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)18 N·mn0​n = ?

直流モーター(k = 1.5 N·m/A、Ra = 1.2 Ω)が 110 V で動作し、負荷トルク 18 N·m を駆動します。速度 n を rpm で求めなさい。

V = 110 Vk = 1.5 N·m/ARa = 1.2 ΩT = 18 N·m
n = rpm
2.直流モーターむずかしい
+−48 VRs​ = ?Ra​ = 1 ΩM+−En = 500 rpmT = 1.2 N·m

固定の 48 V の電源で動作する直流モーター(k = 0.6 V·s/rad、Ra = 1 Ω)が、1.2 N·m の負荷を駆動しています。速度を 500 rpm まで下げる直列抵抗 Rs を求めなさい。

V = 48 Vk = 0.6 V·s/radRa = 1 ΩT = 1.2 N·mn = 500 rpm
Rs = Ω
3.歯車と歯車列ふつう
d1​ = 160 mmd2​ = 500 mm1500 rpmn2​ = ?

直径 160 mm のプーリが 1500 rpm で回り、滑り 2.5 % のベルトで直径 500 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 = 1500 rpmd1 = 160 mmd2 = 500 mms = 2.5 %
n2 = rpm
4.歯車と歯車列むずかしい
A = 16B = 45C = 12D = 40

複合歯車列において、960 rpm で回転する入力軸上の歯車 A(歯数 16)が歯車 B(歯数 45)を駆動する。歯車 C(歯数 12)は B と同じ軸に固定されており、出力軸上の歯車 D(歯数 40)を駆動する。出力回転速度 nout を求めよ。

nin = 960 rpmA = 16B = 45C = 12D = 40
nout = rpm
5.データ収録とサンプリングふつう
Vin​N = 14VFSR​2ᴺ − 101 LSB

14 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 = 14
SQNR = dB
6.データ収録とサンプリングむずかしい
1216⋮16 ch∿01tc​ = 4 µstset​ = 1 µsfs​ = ?

16 チャネルのマルチプレクサが 1 つの ADC に接続されています。1 回の変換に 4 µs かかり、チャネルを切り替えるたびに入力の整定に 1 µs かかります。チャネルは休みなく順に走査されます。各チャネルのサンプリング周波数 fs を kHz で求めなさい。

n = 16tc = 4 µstset = 1 µs
fs = kHz
7.ホイートストンブリッジとひずみゲージふつう
+−3 V250 Ω250 Ω + ΔR250 Ω250 Ωab+−36.59 mV

4 つの辺がすべて 250 Ω のブリッジに 3 V を供給します。センサ R₂ が変化すると、出力は Vab = 36.59 mV を示します。R₂ の厳密な変化量 ΔR を求めなさい。

Vs = 3 VR = 250 ΩVab = 36.59 mV
ΔR = Ω
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 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−2.05 mV

E = 110 GPa の部材に貼ったひずみゲージ(GF = 2.05)が、10 V で励起される 1/4 ブリッジを構成しています。出力は 2.05 mV を示します。軸方向応力 σ を MPa で求めなさい。

Vs = 10 VGF = 2.05Vo = 2.05 mVE = 110 GPa
σ = MPa
9.定常偏差と PID 制御ふつう
r(t) = 2t+Ks(s + 2)C(s)−

G(s) = K/(s(s + 2)) の単位フィードバックのループが、ランプ入力 r(t) = 2t に定常偏差 0.02 で追従しなければなりません。ゲイン K を求めなさい。

G(s) = K/(s(s + 2))r(t) = 2tess = 0.02
K =
10.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+K = 501s(s + 8)C(s)−

比例制御器 K = 50 が、単位フィードバックのループで制御対象 G(s) = 1/(s(s + 8)) を制御しています。 ステップ応答のオーバーシュート率 %OS を求めよ。

G(s) = 1/(s(s + 8))K = 50
%OS = %
11.ステップ応答ふつう
t (s)y(t)1?

