1 公式と解法直流モーター
電機子回路 V = E + Ia Ra
逆起電力とトルク E = k·ω, T = k·Ia
速さ ω = 2π·n/60, ω = (V − Ia Ra )/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 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。 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。 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。 電力と効率では、V·Ia から始めて、銅損 Ia ²·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 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。 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。 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。 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 = Vs R2 /(R1 + R2 ), Vb = Vs R4 /(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 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。 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。 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。 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 + 2ζωn s + ωn ²
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 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。 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。 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。 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) 0.6 N·m n0 n = ? 直流モーター(k = 0.15 N·m/A、Ra = 1.5 Ω)が 48 V で動作し、負荷トルク 0.6 N·m を駆動します。速度 n を rpm で求めなさい。
V = 48 V k = 0.15 N·m/A Ra = 1.5 Ω T = 0.6 N·m
n = rpm
2. 直流モーター むずかしい
小型の直流モーターの電機子抵抗は 1.5 Ω で、24 V で動作します。回転損を無視して、どの速度でも発生できる最大の機械的電力 Pmax を求めなさい。
V = 24 V Ra = 1.5 Ω
Pmax = W
3. 歯車と歯車列 ふつう
d1 = 125 mm d2 = 300 mm 960 rpm n2 = ?
直径 125 mm のプーリが 960 rpm で回り、滑り 1.5 % のベルトで直径 300 mm のプーリを駆動します。従動プーリの回転速度 n2 を求めなさい。
n1 = 960 rpm d1 = 125 mm d2 = 300 mm s = 1.5 %
n2 = rpm
4. 歯車と歯車列 むずかしい
A = 50 B = 80 C = 16 D = ?
複合歯車列で、入力軸の歯車 A(歯数 50)が 1500 rpm で回転し、歯車 B(歯数 80)を駆動する。歯車 C(歯数 16)は B と同じ軸に固定され、出力軸の歯車 D を駆動する。出力は 500 rpm で回転しなければならない。歯車 D の歯数 ND はいくつ必要か。
nin = 1500 rpm A = 50 B = 80 C = 16 nout = 500 rpm
ND =
5. データ収録とサンプリング ふつう
Vin N = 8 VFSR 2ᴺ − 1 0 1 LSB 8 ビット ADC の、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 を求めなさい。
N = 8
SQNR = dB
6. データ収録とサンプリング むずかしい
Vin N = ? VFSR 2ᴺ − 1 0 1 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 96 dB 必要です。ADC の最小ビット数 N を求めなさい。
SQNR ≥ 96 dB
N =
7. ホイートストンブリッジとひずみゲージ ふつう
+ − 12 V R1 = 50 Ω R2 = 10 Ω R3 = 80 Ω R4 = 10 Ω a b G Rg = 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 = 12 V)。a から b へ流れる検流計電流 Ig を µA で求めなさい。
Vs = 12 V R1 = 50 Ω R2 = 10 Ω R3 = 80 Ω R4 = 10 Ω Rg = 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
+ − V 350 Ω 350 Ω + ΔR 350 Ω 350 Ω a b + −
ゲージ率 2 の 350 Ω のひずみゲージを鋼棒に接着します。荷重がかかると抵抗が 0.84 Ω 増加します。ひずみ ε をマイクロストレイン (µε) で求めなさい。
R = 350 Ω GF = 2 ΔR = 0.84 Ω
ε = µε
9. 定常偏差と PID 制御 ふつう
プロセス G(s) = 5/(5s + 1) を、比例ゲイン K = 1 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) = 5/(5s + 1) K = 1
ess = %
10. 定常偏差と PID 制御 むずかしい
比例制御器 K が、単位フィードバックのループで制御対象 G(s) = 2/(s(s + 4)) を制御しています。閉ループの減衰比を ζ = 0.6 にするゲイン K を求めなさい。
G(s) = 2/(s(s + 4)) ζ = 0.6
K =
11. ステップ応答 ふつう
ある系の伝達関数は G(s) = 69/(s² + 2s + 23) で、単位ステップ入力を受ける。 ts ≈ 4/(ζωₙ) を用いて、ステップ応答の 2 % 整定時間 ts を求めよ。
G(s) = 69/(s² + 2s + 23)
ts = s
12. ステップ応答 むずかしい
k = 200 N/m c = 38 N·s/m m = 20 kg F = 10 N x(t) 質量 m = 20 kg のおもりが、ばね定数 k = 200 N/m のばねと粘性ダンパ c = 38 N·s/m にぶら下がっている(m·x″ + c·x′ + k·x = F)。平衡状態で静止しているところに、一定の力 F = 10 N を突然加える。 減衰比 ζ を求めよ。
m = 20 kg k = 200 N/m c = 38 N·s/m F = 10 N
ζ =
3 溶液1. 直流モーター
答え: n = 2674 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 Ia ²Ra 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。
電機子電流 Ia = T/k = 0.6/0.15 = 4 A
逆起電力と速度 E = 48 − 4·1.5 = 42 V
ω = E/k = 280 rad/s → n = 2674 rpm
2. 直流モーター
答え: Pmax = 96 W
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 Ia ²Ra 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。
逆起電力の関数としての電力 P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 12 V
最大電力 Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra ) = 24²/(4·1.5) = 96 W
この点での効率はわずか 50 % なので、実際のモーターは半分の速度よりずっと高い速度で運転されます。
3. 歯車と歯車列
答え: n2 = 394 rpm
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。
4. 歯車と歯車列
答え: ND = 30
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.
中間軸の回転速度 nB = nC = 1500·50/80 = 937.5 rpm
歯車 D の歯数 ND = C·nC /nout = 16·937.5/500 = 30
5. データ収録とサンプリング
答え: SQNR = 49.92 dB
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。
理想 SQNR SQNR = 6.02·8 + 1.76 = 49.92 dB
6. データ収録とサンプリング
答え: N = 16
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 ≥ (96 − 1.76)/6.02 = 15.65
切り上げる N = 16
確認: 6.02·16 + 1.76 = 98.08 dB ≥ 96 dB
7. ホイートストンブリッジとひずみゲージ
答え: Ig = 17910 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 = 12·(10/60 − 10/90) = 0.6667 V
テブナン抵抗 Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 17.22 Ω
検流計電流 Ig = 0.6667/(17.22 + 20) = 17910 µA
8. ホイートストンブリッジとひずみゲージ
答え: ε = 1200 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。
ひずみ ε = 0.0024/2 = 0.0012 = 1200 µε
9. 定常偏差と PID 制御
答え: ess = 16.67 %
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。
ステップ偏差 ess = 100/(1 + 5) = 16.67 %
10. 定常偏差と PID 制御
答え: K = 5.556
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 + 2ζωn s + ωn ² 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) + 2K = s² + 4s + 2K
固有振動数 2·0.6·ωₙ = 4 → ωₙ = 3.333 rad/s
利得 2K = ωₙ² = 11.11 → K = 5.556
11. ステップ応答
答え: ts = 4 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 = 23 → ωₙ = 4.796 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·4.796) = 0.2085
12. ステップ応答
答え: ζ = 0.3004
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 = √(k/m) = √(200/20) = 3.162 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 38/(2·√(200·20)) = 0.3004