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)n0​ = ?

k = 1.5 V·s/rad の直流モーターが 120 V で動作します。無負荷時の損失をすべて無視して、無負荷速度 n0 を rpm で求めなさい。

V = 120 Vk = 1.5 V·s/rad
n0 = rpm
2.直流モーターむずかしい
+−48 VRst​ = ?Ra​ = 0.5 Ω10 AM+−E = 0n = 0T

48 V の直流モーターの電機子抵抗は 0.5 Ω です。始動電流を 10 A に制限する直列の始動抵抗 Rst を求めなさい。

V = 48 VRa = 0.5 ΩImax = 10 A
Rst = Ω
3.歯車と歯車列ふつう
N1​ = 20N2​ = 40

2900 rpm で回転する 1.1 kW のモータが歯数 20 のピニオンを駆動し、ピニオンは歯数 40 の歯車とかみ合っている。 この歯車対の効率は 95% である。 歯車軸の出力トルク T2 を求めよ。

P = 1.1 kWn1 = 2900 rpmN1 = 20N2 = 40η = 95%
T2 = N·m
4.歯車と歯車列むずかしい
A = 15B = 60C = 18D = 50

960 rpm の 7.5 kW のモータが歯車 A(歯数 15)を駆動し、A は歯車 B(歯数 60)とかみ合う。B と同じ軸にある歯車 C(歯数 18)が出力軸の歯車 D(歯数 50)を駆動する。各かみ合いの効率は 98% である。出力トルク Tout を求めよ。

P = 7.5 kWnin = 960 rpmA = 15B = 60C = 18D = 50ηmesh = 98%
Tout = N·m
5.データ収録とサンプリングふつう
128⋮8 ch∿01N = 125 kHz? MB

レコーダが 8 チャネルを各 5 kHz、12 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。1 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 = 8fs = 5 kHzN = 12t = 1 min
M = MB
6.データ収録とサンプリングむずかしい
f0fs​/2fs​2fs​3fs​4 kHz7f₁?

4 kHz の方形波を、アンチエイリアシングフィルタなしで 10 kHz でサンプリングします。方形波には奇数次の高調波 3f₁、5f₁、7f₁、… が含まれます。サンプリングされたデータでは、高調波 7f₁ はどの周波数 fa に現れますか。kHz で答えなさい。

f₁ = 4 kHzfs = 10 kHz高調波: 7f₁
fa = 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+−84.91 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 = 84.91 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 = 84.91 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
+−5 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−0.625 mV

E = 210 GPa の部材に貼ったひずみゲージ(GF = 2)が、5 V で励起される 1/4 ブリッジを構成しています。出力は 0.625 mV を示します。軸方向応力 σ を MPa で求めなさい。

Vs = 5 VGF = 2Vo = 0.625 mVE = 210 GPa
σ = MPa
9.定常偏差と PID 制御ふつう
R(s)+K = 922s + 1C(s)−

プロセス G(s) = 2/(2s + 1) を、比例ゲイン K = 9 で単位フィードバックのループにより制御します。ステップ入力に対する定常偏差 ess を、ステップの大きさに対する百分率で求めなさい。

G(s) = 2/(2s + 1)K = 9
ess = %
10.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+K = 4010s(s + 8)C(s)−

比例制御器 K = 40 が、単位フィードバックのループで制御対象 G(s) = 10/(s(s + 8)) を制御しています。 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) = 10/(s(s + 8))K = 40
ts = s
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) = 6/(s² + s + 6) で、単位ステップ入力を受ける。 減衰比 ζ を求めよ。

G(s) = 6/(s² + s + 6)
ζ =
12.ステップ応答むずかしい
R(s)+Ks(s + 5)G(s)C(s)−

単位負帰還ループの G(s) = K/(s(s + 5)) である。ステップ応答のオーバーシュートが 2 % になるゲイン K を求めよ。

G(s) = K/(s(s + 5))%OS = 2 %
K =

3溶液

1.直流モーター

答え: n0 = 763.9 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。

無負荷速度

ω₀ = V/k = 120/1.5 = 80 rad/s
n0 = 60·80/(2π) = 763.9 rpm

答え

n0 = 763.9 rpm
2.直流モーター

答え: Rst = 4.3 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 = 48/10 = 4.8 Ω

