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)22.5 N·mn0​nFL​

直流モーター(k = 1.5 V·s/rad、Ra = 0.5 Ω)が 240 V で動作します。全負荷時に 15 A が流れます。無負荷電流を無視して、速度変動率 SR = (n₀ − nFL)/nFL を百分率で求めなさい。

V = 240 Vk = 1.5 V·s/radRa = 0.5 ΩIFL = 15 A
SR = %
2.直流モーターむずかしい
+−120 VRa​ = 0.8 ΩM+−En = ?T = 8 N·m

他励直流モーター(全界磁で k = 0.8 V·s/rad、Ra = 0.8 Ω、V = 120 V)が、一定の負荷トルク 8 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 = 120 Vk = 0.8 V·s/radRa = 0.8 ΩT = 8 N·mΦ = 70 %
n = rpm
3.歯車と歯車列ふつう
N1​ = 12N2​ = 80

1500 rpm で回転する 15 kW のモータが歯数 12 のピニオンを駆動し、ピニオンは歯数 80 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 = 15 kWn1 = 1500 rpmN1 = 12N2 = 80η = 95%
T2 = N·m
4.歯車と歯車列むずかしい
d1​ = 100 mmd2​ = 200 mm1440 rpmC = 1000 mmθ = ?

平行掛けのベルトが、直径 100 mm のプーリと直径 200 mm のプーリをつなぎ、その中心は 1000 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 = 100 mmd2 = 200 mmC = 1000 mm
θ = °
5.データ収録とサンプリングふつう
Vin​N = ?3.3 V2ᴺ − 10≤ 1 mV

入力範囲が 0〜3.3 V の ADC が、1 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 = 3.3 V分解能 = 1 mV
N =
6.データ収録とサンプリングむずかしい
T1 mV/°C×2∿01N = 12, 5 V? °C/LSB

温度センサが 1 mV/°C(0 °C で 0 V)を出力します。その信号を 2 倍に増幅し、入力範囲 0〜5 V の 12 ビット ADC に入力します(1 LSB = VFSR/2ᴺ)。1 LSB に対応する温度変化 ΔTLSB を求めなさい。

S = 1 mV/°CG = 2N = 12VFSR = 5 V
ΔTLSB = °C
7.ホイートストンブリッジとひずみゲージふつう
+−5 VR1​ = 50 ΩR2​ = 800 ΩR3​ = 1000 ΩR4​ = 10 ΩabGRg​ = 20 Ω

抵抗 20 Ω の検流計が、図のブリッジの a と b の間につながれています(Vs = 5 V)。a から b へ流れる検流計電流 Ig を µA で求めなさい。

Vs = 5 VR1 = 50 ΩR2 = 800 ΩR3 = 1000 ΩR4 = 10 ΩRg = 20 Ω
Ig = µA
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 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−Vo​ = ?

1000 Ω の辺をもつブリッジに 5 V を加え、アクティブゲージ 1 枚(1/4 ブリッジ) とします。ゲージ率は 2.1、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 = 2.1ε = 200 µε
Vo = mV
9.定常偏差と PID 制御ふつう
R(s)+K = 2210s + 1C(s)−

プロセス G(s) = 2/(10s + 1) を、比例ゲイン K = 2 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/(10s + 1)K = 2
ess = %
10.定常偏差と PID 制御むずかしい
r(t) = 2t+5 + 0.5/s20(s + 1)(s + 2)C(s)−

PI 制御器 C(s) = 5 + 0.5/s が、単位フィードバックのループで制御対象 G(s) = 20/((s + 1)(s + 2)) を制御しています。ランプ入力 r(t) = 2t に対する定常偏差 ess を求めなさい。

C(s) = 5 + 0.5/sG(s) = 20/((s + 1)(s + 2))r(t) = 2t
ess =
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) = 69/(s² + 13s + 69) 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) = 69/(s² + 13s + 69)
σ =
12.ステップ応答むずかしい
R(s)+90s(s + 12)G(s)C(s)−

単位負帰還ループの G(s) = 90/(s(s + 12)) 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) = 90/(s(s + 12))
ts = s

3溶液

1.直流モーター

答え: SR = 3.226 %

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。

無負荷速度と全負荷速度

n₀ = 60·240/(2π·1.5) = 1528 rpm
nFL = 60·(240 − 15·0.5)/(2π·1.5) = 1480 rpm

速度変動率

SR = (1528 − 1480)/1480·100 = 3.226 %

答え

SR = 3.226 %
2.直流モーター

答え: n = 1851 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 = 0.7·0.8 = 0.56 V·s/rad

新しい電機子電流

Ia = 8/0.56 = 14.29 A

新しい速度

ω = (120 − 14.29·0.8)/0.56 = 193.9 rad/s → n = 1851 rpm

答え

n = 1851 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: T2 = 604.8 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·1500/60 = 157.1 rad/s
T1 = P/ω₁ = 15000/157.1 = 95.49 N·m

出力トルク

T2 = 95.49·80/12·0.95 = 604.8 N·m

答え

T2 = 604.8 N·m
4.歯車と歯車列

答え: θ = 174.3 °

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(0.05) = 2.866°

巻き付け角

θ = 180 − 2·2.866 = 174.3°

答え

θ = 174.3°
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

3300 mV/1 mV = 3300

ビット数

log₂(3300) = 11.69
211 = 2048 < 3300 ≤ 212 = 4096
N = 12

答え

N = 12
6.データ収録とサンプリング

答え: ΔTLSB = 0.6104 °C

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 = 5000/4096 = 1.221 mV

ADC での感度

1·2 = 2 mV/°C

温度分解能

ΔTLSB = 1.221/2 = 0.6104 °C

答え

ΔTLSB = 0.6104 °C

ADC は 2500 °C でフルスケールに達します。

7.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: Ig = 60504 µA

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。

テブナン電圧

Vth = 5·(800/850 − 10/1010) = 4.656 V

テブナン抵抗

Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 56.96 Ω

検流計電流

Ig = 4.656/(56.96 + 20) = 60504 µA

答え

Ig = 60504 µA
8.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: Vo = 0.525 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 = 2.1·200·10⁻⁶ = 0.00042

ブリッジの出力

Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 5·0.00042/4 = 0.525 mV

答え

Vo = 0.525 mV
9.定常偏差と PID 制御

答え: ess = 20 %

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 = 2·2 = 4

ステップ偏差

ess = 100/(1 + 4) = 20 %

答え

ess = 20 %
10.定常偏差と PID 制御

答え: ess = 0.4

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 + 0.5 → s → 0 のとき 0.5。

Kv = 0.5·20/2 = 5

ランプ偏差

ess = 2/5 = 0.4

答え

ess = 0.4

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 = −6.5

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 = 69 → ωₙ = 8.307 rad/s
2ζωₙ = 13 → ζ = 13/(2·8.307) = 0.7825

結果

σ = −ζωₙ = −13/2 = −6.5

答え

σ = −6.5
12.ステップ応答

答え: ts = 0.6667 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) = 90/(s² + 12s + 90): ωₙ = 9.487 rad/s, ζ = 0.6325

整定時間

ζωₙ = 12/2 = 6
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0.6667 s

答え

ts = 0.6667 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。

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