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)18 N·mn0​nFL​

Um motor CC (k = 1,2 V·s/rad, Ra = 0,25 Ω) funciona com 110 V. A plena carga ele consome 15 A. Desprezando a corrente a vazio, encontre sua regulação de velocidade SR = (n₀ − nFL)/nFL em porcentagem.

V = 110 Vk = 1,2 V·s/radRa = 0,25 ΩIFL = 15 A
SR = %
2.Motores CCDifícil
+−110 VRa​ = 1,5 ΩM+−EωT

Um pequeno motor CC tem resistência de armadura de 1,5 Ω e funciona com 110 V. Desprezando as perdas rotacionais, encontre a maior potência mecânica Pmax que ele pode desenvolver em qualquer velocidade.

V = 110 VRa = 1,5 Ω
Pmax = W
3.Engrenagens e trens de engrenagensMédia
d1​ = 200 mmd2​ = 300 mm720 rpmT1​ = 800 NT2​ = 200 NP = ?

Uma correia passa por uma polia motora de 200 mm a 720 rpm. A tração é de 800 N no lado tracionado e de 200 N no lado frouxo. Encontre a potência P transmitida, em kW.

d1 = 200 mmn1 = 720 rpmT1 = 800 NT2 = 200 N
P = kW
4.Engrenagens e trens de engrenagensDifícil
d1​ = 100 mmd2​ = 500 mm720 rpmC = 500 mmT1​ = 2000 NT2​P = ?

Uma correia aberta liga uma polia motora de 100 mm a 720 rpm a uma polia de 500 mm; os centros estão a 500 mm de distância. O coeficiente de atrito é 0,3 e a tração no lado tracionado não pode exceder 2000 N. Encontre a maior potência P que a correia pode transmitir sem escorregar, em kW (ignore os efeitos centrífugos).

d1 = 100 mmn1 = 720 rpmd2 = 500 mmC = 500 mmμ = 0,3T1 = 2000 N
P = kW
5.Aquisição de dados e amostragemMédia
Vin​N = 102,5 V2ᴺ − 101 LSB0,772 V?

Um ADC de 10 bits com faixa de entrada de 0 a 2,5 V trunca: seu código de saída é ⌊Vin/LSB⌋ com 1 LSB = VFSR/2ᴺ. Encontre o código de saída decimal D para uma entrada de 0,772 V.

N = 10VFSR = 2,5 VVin = 0,772 V
D =
6.Aquisição de dados e amostragemDifícil
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​1/fbaud​12 MHz / (16·D)

Um microcontrolador com clock de 12 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 115200 baud. Encontre o erro percentual da taxa de baud real (positivo quando ela é rápida demais).

fclk = 12 MHzalvo = 115200 Bd
e = %
7.Ponte de Wheatstone e extensômetrosMédia
+−10 VR1​ = 200 ΩR2​ = 250 ΩR3​ = 80 ΩR4​ = 300 Ωab+−Rth​ = ?

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

Vs = 10 VR1 = 200 ΩR2 = 250 ΩR3 = 80 ΩR4 = 300 Ω
Rth = Ω
8.Ponte de Wheatstone e extensômetrosDifícil
+−10 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−Vo​

Um quarto de ponte (um extensômetro ativo, GF = 2) é excitado com 10 V. A maior deformação a ser medida é 800 µε, e ela deve resultar em 3,3 V na entrada de um conversor analógico-digital. Encontre o ganho do amplificador G.

Vs = 10 VGF = 2εmax = 800 µεVFS = 3,3 V
G =
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 10 % para uma entrada em degrau.

G(s) = K/((s + 1)(s + 10))ess = 10 %
K =
10.Erro em regime permanente e controle PIDDifícil
R(s)+K = 502s(s + 5)C(s)−

Um controlador proporcional K = 50 controla a planta G(s) = 2/(s(s + 5)) em uma malha com realimentação unitária. Encontre o tempo de acomodação de 2 % ts da resposta ao degrau, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 2/(s(s + 5))K = 50
ts = s
11.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)3tp​ = ?

