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​ = 0.4 ΩIa​ = 6 AM+−EωT

直流モーターが 48 V の電源から 6 A を引き込みます。電機子抵抗は 0.4 Ω、回転損(摩擦損、風損、鉄損)は 8 W です。効率 η を求めなさい。

V = 48 VIa = 6 ARa = 0.4 ΩProt = 8 W
η = %
2.直流モーターむずかしい
T (N·m)n (rpm)3 N·m750 rpm

k = 0.75 V·s/rad、Ra = 1 Ω の直流モーターが、750 rpm で 3 N·m の負荷を駆動しなければなりません。必要な電機子電圧 V を求めなさい。

k = 0.75 V·s/radRa = 1 ΩT = 3 N·mn = 750 rpm
V = V
3.歯車と歯車列ふつう
N1​ = 18N2​ = 80

2900 rpm で回転する 4 kW のモータが歯数 18 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 96% である。 歯車軸の出力トルク T2 を求めよ。

P = 4 kWn1 = 2900 rpmN1 = 18N2 = 80η = 96%
T2 = N·m
4.歯車と歯車列むずかしい
Ns​ = 16nr​ = ?Np​ = 15キャリヤ固定

遊星歯車装置で、太陽歯車の歯数は 16、各遊星歯車の歯数は 15 である。遊星キャリヤを固定し、太陽歯車を 1440 rpm で駆動する。リングギヤの回転速度 nr(大きさ)を求めよ。

Ns = 16Np = 15ns = 1440 rpm
nr = rpm
5.データ収録とサンプリングふつう
Vin​N = 82.5 V2ᴺ − 101 LSB1.558 V?

入力範囲 0〜2.5 V の 8 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 1.558 V に対する 10 進の出力コード D を求めなさい。

N = 8VFSR = 2.5 VVin = 1.558 V
D =
6.データ収録とサンプリングむずかしい
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​1/fbaud​24 MHz / (16·D)

クロック 24 MHz のマイクロコントローラが、UART のボーレートを fclk/(16·D) に設定します。D は最も近い値に丸めた整数です。目標は 19200 baud です。実際のボーレートの誤差を百分率で求めなさい(速すぎる場合を正とします)。

fclk = 24 MHz目標値 = 19200 Bd
e = %
7.ホイートストンブリッジとひずみゲージふつう
+−15 V250 Ω250 Ω + ΔR250 Ω250 Ωab+−Vab​ = ?

4 つの辺がすべて 250 Ω のブリッジで、Vs = 15 V です。センサ R₂ が ΔR = 62.5 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 = 250 ΩΔR = 62.5 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
+−10 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−1.25 mV

アクティブゲージ 1 枚の 1/4 ブリッジ(GF = 2)に 10 V を加えます。荷重がかかると、出力は 1.25 mV を示します。ひずみ ε を µε で求めなさい。

Vs = 10 VGF = 2Vo = 1.25 mV
ε = µε
9.定常偏差と PID 制御ふつう
r(t) = 1t+Ks(s + 2)C(s)−

G(s) = K/(s(s + 2)) の単位フィードバックのループが、ランプ入力 r(t) = 1t に定常偏差 0.02 で追従しなければなりません。ゲイン K を求めなさい。

G(s) = K/(s(s + 2))r(t) = 1tess = 0.02
K =
10.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+K = 410s(s + 8)C(s)−

比例制御器 K = 4 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。 ステップ応答のピーク時間 tp を求めよ。

G(s) = 10/(s(s + 8))K = 4
tp = 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) = 7/(s² + 3s + 7) 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) = 7/(s² + 3s + 7)
tp = s
12.ステップ応答むずかしい
+−24 VR = 9 ΩL = 200 mHC = 100 µFvC​

R = 9 Ω、L = 200 mH、C = 100 µF の直列 RLC 回路に、t = 0 で 24 V のステップを加える。コンデンサは充電されておらず、ステップの前には電流は流れていない。 コンデンサ電圧のピーク値 vC,max を求めよ。

R = 9 ΩL = 200 mHC = 100 µFV = 24 V
vC,max = V

3溶液

1.直流モーター

答え: η = 92.22 %

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 = 48·6 = 288 W
Pdev = 45.6·6 = 273.6 W
Pout = 273.6 − 8 = 265.6 W

