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。

新しい問題科目に戻る

印刷ウィンドウで「PDF として保存」を選ぶと、コピーを端末に保存できます。

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
+−VRa​M+−En = 3000 rpmT = ?

直流モーターが 3000 rpm で機械的な電力 11 kW を出力します。軸トルク T を求めなさい。

P = 11 kWn = 3000 rpm
T = N·m
2.直流モーターむずかしい
+−120 VRa​ = 1.5 ΩM+−En = ?T = 9.6 N·m

他励直流モーター(全界磁で k = 1.2 V·s/rad、Ra = 1.5 Ω、V = 120 V)が、一定の負荷トルク 9.6 N·m を駆動しています。界磁磁束を全磁束の 80 % に減らします。新しい速度 n を求めなさい。

V = 120 Vk = 1.2 V·s/radRa = 1.5 ΩT = 9.6 N·mΦ = 80 %
n = rpm
3.歯車と歯車列ふつう
N1​ = 16, m = 2.5 mm

1440 rpm で回転する 2.2 kW のモータが、歯数 16、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 = 16m = 2.5 mm
Ft = N
4.歯車と歯車列むずかしい
A = 16B = 40C = 20D = ?

複合歯車列で、入力軸の歯車 A(歯数 16)が 3000 rpm で回転し、歯車 B(歯数 40)を駆動する。歯車 C(歯数 20)は B と同じ軸に固定され、出力軸の歯車 D を駆動する。出力は 600 rpm で回転しなければならない。歯車 D の歯数 ND はいくつ必要か。

nin = 3000 rpmA = 16B = 40C = 20nout = 600 rpm
ND =
5.データ収録とサンプリングふつう
Vin​N = ?100 °C2ᴺ − 10≤ 0.05 °C

センサが 温度 を 100 °C の範囲で測定し、その出力が ADC の入力範囲全体を満たします。読み取りは 0.05 °C を分解できなければなりません。ADC に必要な最小のビット数 N を求めなさい。

範囲 = 100 °C分解能 = 0.05 °C
N =
6.データ収録とサンプリングむずかしい
Vin​N = ?VFSR​2ᴺ − 101 LSB

オーディオの測定で、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が少なくとも 96 dB 必要です。ADC の最小ビット数 N を求めなさい。

SQNR ≥ 96 dB
N =
7.ホイートストンブリッジとひずみゲージふつう
+−10 V400 Ω400 Ω400 Ω400 Ωab+−

400 Ω のひずみゲージが、4 つの辺がすべて 400 Ω で励起電圧 10 V のブリッジの 1 辺(R₂)になっています。ゲージで消費される電力 Pg を mW で求めなさい。自己発熱が励起電圧を制限します。

Vs = 10 VR = 400 Ω
Pg = mW
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 V1000 Ω − ΔR1000 Ω + ΔR1000 Ω + ΔR1000 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

1000 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 500 µε です。ブリッジの出力 Vo を mV で求めなさい。

Vs = 10 VGF = 2ε = 500 µε
Vo = mV
9.定常偏差と PID 制御ふつう
r(t) = 4t+50s(s + 5)C(s)−

ランプ入力 r(t) = 4t が、G(s) = 50/(s(s + 5)) 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) = 50/(s(s + 5))r(t) = 4t
ess =
10.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+K = 162s(s + 6)C(s)−

比例制御器 K = 16 が、単位フィードバックのループで制御対象 G(s) = 2/(s(s + 6)) 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) = 2/(s(s + 6))K = 16
%OS = %
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) = 79/(s² + 3s + 79) 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) = 79/(s² + 3s + 79)
tp = s
12.ステップ応答むずかしい
R(s)+170s(s + 4)G(s)C(s)−

単位負帰還ループの G(s) = 170/(s(s + 4)) である。ts ≈ 4/(ζωₙ) を用いて、閉ループのステップ応答の 2 % 整定時間 ts を求めよ。

G(s) = 170/(s(s + 4))
ts = s

3溶液

1.直流モーター

答え: T = 35.01 N·m

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。

rad/s での角速度

ω = 2π·3000/60 = 314.2 rad/s

トルク

T = P/ω = 11000/314.2 = 35.01 N·m

答え

T = 35.01 N·m
2.直流モーター

答え: n = 1044 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。

弱めたあとのモーター定数

k₂ = 0.8·1.2 = 0.96 V·s/rad

新しい電機子電流

Ia = 9.6/0.96 = 10 A

新しい速度

ω = (120 − 10·1.5)/0.96 = 109.4 rad/s → n = 1044 rpm

答え

n = 1044 rpm

界磁弱めは、直流ドライブが基底速度より高い速度で運転する方法です。

3.歯車と歯車列

答え: Ft = 729.5 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 = 2.5·16 = 40 mm

接線力

Ft = 2T/d = 2·14.59/0.04 = 729.5 N

答え

Ft = 729.5 N
4.歯車と歯車列

答え: ND = 40

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

中間軸の回転速度

nB = nC = 3000·16/40 = 1200 rpm

歯車 D の歯数

ND = C·nC/nout = 20·1200/600 = 40

答え

ND = 40
5.データ収録とサンプリング

答え: N = 11

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。

必要なステップ数

100/0.05 = 2000

ビット数

log₂(2000) = 10.97
210 = 1024 < 2000 ≤ 211 = 2048
N = 11

答え

N = 11
6.データ収録とサンプリング

答え: N = 16

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。

N について解く

N ≥ (96 − 1.76)/6.02 = 15.65

切り上げる

N = 16
確認: 6.02·16 + 1.76 = 98.08 dB ≥ 96 dB

答え

N = 16
7.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: Pg = 62.5 mW

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。

ゲージにかかる電圧

V = 10/2 = 5 V

電力

Pg = 5²/400 = 62.5 mW

答え

Pg = 62.5 mW
8.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: Vo = 10 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 = 2·500·10⁻⁶ = 0.001

ブリッジの出力

Vo = Vs·GF·ε = 10·0.001 = 10 mV

答え

Vo = 10 mV
9.定常偏差と PID 制御

答え: ess = 0.4

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) = 10

ランプ偏差

ess = 4/10 = 0.4

答え

ess = 0.4
10.定常偏差と PID 制御

答え: %OS = 14.01 %

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 + 6) + 16·2 = s² + 6s + 32

ωₙ と ζ

ωₙ = √32 = 5.657 rad/s
ζ = 6/(2·5.657) = 0.5303

オーバーシュート

%OS = 100·e−0.5303π/√(1 − 0.5303²) = 14.01 %

答え

%OS = 14.01 %
11.ステップ応答

答え: tp = 0.3586 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 = 79 → ωₙ = 8.888 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·8.888) = 0.1688

結果

ωd = 8.888·√(1 − 0.1688²) = 8.761 rad/s → tp = π/ωd = 0.3586 s

答え

tp = 0.3586 s
12.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。

閉ループ伝達関数

T(s) = 170/(s² + 4s + 170): ωₙ = 13.04 rad/s, ζ = 0.1534

整定時間

ζωₙ = 4/2 = 2
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 2 s

答え

ts = 2 s

このループでは K によらず ζωₙ = a/2 です:K を大きくするとオーバーシュートは増えますが、整定時間は短くなりません。

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems