メカトロニクスシステム:直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、12 問の演習問題。完全な解答は巻末にあります。

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1公式と解法

直流モーター

電機子回路
V = E + IaRa
逆起電力とトルク
E = k·ω, T = k·Ia
速さ
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
無負荷速度と拘束トルク
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
電力
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
始動
Istart = V/(Ra + Rst)
速度変動率
SR = (n0 − nFL)/nFL
最大発生電力
Pmax = V²/(4Ra)
チョッパ駆動
Va = D·Vdc

解き方

  1. 電機子回路を描きます:電源 V、抵抗 Ra、逆起電力 E が直列につながります。
  2. 電圧、電流、逆起電力を結びつけるには V = E + Ia·Ra を使います。
  3. 速度には E = k·ω、トルクには T = k·Ia を使います。ω = 2π·n/60 です。
  4. 電力と効率では、V·Ia から始めて、銅損 Ia²·Ra を引き、次に回転損を引きます。

歯車と歯車列

かみ合う歯車
n1·N1 = n2·N2
トルク
T2 = T1·(N2/N1)·η
電力
P = T·ω, ω = 2π·n/60
複合歯車列
全体の速比 = 各段の速比の積

データ収録とサンプリング

ナイキスト条件
fs > 2·fmax, fN = fs/2
エイリアス周波数
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
ステップ幅
1 LSB = VFSR/2ᴺ
量子化誤差(四捨五入)
±½ LSB
切り捨て ADC のコード
D = ⌊Vin/LSB⌋
分解能 r に必要なビット数
2ᴺ ≥ span/r
理想 SQNR(フルスケールの正弦波)
SQNR = 6.02·N + 1.76 dB
データレート
チャネル数 × fs × N bit/s
マルチプレクス ADC
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/ボーレート;8N1 = 1 バイトあたり 10 ビット;バイト/s = ボーレート/1 フレームのビット数
ボーレート分周比
baud = fclk/(16·D)

解き方

  1. まず与えられた値を書き出します:サンプリング周波数、信号の周波数、ビット数、入力レンジ、ボーレート。
  2. サンプリングの問題では、各周波数を fs/2 と比べます。それより高い周波数は、fs の最も近い整数倍を使って fa = |f − k·fs| の位置に現れます。
  3. 分解能の問題では、1 LSB = VFSR/2ᴺ を求めるか、2ᴺ ≥ 範囲/分解能 を満たす最小の N を求めます。
  4. データレートと UART 通信では、送られるものをすべて数えます:チャネル数、毎秒のサンプル数、1 サンプルあたりのビット数またはバイト数、そして各フレームのスタートビット、パリティビット、ストップビット。

ホイートストンブリッジとひずみゲージ

分圧器の電圧
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
排泄量
Vab = Va − Vb
出納
R1/R2 = R3/R4
スライドワイヤブリッジ
R/Rx = l/(100 − l)
テブナン抵抗
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
ゲージ率
ΔR/R = GF·ε
ブリッジの出力
1/4 ブリッジ Vs·GF·ε/4、1/2 ブリッジ Vs·GF·ε/2、フルブリッジ Vs·GF·ε
微小変化、1 辺のみ
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
応力
σ = E·ε

解き方

  1. ブリッジを、同じ電源につながれた 2 つの分圧器として扱います。
  2. 平衡では、R₁/R₂ = R₃/R₄ とおいて、未知の抵抗について解きます。
  3. 不平衡ブリッジでは、分圧器から Va と Vb を求めて差をとります。計器が出力に負荷をかけるときは、テブナン等価回路を使います。
  4. ひずみゲージでは、ひずみを ΔR/R = GF·ε に直し、1/4、1/2、フルブリッジに応じて Vs·GF·ε/4、/2、×1 を使います。

定常偏差と PID 制御

システムの型
G(s) の s = 0 にある極の個数
偏差定数
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
ステップ A
ess = A/(1 + Kp)
ランプ A·t
ess = A/Kv
放物線 A·t²/2
ess = A/Ka
PID 制御器
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
2 次系の目標
s² + 2ζωns + ωn²
オーバーシュートと時間
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

