab+−Rth​ = ?

Encontre a resistência de Thévenin Rth da ponte mostrada, vista dos terminais de saída a e b.

Vs = 6 VR1 = 800 ΩR2 = 300 ΩR3 = 200 ΩR4 = 40 Ω
Rth = Ω
8.Ponte de Wheatstone e extensômetrosDifícil
+−2,5 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−Vo​ = ?

Uma ponte com braços de 350 Ω é excitada com 2,5 V e tem um extensômetro ativo (um quarto de ponte). O fator do extensômetro é 2 e a deformação é 1000 µε. Encontre a saída da ponte Vo em mV.

Vs = 2,5 VGF = 2ε = 1000 µε
Vo = mV
9.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
R(s)+K(s + 1)(s + 10)C(s)−

Uma malha com realimentação unitária tem G(s) = K/((s + 1)(s + 10)). Encontre o ganho K que dá um erro em regime permanente de 5 % para uma entrada em degrau.

G(s) = K/((s + 1)(s + 10))ess = 5 %
K =
10.Erro em regime permanente e controle PIDDifícil
R(s)+10 + Kd​s1s(s + 1)C(s)−

Um controlador PD C(s) = 10 + Kd·s controla a planta G(s) = 1/(s(s + 1)) em uma malha com realimentação unitária. Encontre o ganho derivativo Kd que dá à malha fechada um coeficiente de amortecimento ζ = 0,9.

G(s) = 1/(s(s + 1))Kp = 10ζ = 0,9
Kd = s
11.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)0,5

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 38/(s² + 11s + 76) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre a frequência natural ωn em rad/s.

G(s) = 38/(s² + 11s + 76)
ωn = rad/s
12.Resposta ao degrauDifícil
+−24 VR = 9 ΩL = 20 mHC = 10 µFvC​

Um circuito RLC série com R = 9 Ω, L = 20 mH e C = 10 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 = 9 ΩL = 20 mHC = 10 µFV = 24 V
tp = ms

3Soluções

1.Motores CC

Resposta: n = 958,7 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 = 8/1 = 8 A

fcem e velocidade

E = 110 − 8·1,2 = 100,4 V
ω = E/k = 100,4 rad/s → n = 958,7 rpm

Resposta

n = 958,7 rpm
2.Motores CC

Resposta: Rst = 1,2 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 = 120/60 = 2 Ω

Resistor de partida

Rst = 2 − 0,8 = 1,2 Ω

Resposta

Rst = 1,2 Ω

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

3.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: T1 = 4,775 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·1500/60 = 157,1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 750/157,1 = 4,775 N·m

Resposta

T1 = 4,775 N·m
4.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: nout = 626,4 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 = 2900·36/80 = 1305 rpm = nC

Segundo estágio

nout = 1305·24/50 = 626,4 rpm

Resposta

nout = 626,4 rpm

relação total = 4,63 : 1

5.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: M = 14,4 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

1·2000·2 = 4000 B/s

Memória

M = 4000·3600 = 1,44 × 10⁷ B = 14,4 MB

Resposta

M = 14,4 MB
6.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: e = −0,1597 %

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/(16·4800) = 312,5 → 313

Taxa de baud real

24·10⁶/(16·313) = 4792 Bd

Erro

(4792 − 4800)/4800·100 = −0,1597 %

Resposta

e = −0,1597 %

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

7.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: Rth = 251,5 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.

Alimentação em curto

R₁∥R₂ = 800·300/1100 = 218,2 Ω
R₃∥R₄ = 200·40/240 = 33,33 Ω

Resistência de Thévenin

Rth = 251,5 Ω

Resposta

Rth = 251,5 Ω
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.

Variação relativa da resistência

ΔR/R = 2·1000·10⁻⁶ = 0,002

Saída da ponte

Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 2,5·0,002/4 = 1,25 mV

Resposta

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

Resposta: K = 190

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) = 0,05 → Kp = 19

Ganho

K/10 = 19 → K = 190

Resposta

K = 190

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: Kd = 4,692 s

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 + 1) + 1(10 + Kds) = s² + (1 + 1Kd)s + 10

Frequência natural

ωₙ = √10 = 3,162 rad/s

Ganho derivativo

1 + 1Kd = 2·0,9·3,162 = 5,692
Kd = 4,692 s

Resposta

Kd = 4,692 s

O termo derivativo acrescenta amortecimento sem alterar ωₙ.

11.Resposta ao degrau

Resposta: ωn = 8,718 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 = 76 → ωₙ = 8,718 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·8,718) = 0,6309

Resultado

ωₙ = 8,718 rad/s

Resposta

ωn = 8,718 rad/s
12.Resposta ao degrau

Resposta: tp = 1,412 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 × 10⁻⁵) = 2236 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (9/2)·√(1 × 10⁻⁵/0,02) = 0,1006

Resultado

ωd = 2225 rad/s
tp = π/ωd = 1,412 ms

Resposta

tp = 1,412 ms

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