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 96/(s² + 8s + 32) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o tempo de pico tp da resposta ao degrau.

G(s) = 96/(s² + 8s + 32)
tp = s
12.Resposta ao degrauDifícil
R(s)+Ks(s + 10)G(s)C(s)−

Uma malha de realimentação negativa unitária tem G(s) = K/(s(s + 10)). Encontre o ganho K que dá uma resposta ao degrau com 5 % de sobressinal.

G(s) = K/(s(s + 10))%OS = 5 %
K =

3Soluções

1.Motores CC

Resposta: SR = 3,529 %

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 = 60·110/(2π·1,2) = 875,4 rpm
nFL = 60·(110 − 15·0,25)/(2π·1,2) = 845,5 rpm

Regulação de velocidade

SR = (875,4 − 845,5)/845,5·100 = 3,529 %

Resposta

SR = 3,529 %
2.Motores CC

Resposta: Pmax = 2017 W

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.

Potência em função da fcem

P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 55 V

Potência máxima

Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 110²/(4·1,5) = 2017 W

Resposta

Pmax = 2017 W

Nesse ponto o rendimento é de apenas 50 %, por isso os motores reais funcionam bem acima da metade da velocidade.

3.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 4,524 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 = 7,54 m/s

Potência

P = (800 − 200)·7,54 = 4524 W = 4,524 kW

Resposta

P = 4,524 kW
4.Engrenagens e trens de engrenagens

Resposta: P = 3,779 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 = 2,319 rad

Tração do lado frouxo

eμθ = e0,6956 = 2,005, T₂ = 2000/2,005 = 997,6 N

Potência

P = (2000 − 997,6)·3,77 = 3,779 kW

Resposta

P = 3,779 kW
5.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: D = 316

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 = 2,5/210 = 2,441 mV

Código

Vin/LSB = 772/2,441 = 316,2
código = ⌊316,2⌋ = 316

Resposta

D = 316

Em binário, isso é 0100111100.

6.Aquisição de dados e amostragem

Resposta: e = −6,994 %

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 = 12·10⁶/(16·115200) = 6,51 → 7

Taxa de baud real

12·10⁶/(16·7) = 107143 Bd

Erro

(107143 − 115200)/115200·100 = −6,994 %

Resposta

e = −6,994 %

Um erro acima de cerca de 2 % torna o enlace pouco confiável: escolha outro clock ou outra taxa de baud.

7.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: Rth = 174,3 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 = 200·250/450 = 111,1 Ω
R₃∥R₄ = 80·300/380 = 63,16 Ω

Resistência de Thévenin

Rth = 174,3 Ω

Resposta

Rth = 174,3 Ω
8.Ponte de Wheatstone e extensômetros

Resposta: G = 825

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 = 4 mV

Ganho

G = 3,3/0,004 = 825

Resposta

G = 825
9.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: K = 90

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) = 0,1 → Kp = 9

Ganho

K/10 = 9 → K = 90

Resposta

K = 90

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: ts = 1,6 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 + 5) + 50·2 = s² + 5s + 100

ωₙ e ζ

ωₙ = √100 = 10 rad/s
ζ = 5/(2·10) = 0,25

Tempo de acomodação

ζωₙ = 5/2 = 2,5
ts ≈ 4/2,5 = 1,6 s

Resposta

ts = 1,6 s

O tempo de acomodação não depende de K aqui: aumentar K só faz a resposta oscilar mais rápido.

11.Resposta ao degrau

Resposta: tp = 0,7854 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 = 32 → ωₙ = 5,657 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·5,657) = 0,7071

Resultado

ωd = 5,657·√(1 − 0,7071²) = 4 rad/s → tp = π/ωd = 0,7854 s

Resposta

tp = 0,7854 s
12.Resposta ao degrau

Resposta: K = 52,49

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) = K/(s² + 10s + K)

Razão de amortecimento a partir do sobressinal

ζ = −ln(0,05)/√(π² + ln²(0,05)) = 0,6901

Ganho

ωₙ = 10/(2ζ) = 7,245 rad/s
K = ωₙ² = 52,49

Resposta

K = 52,49

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