解き方

  1. 開ループ C(s)·G(s) の s = 0 にある極を数えます:それがシステムの型です。
  2. 入力に対応する偏差定数を求めます:ステップには Kp、ランプには Kv、放物線には Ka です。
  3. ess = A/(1 + Kp)、A/Kv、または A/Ka を使うか、それを必要なゲインについて解きます。
  4. 減衰や速度の仕様では、閉ループの特性多項式を書き、s² + 2ζω_n·s + ω_n² と係数を合わせます。

2演習問題

1.直流モーターふつう
T (N·m)n (rpm)0.5 N·mn0​nFL​

直流モーター(k = 0.25 V·s/rad、Ra = 1.2 Ω)が 48 V で動作します。全負荷時に 2 A が流れます。無負荷電流を無視して、速度変動率 SR = (n₀ − nFL)/nFL を百分率で求めなさい。

V = 48 Vk = 0.25 V·s/radRa = 1.2 ΩIFL = 2 A
SR = %
2.直流モーターむずかしい
+−120 VRst​ = ?Ra​ = 1 Ω80 AM+−E = 0n = 0T

120 V の直流モーターの電機子抵抗は 1 Ω です。始動電流を 80 A に制限する直列の始動抵抗 Rst を求めなさい。

V = 120 VRa = 1 ΩImax = 80 A
Rst = Ω
3.歯車と歯車列ふつう
d1​ = 120 mmd2​ = 315 mm720 rpmn2​ = ?

直径 120 mm のプーリが 720 rpm で回り、滑り 3 % のベルトで直径 315 mm のプーリを駆動します。従動プーリの回転速度 n2 を求めなさい。

n1 = 720 rpmd1 = 120 mmd2 = 315 mms = 3 %
n2 = rpm
4.歯車と歯車列むずかしい
A = 24B = 60C = 25D = 50

複合歯車列において、1500 rpm で回転する入力軸上の歯車 A(歯数 24)が歯車 B(歯数 60)を駆動する。歯車 C(歯数 25)は B と同じ軸に固定されており、出力軸上の歯車 D(歯数 50)を駆動する。出力回転速度 nout を求めよ。

nin = 1500 rpmA = 24B = 60C = 25D = 50
nout = rpm
5.データ収録とサンプリングふつう
Vin​N = 12VFSR​2ᴺ − 101 LSB

12 ビット ADC の、フルスケールの正弦波に対する理想的な信号対量子化雑音比 SQNR を求めなさい。

N = 12
SQNR = dB
6.データ収録とサンプリングむずかしい
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​1/fbaud​2 MHz / (16·D)

クロック 2 MHz のマイクロコントローラが、UART のボーレートを fclk/(16·D) に設定します。D は最も近い値に丸めた整数です。目標は 4800 baud です。実際のボーレートの誤差を百分率で求めなさい(速すぎる場合を正とします)。

fclk = 2 MHz目標値 = 4800 Bd
e = %
7.ホイートストンブリッジとひずみゲージふつう
+−5 V200 Ω200 Ω + ΔR200 Ω200 Ωab+−Vab​ = ?

4 つの辺がすべて 200 Ω のブリッジで、Vs = 5 V です。センサ R₂ が ΔR = 50 Ω だけ増加します。厳密な出力 Vab を mV で求めなさい。

Vs = 5 VR = 200 ΩΔR = 50 Ω
Vab = mV
8.ホイートストンブリッジとひずみゲージむずかしい
+−10 V350 Ω − ΔR350 Ω + ΔR350 Ω + ΔR350 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

350 Ω の辺をもつブリッジに 10 V を加え、アクティブゲージ 4 枚、2 枚が引張、2 枚が圧縮(フルブリッジ) とします。ゲージ率は 2、ひずみは 600 µε です。ブリッジの出力 Vo を mV で求めなさい。

Vs = 10 VGF = 2ε = 600 µε
Vo = mV
9.定常偏差と PID 制御ふつう
r(t) = 10 + 5t+20(s + 3)s(s + 10)C(s)−

入力 r(t) = 10 + 5t(ステップとランプの和)が、G(s) = 20(s + 3)/(s(s + 10)) の単位フィードバックのループに加えられます。定常偏差 ess を求めなさい。

G(s) = 20(s + 3)/(s(s + 10))r(t) = 10 + 5t
ess =
10.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+Kp​ + Ki​/s5s + 2C(s)−

PI 制御器 C(s) = Kp + Ki/s が、単位フィードバックのループで制御対象 G(s) = 5/(s + 2) を制御しています。閉ループは ωₙ = 5 rad/s、ζ = 1 でなければなりません。比例ゲイン Kp を求めなさい。

G(s) = 5/(s + 2)ωₙ = 5 rad/sζ = 1
Kp =
11.ステップ応答ふつう
t (s)y(t)1tp​ = ?

