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 = 0.4 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 = 0.4 V·s/rad
n0 = rpm
2.直流モーターむずかしい
+−220 VRa​ = 1.2 ΩM+−En = ?T = 12 N·m

他励直流モーター(全界磁で k = 1.2 V·s/rad、Ra = 1.2 Ω、V = 220 V)が、一定の負荷トルク 12 N·m を駆動しています。界磁磁束を全磁束の 75 % 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 = 1.2 ΩT = 12 N·mΦ = 75 %
n = rpm
3.歯車と歯車列ふつう
d1​ = 125 mmd2​ = 250 mm1440 rpmT1​ = 1000 NT2​ = 250 NP = ?

ベルトが、直径 125 mm の駆動プーリ上を 1440 rpm で走っています。張力は張り側で 1000 N、緩み側で 250 N です。伝達される動力 P を kW で求めなさい。

d1 = 125 mmn1 = 1440 rpmT1 = 1000 NT2 = 250 N
P = kW
4.歯車と歯車列むずかしい
Ns​ = 18リング固定Np​ = 15nc​ = ?

遊星歯車装置で、太陽歯車の歯数は 18、各遊星歯車の歯数は 15 である。リングギヤを固定し、太陽歯車を 1800 rpm で駆動する。遊星キャリヤの回転速度 nc を求めよ。

Ns = 18Np = 15ns = 1800 rpm
nc = rpm
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​12·Tb​38400 Bd, 8E2

UART が 38400 baud で、8E2 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 2 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 = 38400 Bd8E2
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​Tb​10·Tb​38400 Bd, 8N1

24 ビット ADC がすべてのサンプルを UART で 38400 baud、8N1 形式(スタートビット、データ 8 ビット、ストップビット 1 個)で送ります。各サンプルは 3 バイトの整数バイトで送られ、通信路は常にふさがっています。エイリアシングなしにサンプリングできる最高の信号周波数 fmax を Hz で求めなさい。

baud = 38400 BdN = 248N1
fmax = Hz
7.ホイートストンブリッジとひずみゲージふつう
+−9 VR1​ = 80 ΩR2​ = 800 ΩR3​ = 50 ΩR4​ = 300 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 = 9 VR1 = 80 ΩR2 = 800 ΩR3 = 50 ΩR4 = 300 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
+−3 V350 Ω350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−0.6 mV

アクティブゲージ 1 枚の 1/4 ブリッジ(GF = 2)に 3 V を加えます。荷重がかかると、出力は 0.6 mV を示します。ひずみ ε を µε で求めなさい。

Vs = 3 VGF = 2Vo = 0.6 mV
ε = µε
9.定常偏差と PID 制御ふつう
R(s)+K = 50.51s + 1C(s)−

プロセス G(s) = 0.5/(1s + 1) を、比例ゲイン K = 5 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) = 0.5/(1s + 1)K = 5
ess = %
10.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+Kp​ + Ki​/s2s + 1C(s)−

PI 制御器 C(s) = Kp + Ki/s が、単位フィードバックのループで制御対象 G(s) = 2/(s + 1) を制御しています。閉ループは ωₙ = 5 rad/s、ζ = 0.8 でなければなりません。比例ゲイン Kp を求めなさい。

G(s) = 2/(s + 1)ωₙ = 5 rad/sζ = 0.8
Kp =
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) = 4/(s² + s + 4) で、単位ステップ入力を受ける。 固有角周波数 ωn を rad/s で求めよ。

G(s) = 4/(s² + s + 4)
ωn = rad/s
12.ステップ応答むずかしい
k = 2000 N/mc = 40 N·s/mm = 5 kgF = 20 Nx(t)

質量 m = 5 kg のおもりが、ばね定数 k = 2000 N/m のばねと粘性ダンパ c = 40 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 = 20 N を突然加える。 変位が最大になる時刻 tp を求めよ。

m = 5 kgk = 2000 N/mc = 40 N·s/mF = 20 N
tp = s

3溶液

1.直流モーター

答え: n0 = 2865 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 = 120/0.4 = 300 rad/s
n0 = 60·300/(2π) = 2865 rpm

答え

n0 = 2865 rpm
2.直流モーター

答え: n = 2165 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 = 0.75·1.2 = 0.9 V·s/rad

新しい電機子電流

Ia = 12/0.9 = 13.33 A

新しい速度

ω = (220 − 13.33·1.2)/0.9 = 226.7 rad/s → n = 2165 rpm

答え

n = 2165 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: P = 7.069 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。

ベルトの速さ

v = 9.425 m/s

電力

P = (1000 − 250)·9.425 = 7069 W = 7.069 kW

答え

P = 7.069 kW
4.歯車と歯車列

答え: nc = 490.9 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 = 18 + 2·15 = 48

リング固定時のウィリスの式

nr = 0 とおき、キャリヤの回転速度について解きます。

(1800 − nc)/(0 − nc) = −48/18
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 1800·18/66 = 490.9 rpm

答え

nc = 490.9 rpm

キャリヤは太陽歯車と同じ向きに回転します。

5.データ収録とサンプリング

答え: RB = 3200 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 + 2 = 12

バイトレート

38400/12 = 3200 B/s

答え

RB = 3200 B/s
6.データ収録とサンプリング

答え: fmax = 640 Hz

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。

回線上の 1 サンプルあたりのビット数

3·10 = 30 bit

最高サンプリング周波数

fs,max = 38400/30 = 1280 Hz

ナイキストの限界

fmax = 1280/2 = 640 Hz

答え

fmax = 640 Hz
7.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: Rth = 115.6 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 = 80·800/880 = 72.73 Ω
R₃∥R₄ = 50·300/350 = 42.86 Ω

テブナン抵抗

Rth = 115.6 Ω

答え

Rth = 115.6 Ω
8.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: ε = 400 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 = 4·0.0006/(3·2) = 0.0004

マイクロストレインで

ε = 400 µε

答え

ε = 400 µε
9.定常偏差と PID 制御

答え: ess = 28.57 %

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 = 5·0.5 = 2.5

ステップ偏差

ess = 100/(1 + 2.5) = 28.57 %

答え

ess = 28.57 %
10.定常偏差と PID 制御

答え: Kp = 3.5

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

1 + C(s)G(s) = 0 に s(s + 1) を掛けます。

s² + (1 + 2Kp)s + 2Ki

目標の多項式

s² + 2·0.8·5s + 5² = s² + 8s + 25

係数を合わせる

1 + 2Kp = 8 → Kp = 3.5

答え

Kp = 3.5

積分項によりループは 1 型になるので、ステップ入力に定常偏差なく追従します。

11.ステップ応答

答え: ωn = 2 rad/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 = 4 → ωₙ = 2 rad/s
2ζωₙ = 1 → ζ = 1/(2·2) = 0.25

結果

ωₙ = 2 rad/s

答え

ωn = 2 rad/s
12.ステップ応答

答え: tp = 0.1603 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。

固有角周波数と減衰比

ωₙ = √(k/m) = √(2000/5) = 20 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 40/(2·√(2000·5)) = 0.2

結果

ωd = 19.6 rad/s
tp = π/ωd = 0.1603 s

答え

tp = 0.1603 s

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