効率

η = 265.6/288·100 = 92.22 %

答え

η = 92.22 %
2.直流モーター

答え: V = 62.9 V

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。

逆起電力

E = 0.75·78.54 = 58.9 V

電機子電流

Ia = 3/0.75 = 4 A

電機子電圧

V = 58.9 + 4·1 = 62.9 V

答え

V = 62.9 V
3.歯車と歯車列

答え: T2 = 56.2 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 = 4000/303.7 = 13.17 N·m

出力トルク

T2 = 13.17·80/18·0.96 = 56.2 N·m

答え

T2 = 56.2 N·m
4.歯車と歯車列

答え: nr = 500.9 rpm

遊星歯車装置:太陽歯車、リング、キャリヤの回転速度はウィリスの式 (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns で結ばれます:キャリヤから見ると、遊星歯車をアイドラとする普通の歯車列です。1 つの要素を固定すると、単一の減速比をもつ減速機になります。

リングギヤの歯数

Nr = Ns + 2·Np = 16 + 2·15 = 46

キャリヤ固定時のウィリスの式

nc = 0 のとき、太陽歯車はアイドラとして働く遊星歯車を介してリングを駆動します。

nr = −ns·Ns/Nr = −1440·16/46 = −500.9 rpm
|nr| = 500.9 rpm

答え

nr = 500.9 rpm

リングは太陽歯車と逆向きに回転します。

5.データ収録とサンプリング

答え: D = 159

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 = 2.5/28 = 9.766 mV

コード

Vin/LSB = 1558/9.766 = 159.5
コード = ⌊159.5⌋ = 159

答え

D = 159

2 進数では 10011111 です。

6.データ収録とサンプリング

答え: e = 0.1603 %

UART:調歩同期式のシリアル通信は、各バイトをフレームとして送ります:スタートビット(Low)1 つ、データビット、任意のパリティビット、ストップビット(High)1 つまたは 2 つ。ボーレートは毎秒のビット数なので、1 ビットの長さは Tb = 1/ボーレート、n ビットのフレームの長さは n/ボーレートです。よく使われる 8N1 形式は 1 バイトが 10 ビットです。ボーレート発生器はクロックを分周します:ボーレート = fclk/(16·D)、D は整数なので、実際のボーレートは目標値とわずかに異なります。誤差がおよそ 2 % 未満なら、たいてい許容されます。

分周比

D = 24·10⁶/(16·19200) = 78.13 → 78

実際のボーレート

24·10⁶/(16·78) = 19231 Bd

誤差

(19231 − 19200)/19200·100 = 0.1603 %

答え

e = 0.1603 %

誤差がおよそ 2 % 未満なら、たいてい許容されます。

7.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: Vab = 833.3 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 = 15·312.5/562.5 = 8.333 V
Vb = 7.5 V

排泄量

Vab = 833.3 mV

答え

Vab = 833.3 mV

線形の見積もり Vs·ΔR/(4R) = 937.5 mV は 12.5 % 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: ε = 250 µε

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。

1/4 ブリッジの式を解く

ε = 4·0.00125/(10·2) = 0.00025

マイクロストレインで

ε = 250 µε

答え

ε = 250 µε
9.定常偏差と PID 制御

答え: K = 100

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。

必要な速度偏差定数

Kv = A/ess = 1/0.02 = 50

利得

K = 2·Kv = 100

答え

K = 100

ゲインを大きくすると、このループの減衰は非常に小さくなります:ζ = 0.1。この両立の難しさが、補償器を使う理由です。

10.定常偏差と PID 制御

答え: tp = 0.6413 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) + 4·10 = s² + 8s + 40

ωₙ と ζ

ωₙ = √40 = 6.325 rad/s
ζ = 8/(2·6.325) = 0.6325

ピーク時間

ωd = 6.325·√(1 − 0.6325²) = 4.899 rad/s
tp = π/4.899 = 0.6413 s

答え

tp = 0.6413 s
11.ステップ応答

答え: tp = 1.441 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 = 7 → ωₙ = 2.646 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·2.646) = 0.5669

結果

ωd = 2.646·√(1 − 0.5669²) = 2.179 rad/s → tp = π/ωd = 1.441 s

答え

tp = 1.441 s
12.ステップ応答

答え: vC,max = 41.47 V

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。

固有角周波数と減衰比

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0.2·1 × 10⁻⁴) = 223.6 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (9/2)·√(1 × 10⁻⁴/0.2) = 0.1006

結果

%OS = 72.78 %
vC,max = 24·(1 + 0.7278) = 41.47 V

答え

vC,max = 41.47 V

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