ある系の伝達関数は G(s) = 33/(s² + 9s + 33) で、単位ステップ入力を受ける。 ステップ応答のピーク時間 tp を求めよ。

G(s) = 33/(s² + 9s + 33)
tp = s
12.ステップ応答むずかしい
t (s)y(t)1tp​ = 0.1 s20 %

零点をもたない 2 次系のステップ応答で、オーバーシュートは 20 % で、最初のピークは t = 0.1 s に現れる。固有角周波数 ωn を求めよ。

%OS = 20 %tp = 0.1 s
ωn = rad/s

3溶液

1.直流モーター

答え: SR = 5.263 %

直流モーター:電機子は、逆起電力 E と直列の抵抗 Ra と見なせるので、V = E + Ia·Ra です。逆起電力は速度に比例して E = k·ω、トルクは電流に比例して T = k·Ia となり、SI 単位では同じモーター定数 k (V·s/rad = N·m/A) を使います。速度は ω = 2π·n/60 で換算します。発生電力は E·Ia = T·ω です。入力電力は V·Ia で、その差は銅損 Ia²Ra と回転損です。速度はトルクに対して直線的に下がり、ω = V/k − Ra·T/k² です。無負荷速度 V/k から、拘束トルク k·V/Ra で 0 になります。停止時には E = 0 なので、抵抗で制限しないかぎり始動電流 V/Ra は大きくなります。

無負荷速度と全負荷速度

n₀ = 60·48/(2π·0.25) = 1833 rpm
nFL = 60·(48 − 2·1.2)/(2π·0.25) = 1742 rpm

速度変動率

SR = (1833 − 1742)/1742·100 = 5.263 %

答え

SR = 5.263 %
2.直流モーター

答え: Rst = 0.5 Ω

直流モーター:電機子は、逆起電力 E と直列の抵抗 Ra と見なせるので、V = E + Ia·Ra です。逆起電力は速度に比例して E = k·ω、トルクは電流に比例して T = k·Ia となり、SI 単位では同じモーター定数 k (V·s/rad = N·m/A) を使います。速度は ω = 2π·n/60 で換算します。発生電力は E·Ia = T·ω です。入力電力は V·Ia で、その差は銅損 Ia²Ra と回転損です。速度はトルクに対して直線的に下がり、ω = V/k − Ra·T/k² です。無負荷速度 V/k から、拘束トルク k·V/Ra で 0 になります。停止時には E = 0 なので、抵抗で制限しないかぎり始動電流 V/Ra は大きくなります。

全抵抗

Ra + Rst = 120/80 = 1.5 Ω

始動抵抗器

Rst = 1.5 − 1 = 0.5 Ω

答え

Rst = 0.5 Ω

抵抗器は、モーターが加速して逆起電力が大きくなるにつれて、段階的に切り離されます。

3.歯車と歯車列

答え: n2 = 266.1 rpm

ベルト駆動:滑りがなければ、両方のプーリの周速は同じ v = π·d·n/60 なので、n₁·d₁ = n₂·d₂ となり、速度比は d₂/d₁ です。滑り s があると、従動プーリは少し遅くなります:n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s)。伝達される動力は P = (T₁ − T₂)·v で、T₁ は張り側の張力、T₂ は緩み側の張力です。摩擦が張力の比を制限します:T₁/T₂ = eμθ、θ は小さいほうのプーリへの巻き付け角(ラジアン)です。平行掛けのベルトでは、軸間距離 C を使って θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) です。

滑りなしの回転速度

720·120/315 = 274.3 rpm

滑りあり

n2 = 274.3·0.97 = 266.1 rpm

答え

n2 = 266.1 rpm
4.歯車と歯車列

答え: nout = 300 rpm

歯車列:かみ合う歯車は歯の部分で同じ速さで動くので、n₁·N₁ = n₂·N₂ となり、歯数の少ない歯車ほど速く回ります。同じ軸に取り付けた歯車は同じ回転速度で回ります。動力は(損失を除いて)そのまま伝わるので、回転速度が下がるとトルクは上がります:T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η。また P = T·ω、ただし ω = 2π·n/60。

