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
+−48 VRa​ = 0.2 ΩIa​ = 20 AM+−EωT

直流モーターが 48 V の電源から 20 A を引き込みます。電機子抵抗は 0.2 Ω、回転損(摩擦損、風損、鉄損)は 53 W です。効率 η を求めなさい。

V = 48 VIa = 20 ARa = 0.2 ΩProt = 53 W
η = %
2.直流モーターむずかしい
+−220 VD = ?Ra​ = 1 ΩM+−En = 900 rpmT = 12 N·m

直流チョッパが、220 V の直流母線からモーター(k = 0.8 V·s/rad、Ra = 1 Ω)に給電します。電機子の平均電圧は D·220 V です。負荷 12 N·m で 900 rpm の運転となるデューティ比 D を求めなさい。

Vdc = 220 Vk = 0.8 V·s/radRa = 1 ΩT = 12 N·mn = 900 rpm
D = %
3.歯車と歯車列ふつう
N1​N2​ = ?

2 本の平行軸の間隔は 135 mm である。これらをモジュール 2 mm、減速比 3.5 : 1 の平歯車対で連結しなければならない。 歯車の歯数 N2 はいくつ必要か。

a = 135 mmm = 2 mmi = 3.5
N2 =
4.歯車と歯車列むずかしい
d1​ = 200 mmd2​ = 450 mm960 rpmC = 1200 mmθ = ?

平行掛けのベルトが、直径 200 mm のプーリと直径 450 mm のプーリをつなぎ、その中心は 1200 mm 離れています。小さいほうのプーリへの巻き付け角 θ を度で求めなさい。

d1 = 200 mmd2 = 450 mmC = 1200 mm
θ = °
5.データ収録とサンプリングふつう
Vin​N = 105 V2ᴺ − 101 LSB1.545 V?

入力範囲 0〜5 V の 10 ビット ADC が切り捨てを行い、その出力コードは ⌊Vin/LSB⌋、1 LSB = VFSR/2ᴺ です。入力 1.545 V に対する 10 進の出力コード D を求めなさい。

N = 10VFSR = 5 VVin = 1.545 V
D =
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 55 dB 必要です。ADC の最小ビット数 N を求めなさい。

SQNR ≥ 55 dB
N =
7.ホイートストンブリッジとひずみゲージふつう
+−9 V220 Ω220 Ω + ΔR220 Ω220 Ωab+−88.24 mV

4 つの辺がすべて 220 Ω のブリッジに 9 V を供給します。センサ R₂ が変化すると、出力は Vab = 88.24 mV を示します。R₂ の厳密な変化量 ΔR を求めなさい。

Vs = 9 VR = 220 ΩVab = 88.24 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 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−1.06 mV

E = 210 GPa の部材に貼ったひずみゲージ(GF = 2.12)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 1.06 mV を示します。軸方向応力 σ を MPa で求めなさい。

Vs = 5 VGF = 2.12Vo = 1.06 mVE = 210 GPa
σ = MPa
9.定常偏差と PID 制御ふつう
r(t) = 10·t²/2+2(s + 1)s²(s + 10)C(s)−

放物線入力 r(t) = 10·t²/2 が、G(s) = 2(s + 1)/(s²(s + 10)) 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) = 2(s + 1)/(s²(s + 10))r(t) = 10·t²/2
ess =
10.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+20 + Kd​s4s(s + 4)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) = 4/(s(s + 4)) を制御しています。閉ループの減衰比を ζ = 0.8 にする微分ゲイン Kd を求めなさい。

G(s) = 4/(s(s + 4))Kp = 20ζ = 0.8
Kd = s
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) = 77/(s² + 5s + 77) 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) = 77/(s² + 5s + 77)
tp = s
12.ステップ応答むずかしい
R(s)+Ks(s + 16)G(s)C(s)−

単位負帰還ループの G(s) = K/(s(s + 16)) である。ステップ応答のオーバーシュートが 30 % になるゲイン K を求めよ。

G(s) = K/(s(s + 16))%OS = 30 %
K =

3溶液

1.直流モーター

答え: η = 86.15 %

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 = 48·20 = 960 W
Pdev = 44·20 = 880 W
Pout = 880 − 53 = 827 W

効率

η = 827/960·100 = 86.15 %

答え

η = 86.15 %
2.直流モーター

答え: D = 41.09 %

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。

必要な電機子電圧

Va = 0.8·94.25 + 15·1 = 90.4 V

デューティ比

D = 90.4/220 = 41.09 %

答え

D = 41.09 %
3.歯車と歯車列

答え: N2 = 105

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.

歯数の合計

N1 + N2 = 2a/m = 2·135/2 = 135

比で分ける

N1 = 135/(1 + 3.5) = 30
N2 = 3.5·30 = 105

答え

N2 = 105
4.歯車と歯車列

答え: θ = 168 °

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。

ベルトの角度

asin(0.1042) = 5.979°

巻き付け角

θ = 180 − 2·5.979 = 168°

答え

θ = 168°
5.データ収録とサンプリング

答え: D = 316

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。

ステップ幅

1 LSB = 5/210 = 4.883 mV

コード

Vin/LSB = 1545/4.883 = 316.4
コード = ⌊316.4⌋ = 316

答え

D = 316

2 進数では 0100111100 です。

6.データ収録とサンプリング

答え: N = 9

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 ≥ (55 − 1.76)/6.02 = 8.844

切り上げる

N = 9
確認: 6.02·9 + 1.76 = 55.94 dB ≥ 55 dB

答え

N = 9
7.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: ΔR = 8.8 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 = 4.5 + 0.08824 = 4.588 V

分圧器を解く

R₂ = 220·4.588/(9 − 4.588) = 228.8 Ω
ΔR = 228.8 − 220 = 8.8 Ω

答え

ΔR = 8.8 Ω
8.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: σ = 84 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 = 4·0.00106/(5·2.12) = 0.0004

応力

σ = 210·10³ MPa·0.0004 = 84 MPa

答え

σ = 84 MPa
9.定常偏差と PID 制御

答え: ess = 50

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。

加速度偏差定数

Ka = 2·1/10 = 0.2

放物線偏差

ess = 10/0.2 = 50

答え

ess = 50
10.定常偏差と PID 制御

答え: Kd = 2.578 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 + 4) + 4(20 + Kds) = s² + (4 + 4Kd)s + 80

固有振動数

ωₙ = √80 = 8.944 rad/s

微分ゲイン

4 + 4Kd = 2·0.8·8.944 = 14.31
Kd = 2.578 s

答え

Kd = 2.578 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: tp = 0.3735 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 = 77 → ωₙ = 8.775 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·8.775) = 0.2849

結果

ωd = 8.775·√(1 − 0.2849²) = 8.411 rad/s → tp = π/ωd = 0.3735 s

答え

tp = 0.3735 s
12.ステップ応答

答え: K = 499.8

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 + 16s + K)

オーバーシュートから求める減衰比

ζ = −ln(0.3)/√(π² + ln²(0.3)) = 0.3579

利得

ωₙ = 16/(2ζ) = 22.36 rad/s
K = ωₙ² = 499.8

答え

K = 499.8

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