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 = 1.2 V·s/rad の直流モーターが 110 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 = 110 Vk = 1.2 V·s/rad
n0 = rpm
2.直流モーターむずかしい
+−110 VRa​ = 4 ΩM+−EωT

小型の直流モーターの電機子抵抗は 4 Ω で、110 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 = 110 VRa = 4 Ω
Pmax = W
3.歯車と歯車列ふつう
d1​ = 120 mmd2​ = 200 mm1440 rpmn2​ = ?

直径 120 mm のプーリが 1440 rpm で回り、滑り 2.5 % のベルトで直径 200 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 = 1440 rpmd1 = 120 mmd2 = 200 mms = 2.5 %
n2 = rpm
4.歯車と歯車列むずかしい
d1​ = 200 mmd2​ = 315 mm720 rpmC = 600 mmT1​ = 600 NT2​P = ?

平行掛けのベルトが、200 rpm の直径 720 mm の駆動プーリと直径 315 mm のプーリをつなぎ、中心は 600 mm 離れています。摩擦係数は 0.3 で、張り側の張力は 600 N を超えてはなりません。ベルトが滑らずに伝達できる最大動力 P を kW で求めなさい(遠心力の影響は無視します)。

d1 = 200 mmn1 = 720 rpmd2 = 315 mmC = 600 mmμ = 0.3T1 = 600 N
P = kW
5.データ収録とサンプリングふつう
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​PTb​11·Tb​1200 Bd, 8E1

UART が 1200 baud で、8E1 形式(データ 8 ビット、偶数パリティビット、ストップビット 1 個、さらにスタートビット)でバイトを送ります。毎秒転送できるデータバイト数の最大値を求めなさい。

baud = 1200 Bd8E1
RB = B/s
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​16 MHz / (16·D)

クロック 16 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 57600 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 = 16 MHz目標値 = 57600 Bd
e = %
7.ホイートストンブリッジとひずみゲージふつう
+−6 VR1​ = 1000 ΩR2​ = 120 ΩR3​ = 40 ΩR4​ = 100 Ωab+−Rth​ = ?

図のブリッジの、出力端子 a、b から見たテブナン抵抗 Rth を求めなさい。

Vs = 6 VR1 = 1000 ΩR2 = 120 ΩR3 = 40 ΩR4 = 100 Ω
Rth = 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
+−12 V350 Ω − ΔR350 Ω + ΔR350 Ω + ΔR350 Ω − ΔRab+−Vo​ = ?

ロードセル(ひずみゲージのフルブリッジ)の定格出力は、定格荷重 200 kg で 1.5 mV/V です。励起電圧は 12 V です。荷重 120 kg のときの出力 Vo を求めなさい。

1.5 mV/VFrated = 200 kgVs = 12 VF = 120 kg
Vo = mV
9.定常偏差と PID 制御ふつう
r(t) = 2·t²/2+20(s + 4)s²(s + 2)C(s)−

放物線入力 r(t) = 2·t²/2 が、G(s) = 20(s + 4)/(s²(s + 2)) 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) = 20(s + 4)/(s²(s + 2))r(t) = 2·t²/2
ess =
10.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+K = 205s(s + 10)C(s)−

比例制御器 K = 20 が、単位フィードバックのループで制御対象 G(s) = 5/(s(s + 10)) を制御しています。 ステップ応答のオーバーシュート率 %OS を求めよ。

G(s) = 5/(s(s + 10))K = 20
%OS = %
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) = 73/(s² + 9s + 73) 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) = 73/(s² + 9s + 73)
tp = s
12.ステップ応答むずかしい
R(s)+235s(s + 20)G(s)C(s)−

単位負帰還ループの G(s) = 235/(s(s + 20)) 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) = 235/(s(s + 20))
ts = s

3溶液

1.直流モーター

答え: n0 = 875.4 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 = 110/1.2 = 91.67 rad/s
n0 = 60·91.67/(2π) = 875.4 rpm

答え

n0 = 875.4 rpm
2.直流モーター

答え: Pmax = 756.3 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 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。

逆起電力の関数としての電力

P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 55 V

最大電力

Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 110²/(4·4) = 756.3 W

答え

Pmax = 756.3 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 = 842.4 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。

滑りなしの回転速度

1440·120/200 = 864 rpm

滑りあり

n2 = 864·0.975 = 842.4 rpm

答え

n2 = 842.4 rpm
4.歯車と歯車列

答え: P = 2.657 kW

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。

巻き付け角

θ = 2.95 rad

緩み側の張力

eμθ = e0.8849 = 2.423, T₂ = 600/2.423 = 247.7 N

電力

P = (600 − 247.7)·7.54 = 2.657 kW

答え

P = 2.657 kW
5.データ収録とサンプリング

答え: RB = 109.1 B/s

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。

1 フレームのビット数

1 + 8 + 1 + 1 = 11

バイトレート

1200/11 = 109.1 B/s

答え

RB = 109.1 B/s
6.データ収録とサンプリング

答え: e = 2.124 %

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 = 16·10⁶/(16·57600) = 17.36 → 17

実際のボーレート

16·10⁶/(16·17) = 58824 Bd

誤差

(58824 − 57600)/57600·100 = 2.124 %

答え

e = 2.124 %

誤差がおよそ 2 % を超えると通信が不安定になります:別のクロックかボーレートを選びましょう。

7.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: Rth = 135.7 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。

電源を短絡した状態

R₁∥R₂ = 1000·120/1120 = 107.1 Ω
R₃∥R₄ = 40·100/140 = 28.57 Ω

テブナン抵抗

Rth = 135.7 Ω

答え

Rth = 135.7 Ω
8.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: Vo = 10.8 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。

フルスケール出力

1.5·12 = 18 mV

この荷重での出力

Vo = 18·120/200 = 10.8 mV

答え

Vo = 10.8 mV
9.定常偏差と PID 制御

答え: ess = 0.05

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 = 20·4/2 = 40

放物線偏差

ess = 2/40 = 0.05

答え

ess = 0.05
10.定常偏差と PID 制御

答え: %OS = 16.3 %

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 + 10) + 20·5 = s² + 10s + 100

ωₙ と ζ

ωₙ = √100 = 10 rad/s
ζ = 10/(2·10) = 0.5

オーバーシュート

%OS = 100·e−0.5π/√(1 − 0.5²) = 16.3 %

答え

%OS = 16.3 %
11.ステップ応答

答え: tp = 0.4326 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 = 73 → ωₙ = 8.544 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·8.544) = 0.5267

結果

ωd = 8.544·√(1 − 0.5267²) = 7.263 rad/s → tp = π/ωd = 0.4326 s

答え

tp = 0.4326 s
12.ステップ応答

答え: ts = 0.4 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。

閉ループ伝達関数

T(s) = 235/(s² + 20s + 235): ωₙ = 15.33 rad/s, ζ = 0.6523

整定時間

ζωₙ = 20/2 = 10
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0.4 s

答え

ts = 0.4 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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