第 1 段

nB = 1500·24/60 = 600 rpm = nC

第 2 段

nout = 600·25/50 = 300 rpm

答え

nout = 300 rpm

全体の速比 = 5 : 1

5.データ収録とサンプリング

答え: SQNR = 74 dB

ADC の分解能:N ビットの変換器は、フルスケール範囲 VFSR を 0 から 2ᴺ − 1 までの 2ᴺ 個のコードに分けます。1 ステップは 1 LSB = VFSR/2ᴺ で、変換器が表示できる最小の変化です。切り捨て ADC はコード ⌊Vin/LSB⌋ を出力します。四捨五入する ADC は真の値から ½ LSB より離れることがなく、これが量子化誤差です。ビットが 1 つ増えるごとに LSB は半分になり、フルスケールの正弦波に対する理想的な信号対量子化雑音比 SQNR = 6.02·N + 1.76 dB はおよそ 6 dB 向上します。ある範囲で分解能 r を得るには、2ᴺ ≥ 範囲/r を満たす最小の N を選びます。

理想 SQNR

SQNR = 6.02·12 + 1.76 = 74 dB

答え

SQNR = 74 dB
6.データ収録とサンプリング

答え: e = 0.1603 %

UART:調歩同期式のシリアル通信は、各バイトをフレームとして送ります:スタートビット(Low)1 つ、データビット、任意のパリティビット、ストップビット(High)1 つまたは 2 つ。ボーレートは毎秒のビット数なので、1 ビットの長さは Tb = 1/ボーレート、n ビットのフレームの長さは n/ボーレートです。よく使われる 8N1 形式は 1 バイトが 10 ビットです。ボーレート発生器はクロックを分周します:ボーレート = fclk/(16·D)、D は整数なので、実際のボーレートは目標値とわずかに異なります。誤差がおよそ 2 % 未満なら、たいてい許容されます。

分周比

D = 2·10⁶/(16·4800) = 26.04 → 26

実際のボーレート

2·10⁶/(16·26) = 4808 Bd

誤差

(4808 − 4800)/4800·100 = 0.1603 %

答え

e = 0.1603 %

誤差がおよそ 2 % 未満なら、たいてい許容されます。

7.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: Vab = 277.8 mV

ホイートストンブリッジ:2 つの分圧器が 1 つの電源 Vs を共有します。左の分圧器 R1–R2 は Va = Vs·R2/(R1 + R2) を、右の分圧器 R3–R4 は Vb = Vs·R4/(R3 + R4) を与え、出力は Vab = Va − Vb です。R1/R2 = R3/R4、すなわち R1·R4 = R2·R3 のとき、ブリッジは平衡しています(Vab = 0 で、検流計に電流が流れません)。出力端子から見ると、ブリッジは Rth = R1∥R2 + R3∥R4 のテブナン電源です。

節点電圧

Va = 5·250/450 = 2.778 V
Vb = 2.5 V

排泄量

Vab = 277.8 mV

答え

Vab = 277.8 mV

線形の見積もり Vs·ΔR/(4R) = 312.5 mV は 12.5 % 大きすぎます:1/4 ブリッジは完全には線形ではありません。

8.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: Vo = 12 mV

ひずみゲージ:ゲージはひずみに応じて抵抗が変わります:ΔR/R = GF·ε。ゲージ率 GF は金属箔で約 2 です。すべての辺が R に等しいブリッジで、アクティブゲージが 1 枚(1/4 ブリッジ)のとき Vo ≈ Vs·GF·ε/4 です。隣り合う辺に逆向きのひずみを受ける 2 枚のアクティブゲージ(1/2 ブリッジ)では Vs·GF·ε/2、4 枚(フルブリッジ)では Vs·GF·ε になります。応力はフックの法則 σ = E·ε から求まります。ロードセルは感度を mV/V で表します:励起電圧 1 V あたりの定格荷重での出力です。

