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 = 0.3 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 = 0.3 V·s/rad
n0 = rpm
2.直流モーターむずかしい
+−220 VRa​ = 0.25 ΩM+−En = ?T = 48 N·m

他励直流モーター(全界磁で k = 1.2 V·s/rad、Ra = 0.25 Ω、V = 220 V)が、一定の負荷トルク 48 N·m を駆動しています。界磁磁束を全磁束の 70 % に減らします。新しい速度 n を求めなさい。

V = 220 Vk = 1.2 V·s/radRa = 0.25 ΩT = 48 N·mΦ = 70 %
n = rpm
3.歯車と歯車列ふつう
N1​ = 32N2​ = 60

1440 rpm で回転する 11 kW のモータが歯数 32 のピニオンを駆動し、ピニオンは歯数 60 の歯車とかみ合っている。 損失は無視する。 モータ軸のトルク T1 を求めよ。

P = 11 kWn1 = 1440 rpmN1 = 32N2 = 60η = 100%
T1 = N·m
4.歯車と歯車列むずかしい
A = 25B = 80C = 12D = 18

複合歯車列において、960 rpm で回転する入力軸上の歯車 A(歯数 25)が歯車 B(歯数 80)を駆動する。歯車 C(歯数 12)は B と同じ軸に固定されており、出力軸上の歯車 D(歯数 18)を駆動する。出力回転速度 nout を求めよ。

nin = 960 rpmA = 25B = 80C = 12D = 18
nout = rpm
5.データ収録とサンプリングふつう
Vin​N = ?10 V2ᴺ − 10≤ 10 mV

入力範囲が 0〜10 V の ADC が、10 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 = 10 V分解能 = 10 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 65 dB 必要です。ADC の最小ビット数 N を求めなさい。

SQNR ≥ 65 dB
N =
7.ホイートストンブリッジとひずみゲージふつう
+−15 V300 Ω300 Ω + ΔR300 Ω300 Ωab+−Vab​ = ?

4 つの辺がすべて 300 Ω のブリッジで、Vs = 15 V です。センサ R₂ が ΔR = 15 Ω だけ増加します。厳密な出力 Vab を mV で求めなさい。

Vs = 15 VR = 300 ΩΔR = 15 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 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−Vo​

1/4 ブリッジ(アクティブゲージ 1 枚、GF = 2)に 5 V を加えます。測定する最大のひずみは 1200 µε で、そのときアナログ–デジタル変換器の入力で 3.3 V にしなければなりません。増幅器のゲイン G を求めなさい。

Vs = 5 VGF = 2εmax = 1200 µεVFS = 3.3 V
G =
9.定常偏差と PID 制御ふつう
R(s)+K = 92.510s + 1C(s)−

プロセス G(s) = 2.5/(10s + 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) = 2.5/(10s + 1)K = 9
ess = %
10.定常偏差と PID 制御むずかしい
r(t) = 5t+5 + 5/s10(s + 2)(s + 5)C(s)−

PI 制御器 C(s) = 5 + 5/s が、単位フィードバックのループで制御対象 G(s) = 10/((s + 2)(s + 5)) を制御しています。ランプ入力 r(t) = 5t に対する定常偏差 ess を求めなさい。

C(s) = 5 + 5/sG(s) = 10/((s + 2)(s + 5))r(t) = 5t
ess =
11.ステップ応答ふつう
t (s)y(t)2

ある系の伝達関数は G(s) = 66/(s² + 6s + 33) で、単位ステップ入力を受ける。 極は s = σ ± jωd である。その実部 σ を求めよ。

G(s) = 66/(s² + 6s + 33)
σ =
12.ステップ応答むずかしい
R(s)+Ks(s + 12)G(s)C(s)−

単位負帰還ループの G(s) = K/(s(s + 12)) である。ステップ応答のオーバーシュートが 5 % になるゲイン K を求めよ。

G(s) = K/(s(s + 12))%OS = 5 %
K =

3溶液

1.直流モーター

答え: n0 = 3820 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 = 120/0.3 = 400 rad/s
n0 = 60·400/(2π) = 3820 rpm

答え

n0 = 3820 rpm
2.直流モーター

答え: n = 2339 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 = 0.7·1.2 = 0.84 V·s/rad

新しい電機子電流

Ia = 48/0.84 = 57.14 A

新しい速度

ω = (220 − 57.14·0.25)/0.84 = 244.9 rad/s → n = 2339 rpm

答え

n = 2339 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: T1 = 72.95 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·1440/60 = 150.8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 11000/150.8 = 72.95 N·m

答え

T1 = 72.95 N·m
4.歯車と歯車列

答え: nout = 200 rpm

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。

第 1 段

nB = 960·25/80 = 300 rpm = nC

第 2 段

nout = 300·12/18 = 200 rpm

答え

nout = 200 rpm

全体の速比 = 4.8 : 1

5.データ収録とサンプリング

答え: N = 10

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

10000 mV/10 mV = 1000

ビット数

log₂(1000) = 9.966
29 = 512 < 1000 ≤ 210 = 1024
N = 10

答え

N = 10
6.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。

N について解く

N ≥ (65 − 1.76)/6.02 = 10.5

切り上げる

N = 11
確認: 6.02·11 + 1.76 = 67.98 dB ≥ 65 dB

答え

N = 11
7.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: Vab = 182.9 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。

節点電圧

Va = 15·315/615 = 7.683 V
Vb = 7.5 V

排泄量

Vab = 182.9 mV

答え

Vab = 182.9 mV

線形の見積もり Vs·ΔR/(4R) = 187.5 mV は 2.5 % 大きすぎます:1/4 ブリッジは完全には線形ではありません。

8.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: G = 1100

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。

フルスケールでのブリッジ出力

Vo = 3 mV

利得

G = 3.3/0.003 = 1100

答え

G = 1100
9.定常偏差と PID 制御

答え: ess = 4.255 %

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 = 9·2.5 = 22.5

ステップ偏差

ess = 100/(1 + 22.5) = 4.255 %

答え

ess = 4.255 %
10.定常偏差と PID 制御

答え: ess = 1

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。

速度偏差定数

s·C(s) = 5s + 5 → s → 0 のとき 5。

Kv = 5·10/10 = 5

ランプ偏差

ess = 5/5 = 1

答え

ess = 1

PI 制御器はステップ偏差を完全になくします。ランプ入力には一定の遅れで追従します。

11.ステップ応答

答え: σ = −3

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 = 33 → ωₙ = 5.745 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·5.745) = 0.5222

結果

σ = −ζωₙ = −6/2 = −3

答え

σ = −3
12.ステップ応答

答え: K = 75.59

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 + 12s + K)

オーバーシュートから求める減衰比

ζ = −ln(0.05)/√(π² + ln²(0.05)) = 0.6901

利得

ωₙ = 12/(2ζ) = 8.694 rad/s
K = ωₙ² = 75.59

答え

K = 75.59

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