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
+−220 VRa​ = 0.25 ΩIa​ = 50 AM+−EωT

直流モーターが 220 V の電源から 50 A を引き込みます。電機子抵抗は 0.25 Ω、回転損(摩擦損、風損、鉄損)は 311 W です。効率 η を求めなさい。

V = 220 VIa = 50 ARa = 0.25 ΩProt = 311 W
η = %
2.直流モーターむずかしい
+−110 VRa​ = 0.4 ΩIa​: 30 → 18 AM+−En = ?T

110 V(Ra = 0.4 Ω)の他励直流モーターが、電機子電流 30 A で 1200 rpm で回転しています。負荷が変わり、界磁は変えないまま電流が 18 A になります。新しい速度 n2 を求めなさい。

V = 110 VRa = 0.4 Ωn1 = 1200 rpmIa1 = 30 AIa2 = 18 A
n2 = rpm
3.歯車と歯車列ふつう
d1​ = 125 mmd2​ = 300 mm960 rpmT1​ = 1000 NT2​ = 300 NP = ?

ベルトが、直径 125 mm の駆動プーリ上を 960 rpm で走っています。張力は張り側で 1000 N、緩み側で 300 N です。伝達される動力 P を kW で求めなさい。

d1 = 125 mmn1 = 960 rpmT1 = 1000 NT2 = 300 N
P = kW
4.歯車と歯車列むずかしい
A = 40B = 45C = 12D = 48

1440 rpm の 11 kW のモータが歯車 A(歯数 40)を駆動し、A は歯車 B(歯数 45)とかみ合う。B と同じ軸にある歯車 C(歯数 12)が出力軸の歯車 D(歯数 48)を駆動する。各かみ合いの効率は 96% である。出力トルク Tout を求めよ。

P = 11 kWnin = 1440 rpmA = 40B = 45C = 12D = 48ηmesh = 96%
Tout = N·m
5.データ収録とサンプリングふつう
Vin​N = ?5 V2ᴺ − 10≤ 2 mV

入力範囲が 0〜5 V の ADC が、2 mV 以下のステップを分解しなければなりません。最小のビット数 N を求めなさい。

VFSR = 5 V分解能 = 2 mV
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 70 dB 必要です。ADC の最小ビット数 N を求めなさい。

SQNR ≥ 70 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 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−Vab​ = ?

4 つの辺がすべて 350 Ω のブリッジで、Vs = 10 V です。センサ R₂ が ΔR = 1.75 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 = 10 VR = 350 ΩΔR = 1.75 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
+−5 V350 Ω − ΔR350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−Vo​ = ?

350 Ω の辺をもつブリッジに 5 V を加え、隣り合う辺にアクティブゲージ 2 枚、1 枚は引張、1 枚は圧縮(1/2 ブリッジ) とします。ゲージ率は 2.05、ひずみは 200 µε です。ブリッジの出力 Vo を mV で求めなさい。

Vs = 5 VGF = 2.05ε = 200 µε
Vo = mV
9.定常偏差と PID 制御ふつう
r(t) = 5t+10(s + 3)s(s + 1)(s + 2)C(s)−

ランプ入力 r(t) = 5t が、G(s) = 10(s + 3)/(s(s + 1)(s + 2)) 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 + 3)/(s(s + 1)(s + 2))r(t) = 5t
ess =
10.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+20 + Kd​s5s(s + 2)C(s)−

PD 制御器 C(s) = 20 + Kd·s が、単位フィードバックのループで制御対象 G(s) = 5/(s(s + 2)) を制御しています。閉ループの減衰比を ζ = 0.9 にする微分ゲイン Kd を求めなさい。

G(s) = 5/(s(s + 2))Kp = 20ζ = 0.9
Kd = 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) = 72/(s² + 3s + 72) で、単位ステップ入力を受ける。 減衰比 ζ を求めよ。

G(s) = 72/(s² + 3s + 72)
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 15 % になるゲイン K を求めよ。

G(s) = K/(s(s + 5))%OS = 15 %
K =

3溶液

1.直流モーター

答え: η = 91.49 %

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 = 220·50 = 11000 W
Pdev = 207.5·50 = 10375 W
Pout = 10375 − 311 = 10064 W

効率

η = 10064/11000·100 = 91.49 %

答え

η = 91.49 %
2.直流モーター

答え: n2 = 1259 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。

変化前と変化後の逆起電力

E1 = 110 − 30·0.4 = 98 V
E2 = 110 − 18·0.4 = 102.8 V

新しい速度

n2 = 1200·102.8/98 = 1259 rpm

答え

n2 = 1259 rpm
3.歯車と歯車列

答え: P = 4.398 kW

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。

ベルトの速さ

v = 6.283 m/s

電力

P = (1000 − 300)·6.283 = 4398 W = 4.398 kW

答え

P = 4.398 kW
4.歯車と歯車列

答え: Tout = 302.5 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 = 1440·(40/45)·(12/48) = 320 rpm
ωout = 2π·320/60 = 33.51 rad/s

出力動力とトルク

Pout = 11000·0.96² = 10138 W
Tout = Pout/ωout = 10138/33.51 = 302.5 N·m

答え

Tout = 302.5 N·m
5.データ収録とサンプリング

答え: N = 12

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

5000 mV/2 mV = 2500

ビット数

log₂(2500) = 11.29
211 = 2048 < 2500 ≤ 212 = 4096
N = 12

答え

N = 12
6.データ収録とサンプリング

答え: N = 12

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 ≥ (70 − 1.76)/6.02 = 11.34

切り上げる

N = 12
確認: 6.02·12 + 1.76 = 74 dB ≥ 70 dB

答え

N = 12
7.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: Vab = 12.5 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 = 1.75/350 = 0.005

線形化した出力

Vab ≈ 10·0.005/4 = 12.5 mV

答え

Vab = 12.5 mV

厳密な値は 12.47 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 = 1.025 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 = 2.05·200·10⁻⁶ = 0.00041

ブリッジの出力

Vo = Vs·GF·ε/2 = 5·0.00041/2 = 1.025 mV

答え

Vo = 1.025 mV
9.定常偏差と PID 制御

答え: ess = 0.3333

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) = 15

ランプ偏差

ess = 5/15 = 0.3333

答え

ess = 0.3333
10.定常偏差と PID 制御

答え: Kd = 3.2 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 + 2) + 5(20 + Kds) = s² + (2 + 5Kd)s + 100

固有振動数

ωₙ = √100 = 10 rad/s

微分ゲイン

2 + 5Kd = 2·0.9·10 = 18
Kd = 3.2 s

答え

Kd = 3.2 s

微分項は、ωₙ を変えずに減衰を加えます。

11.ステップ応答

答え: ζ = 0.1768

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 = 72 → ωₙ = 8.485 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·8.485) = 0.1768

結果

ζ = 0.1768

答え

ζ = 0.1768
12.ステップ応答

答え: K = 23.39

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(0.15)/√(π² + ln²(0.15)) = 0.5169

利得

ωₙ = 5/(2ζ) = 4.836 rad/s
K = ωₙ² = 23.39

答え

K = 23.39

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