抵抗の相対変化

ΔR/R = 2·600·10⁻⁶ = 0.0012

ブリッジの出力

Vo = Vs·GF·ε = 10·0.0012 = 12 mV

答え

Vo = 12 mV
9.定常偏差と PID 制御

答え: ess = 0.8333

定常偏差:開ループ伝達関数 G(s) をもつ単位フィードバックのループでは、偏差は E(s) = R(s)/(1 + G(s)) で、最終値の定理により ess = lims→0 s·E(s) です。システムの型は、G(s) の s = 0 にある極の個数です。偏差定数は Kp = lim G(s)、Kv = lim s·G(s)、Ka = lim s²·G(s) で、いずれも s → 0 の極限です。大きさ A のステップ入力では ess = A/(1 + Kp)、ランプ入力 A·t では A/Kv、放物線入力 A·t²/2 では A/Ka になります。0 型のループはステップ入力に有限の偏差で追従し、1 型のループはステップ入力に偏差なく追従し、ランプ入力には有限の偏差で追従します。

速度偏差定数

Kv = lim s·G(s) = 6

ステップ成分

Kp = ∞ → estep = 0

ランプ偏差

ess = 5/6 = 0.8333

答え

ess = 0.8333
10.定常偏差と PID 制御

答え: Kp = 1.6

P 制御、PI 制御、PID 制御:制御器 C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s は偏差に作用します。比例ゲインはループを速くし、0 型の制御対象の偏差を小さくしますが、なくすことはできません。積分項は s = 0 に極を加えます:システムの型が 1 つ上がり、ステップ入力に偏差なく追従します。微分項は減衰を加えます。ゲインを決めるには、閉ループの特性多項式を書き、s² + 2ζωns + ωn² と比較します。すると %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²)、tp = π/ωd(ωd = ωn√(1 − ζ²))、ts ≈ 4/(ζωn) となります。

特性多項式

1 + C(s)G(s) = 0 に s(s + 2) を掛けます。

s² + (2 + 5Kp)s + 5Ki

目標の多項式

s² + 2·1·5s + 5² = s² + 10s + 25

係数を合わせる

2 + 5Kp = 10 → Kp = 1.6

答え

Kp = 1.6

積分項によりループは 1 型になるので、ステップ入力に定常偏差なく追従します。

11.ステップ応答

答え: tp = 0.8798 s

ステップ応答:1 次系 G(s) = K/(τs + 1) は、大きさ U のステップに対して y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) と応答します。時定数 τ の後に最終値 K·U の 63.2 %、4τ の後に 98 % に達します。2 次系 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) の極は s = −ζωₙ ± jωd(ωd = ωₙ√(1 − ζ²))です。0 < ζ < 1 のとき、ステップ応答にはオーバーシュートがあります:オーバーシュート率 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²)、ピーク時間 tp = π/ωd、2 % 整定時間 ts ≈ 4/(ζωₙ)。分母を s² + 2ζωₙs + ωₙ² と比べると、ωₙ と ζ が読み取れます。質量・ばね・ダンパでは ωₙ = √(k/m)、ζ = c/(2√(km))、直列 RLC 回路では ωₙ = 1/√(LC)、ζ = (R/2)·√(C/L) です。

標準形と比べる

分母は s² + 2ζωₙs + ωₙ² と一致しなければなりません。

ωₙ² = 33 → ωₙ = 5.745 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·5.745) = 0.7833

結果

ωd = 5.745·√(1 − 0.7833²) = 3.571 rad/s → tp = π/ωd = 0.8798 s

答え

tp = 0.8798 s
12.ステップ応答

答え: ωn = 35.3 rad/s

ステップ応答:1 次系 G(s) = K/(τs + 1) は、大きさ U のステップに対して y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) と応答します。時定数 τ の後に最終値 K·U の 63.2 %、4τ の後に 98 % に達します。2 次系 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) の極は s = −ζωₙ ± jωd(ωd = ωₙ√(1 − ζ²))です。0 < ζ < 1 のとき、ステップ応答にはオーバーシュートがあります:オーバーシュート率 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²)、ピーク時間 tp = π/ωd、2 % 整定時間 ts ≈ 4/(ζωₙ)。分母を s² + 2ζωₙs + ωₙ² と比べると、ωₙ と ζ が読み取れます。質量・ばね・ダンパでは ωₙ = √(k/m)、ζ = c/(2√(km))、直列 RLC 回路では ωₙ = 1/√(LC)、ζ = (R/2)·√(C/L) です。

減衰比

ζ = −ln(0.2)/√(π² + ln²(0.2)) = 1.609/√(9.87 + 2.59) = 0.4559

固有振動数

ωd = π/tp = π/0.1 = 31.42 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 31.42/0.89 = 35.3 rad/s

答え

ωn = 35.3 rad/s

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