ある系の伝達関数は G(s) = 61/(s² + 4s + 61) で、単位ステップ入力を受ける。 ステップ応答のオーバーシュート率 %OS を求めよ。

G(s) = 61/(s² + 4s + 61)
%OS = %
12.ステップ応答むずかしい
k = 800 N/mc = 64 N·s/mm = 8 kgF = 25 Nx(t)

質量 m = 8 kg のおもりが、ばね定数 k = 800 N/m のばねと粘性ダンパ c = 64 N·s/m にぶら下がっている(m·x″ + c·x′ + k·x = F)。平衡状態で静止しているところに、一定の力 F = 25 N を突然加える。 変位のオーバーシュート率 %OS を求めよ。

m = 8 kgk = 800 N/mc = 64 N·s/mF = 25 N
%OS = %

3溶液

1.直流モーター

答え: n = 608.6 rpm

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。

電機子電流

Ia = T/k = 18/1.5 = 12 A

逆起電力と速度

E = 110 − 12·1.2 = 95.6 V
ω = E/k = 63.73 rad/s → n = 608.6 rpm

答え

n = 608.6 rpm
2.直流モーター

答え: Rs = 7.292 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。

電流と逆起電力

Ia = 1.2/0.6 = 2 A
E = 0.6·52.36 = 31.42 V

直列抵抗

Ra + Rs = (48 − 31.42)/2 = 8.292 Ω
Rs = 7.292 Ω

答え

Rs = 7.292 Ω

この抵抗器は 29.17 W を無駄にします。チョッパを使えば、ずっと少ない損失で速度を制御できます。

3.歯車と歯車列

答え: n2 = 468 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

1500·160/500 = 480 rpm

滑りあり

n2 = 480·0.975 = 468 rpm

答え

n2 = 468 rpm
4.歯車と歯車列

答え: nout = 102.4 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 = 960·16/45 = 341.3 rpm = nC

第 2 段

nout = 341.3·12/40 = 102.4 rpm

答え

nout = 102.4 rpm

全体の速比 = 9.375 : 1

5.データ収録とサンプリング

答え: SQNR = 86.04 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 = 6.02·14 + 1.76 = 86.04 dB

答え

SQNR = 86.04 dB
6.データ収録とサンプリング

答え: fs = 12.5 kHz

データレート:各チャネルは毎秒 fs 個の N ビットのサンプルを出力するので、生のレートは チャネル数 × fs × N bit/s です。メモリ上では 1 サンプルが整数バイトを占める(12 ビットのサンプルは 2 バイトで保存される)ので、記録に必要なメモリは チャネル数 × fs × 1 サンプルのバイト数 × 時間 です。マルチプレクス ADC はチャネルを 1 つずつ順に変換します:1 回の変換(整定時間を含む)に t かかるので、n チャネルの 1 巡に n·t かかり、各チャネルは 1/(n·t) でサンプリングされます。

1 チャネルあたりの時間

4 + 1 = 5 µs

1 回の走査の時間

16·5 = 80 µs

1 チャネルあたりのサンプリング周波数

fs = 1/80 µs = 12.5 kHz

答え

fs = 12.5 kHz
7.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: ΔR = 12.5 Ω

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 = 1.5 + 0.03659 = 1.537 V

分圧器を解く

R₂ = 250·1.537/(3 − 1.537) = 262.5 Ω
ΔR = 262.5 − 250 = 12.5 Ω

答え

ΔR = 12.5 Ω
8.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: σ = 44 MPa

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。

ひずみ

ε = 4·0.00205/(10·2.05) = 0.0004

応力

σ = 110·10³ MPa·0.0004 = 44 MPa

答え

σ = 44 MPa
9.定常偏差と PID 制御

答え: K = 200

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。

必要な速度偏差定数

Kv = A/ess = 2/0.02 = 100

利得

K = 2·Kv = 200

答え

K = 200

ゲインを大きくすると、このループの減衰は非常に小さくなります:ζ = 0.07071。この両立の難しさが、補償器を使う理由です。

10.定常偏差と PID 制御

答え: %OS = 11.59 %

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

s(s + 8) + 50·1 = s² + 8s + 50

ωₙ と ζ

ωₙ = √50 = 7.071 rad/s
ζ = 8/(2·7.071) = 0.5657

オーバーシュート

%OS = 100·e−0.5657π/√(1 − 0.5657²) = 11.59 %

答え

%OS = 11.59 %
11.ステップ応答

答え: %OS = 43.51 %

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 = 61 → ωₙ = 7.81 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·7.81) = 0.2561

結果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0.8322 = 43.51 %

答え

%OS = 43.51 %
12.ステップ応答

答え: %OS = 25.38 %

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。

固有角周波数と減衰比

ωₙ = √(k/m) = √(800/8) = 10 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 64/(2·√(800·8)) = 0.4

結果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 25.38 %

答え

%OS = 25.38 %

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