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
+−240 VRa​ = 2 ΩIa​ = 5 AM+−EωT

直流モーターが 240 V の電源から 5 A を引き込みます。電機子抵抗は 2 Ω、回転損(摩擦損、風損、鉄損)は 69 W です。効率 η を求めなさい。

V = 240 VIa = 5 ARa = 2 ΩProt = 69 W
η = %
2.直流モーターむずかしい
+−24 VRa​ = 1.5 ΩM+−EωT

小型の直流モーターの電機子抵抗は 1.5 Ω で、24 V で動作します。回転損を無視して、どの速度でも発生できる最大の機械的電力 Pmax を求めなさい。

V = 24 VRa = 1.5 Ω
Pmax = W
3.歯車と歯車列ふつう
N1​ = 30, m = 2.5 mm

1440 rpm で回転する 2.2 kW のモータが、歯数 30、モジュール 2.5 mm のピニオンを駆動する。ピニオンの歯に働く接線力 Ft を求めよ。

P = 2.2 kWn = 1440 rpmN1 = 30m = 2.5 mm
Ft = N
4.歯車と歯車列むずかしい
A = 40B = 50C = 24D = 40

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 40)が歯車 B(歯数 50)を駆動する。歯車 C(歯数 24)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 = 1500 rpmA = 40B = 50C = 24D = 40
nout = rpm
5.データ収録とサンプリングふつう
122 ch∿01N = 165 kHz? MB

レコーダが 2 チャネルを各 5 kHz、16 ビット ADC でサンプリングします。各サンプルは整数バイトで保存されます。10 分間の記録に必要なメモリ M を MB(1 MB = 10⁶ バイト)で求めなさい。

n = 2fs = 5 kHzN = 16t = 10 min
M = MB
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​Tb​10·Tb​115200 Bd, 8N1

10 ビット ADC がすべてのサンプルを UART で 115200 baud、8N1 形式(スタートビット、データ 8 ビット、ストップビット 1 個)で送ります。各サンプルは 2 バイトの整数バイトで送られ、通信路は常にふさがっています。エイリアシングなしにサンプリングできる最高の信号周波数 fmax を Hz で求めなさい。

baud = 115200 BdN = 108N1
fmax = Hz
7.ホイートストンブリッジとひずみゲージふつう
+−3 V200 Ω200 Ω + ΔR200 Ω200 Ωab+−Vab​ = ?

4 つの辺がすべて 200 Ω のブリッジで、Vs = 3 V です。センサ R₂ が ΔR = 2 Ω だけ増加します。微小変化の近似を使って、出力 Vab を mV で求めなさい。

Vs = 3 VR = 200 ΩΔR = 2 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
+−2.5 V120 Ω − ΔR120 Ω + ΔR120 Ω + ΔR120 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

120 Ω の辺をもつブリッジに 2.5 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 800 µε です。ブリッジの出力 Vo を mV で求めなさい。

Vs = 2.5 VGF = 2ε = 800 µε
Vo = mV
9.定常偏差と PID 制御ふつう
r(t) = 10 + 2t+10(s + 1)s(s + 4)C(s)−

入力 r(t) = 10 + 2t(ステップとランプの和)が、G(s) = 10(s + 1)/(s(s + 4)) 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) = 10(s + 1)/(s(s + 4))r(t) = 10 + 2t
ess =
10.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+K10s(s + 5)C(s)−

比例制御器 K が、単位フィードバックのループで制御対象 G(s) = 10/(s(s + 5)) を制御しています。閉ループの減衰比を ζ = 0.5 にするゲイン K を求めなさい。

G(s) = 10/(s(s + 5))ζ = 0.5
K =
11.ステップ応答ふつう
t (s)y(t)0.5ts​ = ?

