1 公式と解法直流モーター
電機子回路 V = E + Ia Ra
逆起電力とトルク E = k·ω, T = k·Ia
速さ ω = 2π·n/60, ω = (V − Ia Ra )/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 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。 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。 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。 電力と効率では、V·Ia から始めて、銅損 Ia ²·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 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。 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。 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。 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 = Vs R2 /(R1 + R2 ), Vb = Vs R4 /(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 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。 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。 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。 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 + 2ζωn s + ωn ²
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 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。 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。 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。 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
+ − V Ra M + − E n = 3000 rpm T = ? 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 kW n = 3000 rpm
T = N·m
2. 直流モーター むずかしい
+ − 120 V Ra = 1.5 Ω M + − E n = ? 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 V k = 1.2 V·s/rad Ra = 1.5 Ω T = 9.6 N·m Φ = 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 kW n = 1440 rpm N1 = 16 m = 2.5 mm
Ft = N
4. 歯車と歯車列 むずかしい
A = 16 B = 40 C = 20 D = ?
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 rpm A = 16 B = 40 C = 20 nout = 600 rpm
ND =
5. データ収録とサンプリング ふつう
Vin N = ? 100 °C 2ᴺ − 1 0 ≤ 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 − 1 0 1 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 V 400 Ω 400 Ω 400 Ω 400 Ω a b + −
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 V R = 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 V 1000 Ω − ΔR 1000 Ω + ΔR 1000 Ω + ΔR 1000 Ω − ΔR a b + − 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 V GF = 2 ε = 500 µε
Vo = mV
9. 定常偏差と PID 制御 ふつう
r(t) = 4t + 50 s(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 = 16 2 s(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
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) + 170 s(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 Ia ²Ra 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
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 Ia ²Ra 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
新しい速度 ω = (120 − 10·1.5)/0.96 = 109.4 rad/s → 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
接線力 Ft = 2T/d = 2·14.59/0.04 = 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
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。
ビット数 log₂(2000) = 10.97
210 = 1024 < 2000 ≤ 211 = 2048
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
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。
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
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。
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 + 2ζωn s + ωn ² 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 %
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
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
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。