始動抵抗器

Rst = 4.8 − 0.5 = 4.3 Ω

答え

Rst = 4.3 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: T2 = 6.882 N·m

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。

モータのトルク

ω₁ = 2π·2900/60 = 303.7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1100/303.7 = 3.622 N·m

出力トルク

T2 = 3.622·40/20·0.95 = 6.882 N·m

答え

T2 = 6.882 N·m
4.歯車と歯車列

答え: Tout = 796.1 N·m

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.

出力回転数

nout = 960·(15/60)·(18/50) = 86.4 rpm
ωout = 2π·86.4/60 = 9.048 rad/s

出力動力とトルク

Pout = 7500·0.98² = 7203 W
Tout = Pout/ωout = 7203/9.048 = 796.1 N·m

答え

Tout = 796.1 N·m
5.データ収録とサンプリング

答え: M = 4.8 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

⌈12/8⌉ = 2 B

バイトレート

8·5000·2 = 80000 B/s

メモリ

M = 80000·60 = 4.8 × 10⁶ B = 4.8 MB

答え

M = 4.8 MB
6.データ収録とサンプリング

答え: fa = 2 kHz

サンプリング:ADC は信号を毎秒 fs 回測定します。ナイキスト–シャノンの標本化定理により、周波数 f が正しく捉えられるのは f < fs/2 の間だけです。これはナイキスト(折り返し)周波数なので、サンプリング周波数は信号の最高周波数の 2 倍を超えなければなりません。それより高い周波数は失われるのではなく、fa = |f − k·fs| の位置にエイリアスとして現れます。ここで整数 k は、結果が 0 から fs/2 の間に入るように選びます。サンプルからは両者を区別できないので、ADC の前に、fs/2 より上をすべて除去するアナログのアンチエイリアシングフィルタが必要です。

高調波の周波数

7f₁ = 7·4 kHz = 28 kHz

サンプリング周波数の最も近い整数倍

m = round(2.8) = 3

エイリアス周波数

fa = |28 − 3·10| = 2 kHz

答え

fa = 2 kHz

エイリアスは信号帯域の内側に落ち、どんなデジタルフィルタでも除去できません。ADC の前に置くアナログフィルタだけが有効です。

7.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: ΔR = 30 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 + 0.08491 = 1.585 V

分圧器を解く

R₂ = 250·1.585/(3 − 1.585) = 280 Ω
ΔR = 280 − 250 = 30 Ω

答え

ΔR = 30 Ω
8.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: σ = 52.5 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 = 4·0.000625/(5·2) = 0.00025

応力

σ = 210·10³ MPa·0.00025 = 52.5 MPa

答え

σ = 52.5 MPa
9.定常偏差と PID 制御

答え: ess = 5.263 %

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。

位置偏差定数

Kp = 9·2 = 18

ステップ偏差

ess = 100/(1 + 18) = 5.263 %

答え

ess = 5.263 %
10.定常偏差と PID 制御

答え: ts = 1 s

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) + 40·10 = s² + 8s + 400

ωₙ と ζ

ωₙ = √400 = 20 rad/s
ζ = 8/(2·20) = 0.2

整定時間

ζωₙ = 8/2 = 4
ts ≈ 4/4 = 1 s

答え

ts = 1 s

ここでは整定時間は K によりません:K を上げると、応答がより速く振動するだけです。

11.ステップ応答

答え: ζ = 0.2041

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 = 6 → ωₙ = 2.449 rad/s
2ζωₙ = 1 → ζ = 1/(2·2.449) = 0.2041

結果

ζ = 0.2041

答え

ζ = 0.2041
12.ステップ応答

答え: K = 10.28

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) = K/(s² + 5s + K)

オーバーシュートから求める減衰比

ζ = −ln(0.02)/√(π² + ln²(0.02)) = 0.7797

利得

ωₙ = 5/(2ζ) = 3.206 rad/s
K = ωₙ² = 10.28

答え

K = 10.28

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