ある系の伝達関数は G(s) = 6/(s² + 4s + 12) で、単位ステップ入力を受ける。 ts ≈ 4/(ζωₙ) を用いて、ステップ応答の 2 % 整定時間 ts を求めよ。

G(s) = 6/(s² + 4s + 12)
ts = s
12.ステップ応答むずかしい
+−5 VR = 40 ΩL = 100 mHC = 22 µFvC​

R = 40 Ω、L = 100 mH、C = 22 µF の直列 RLC 回路に、t = 0 で 5 V のステップを加える。コンデンサは充電されておらず、ステップの前には電流は流れていない。 電圧の最初のピークの時刻 tp を ms で求めよ。

R = 40 ΩL = 100 mHC = 22 µFV = 5 V
tp = ms

3溶液

1.直流モーター

答え: η = 90.08 %

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。

電力

Pin = 240·5 = 1200 W
Pdev = 230·5 = 1150 W
Pout = 1150 − 69 = 1081 W

効率

η = 1081/1200·100 = 90.08 %

答え

η = 90.08 %
2.直流モーター

答え: Pmax = 96 W

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。

逆起電力の関数としての電力

P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 12 V

最大電力

Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 24²/(4·1.5) = 96 W

答え

Pmax = 96 W

この点での効率はわずか 50 % なので、実際のモーターは半分の速度よりずっと高い速度で運転されます。

3.歯車と歯車列

答え: Ft = 389 N

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

ピニオンのトルク

ω = 2π·1440/60 = 150.8 rad/s
T = P/ω = 2200/150.8 = 14.59 N·m

ピッチ円直径

d = m·N = 2.5·30 = 75 mm

接線力

Ft = 2T/d = 2·14.59/0.075 = 389 N

答え

Ft = 389 N
4.歯車と歯車列

答え: nout = 720 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 = 1500·40/50 = 1200 rpm = nC

第 2 段

nout = 1200·24/40 = 720 rpm

答え

nout = 720 rpm

全体の速比 = 2.083 : 1

5.データ収録とサンプリング

答え: M = 12 MB

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 サンプルのバイト数

⌈16/8⌉ = 2 B

バイトレート

2·5000·2 = 20000 B/s

メモリ

M = 20000·600 = 1.2 × 10⁷ B = 12 MB

答え

M = 12 MB
6.データ収録とサンプリング

答え: fmax = 2880 Hz

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。

回線上の 1 サンプルあたりのビット数

2·10 = 20 bit

最高サンプリング周波数

fs,max = 115200/20 = 5760 Hz

ナイキストの限界

fmax = 5760/2 = 2880 Hz

答え

fmax = 2880 Hz
7.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: Vab = 7.5 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。

相対変化

ΔR/R = 2/200 = 0.01

線形化した出力

Vab ≈ 3·0.01/4 = 7.5 mV

答え

Vab = 7.5 mV

厳密な値は 7.463 mV です。ΔR/R が小さいうちは、近似はよく合います。

8.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: Vo = 4 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 = 2·800·10⁻⁶ = 0.0016

ブリッジの出力

Vo = Vs·GF·ε = 2.5·0.0016 = 4 mV

答え

Vo = 4 mV
9.定常偏差と PID 制御

答え: ess = 0.8

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) = 2.5

ステップ成分

Kp = ∞ → estep = 0

ランプ偏差

ess = 2/2.5 = 0.8

答え

ess = 0.8
10.定常偏差と PID 制御

答え: K = 2.5

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 + 5) + 10K = s² + 5s + 10K

固有振動数

2·0.5·ωₙ = 5 → ωₙ = 5 rad/s

利得

10K = ωₙ² = 25 → K = 2.5

答え

K = 2.5
11.ステップ応答

答え: ts = 2 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 = 12 → ωₙ = 3.464 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·3.464) = 0.5774

結果

ζωₙ = 2 → ts ≈ 4/2 = 2 s

答え

ts = 2 s
12.ステップ応答

答え: tp = 4.879 ms

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 = 1/√(LC) = 1/√(0.1·2.2 × 10⁻⁵) = 674.2 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (40/2)·√(2.2 × 10⁻⁵/0.1) = 0.2966

結果

ωd = 643.9 rad/s
tp = π/ωd = 4.879 ms

答え

tp = 4.879 ms

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