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 = 0.15 V·s/rad の直流モーターが 48 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 = 48 Vk = 0.15 V·s/rad
n0 = rpm
2.直流モーターむずかしい
+−110 VD = ?Ra​ = 0.4 ΩM+−En = 1000 rpmT = 20 N·m

直流チョッパが、110 V の直流母線からモーター(k = 0.8 V·s/rad、Ra = 0.4 Ω)に給電します。電機子の平均電圧は D·110 V です。負荷 20 N·m で 1000 rpm の運転となるデューティ比 D を求めなさい。

Vdc = 110 Vk = 0.8 V·s/radRa = 0.4 ΩT = 20 N·mn = 1000 rpm
D = %
3.歯車と歯車列ふつう
N1​ = 20N2​ = 32

960 rpm で回転する 1.1 kW のモータが歯数 20 のピニオンを駆動し、ピニオンは歯数 32 の歯車とかみ合っている。 この歯車対の効率は 98% である。 モータ軸のトルク T1 を求めよ。

P = 1.1 kWn1 = 960 rpmN1 = 20N2 = 32η = 98%
T1 = N·m
4.歯車と歯車列むずかしい
A = 45B = 48C = 16D = 24

複合歯車列において、3000 rpm で回転する入力軸上の歯車 A(歯数 45)が歯車 B(歯数 48)を駆動する。歯車 C(歯数 16)は B と同じ軸に固定されており、出力軸上の歯車 D(歯数 24)を駆動する。出力回転速度 nout を求めよ。

nin = 3000 rpmA = 45B = 48C = 16D = 24
nout = rpm
5.データ収録とサンプリングふつう
Vin​N = 85 V2ᴺ − 101 LSB0.905 V?

入力範囲 0〜5 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 0.905 V に対する 10 進の出力コード D を求めなさい。

N = 8VFSR = 5 VVin = 0.905 V
D =
6.データ収録とサンプリングむずかしい
Vin​N = ?VFSR​2ᴺ − 101 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 55 dB 必要です。ADC の最小ビット数 N を求めなさい。

SQNR ≥ 55 dB
N =
7.ホイートストンブリッジとひずみゲージふつう
+−9 V200 Ω200 Ω + ΔR200 Ω200 Ωab+−Vab​ = ?

4 つの辺がすべて 200 Ω のブリッジで、Vs = 9 V です。センサ R₂ が ΔR = 0.4 Ω だけ増加します。微小変化の近似を使って、出力 Vab を mV で求めなさい。

Vs = 9 VR = 200 ΩΔR = 0.4 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
+−2.5 V350 Ω − ΔR350 Ω + ΔR350 Ω350 Ωab+−Vo​ = ?

350 Ω の辺をもつブリッジに 2.5 V を加え、隣り合う辺にアクティブゲージ 2 枚、1 枚は引張、1 枚は圧縮(1/2 ブリッジ) とします。ゲージ率は 2、ひずみは 250 µε です。ブリッジの出力 Vo を mV で求めなさい。

Vs = 2.5 VGF = 2ε = 250 µε
Vo = mV
9.定常偏差と PID 制御ふつう
r(t) = 5t+Ks(s + 10)C(s)−

G(s) = K/(s(s + 10)) の単位フィードバックのループが、ランプ入力 r(t) = 5t に定常偏差 0.01 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 + 10))r(t) = 5tess = 0.01
K =
10.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+K = 162s(s + 2)C(s)−

比例制御器 K = 16 が、単位フィードバックのループで制御対象 G(s) = 2/(s(s + 2)) 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) = 2/(s(s + 2))K = 16
tp = s
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) = 93/(s² + 12s + 93) で、単位ステップ入力を受ける。 ステップ応答のオーバーシュート率 %OS を求めよ。

G(s) = 93/(s² + 12s + 93)
%OS = %
12.ステップ応答むずかしい
t (s)y(t)115 %

零点をもたない 2 次系のステップ応答で、オーバーシュートを 15 % にしたい。減衰比 ζ を求めよ。

%OS = 15 %
ζ =

3溶液

1.直流モーター

答え: n0 = 3056 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 = 48/0.15 = 320 rad/s
n0 = 60·320/(2π) = 3056 rpm

答え

n0 = 3056 rpm
2.直流モーター

答え: D = 85.25 %

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。

必要な電機子電圧

Va = 0.8·104.7 + 25·0.4 = 93.78 V

デューティ比

D = 93.78/110 = 85.25 %

答え

D = 85.25 %
3.歯車と歯車列

答え: T1 = 10.94 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·960/60 = 100.5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1100/100.5 = 10.94 N·m

答え

T1 = 10.94 N·m
4.歯車と歯車列

答え: nout = 1875 rpm

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。

第 1 段

nB = 3000·45/48 = 2813 rpm = nC

第 2 段

nout = 2813·16/24 = 1875 rpm

答え

nout = 1875 rpm

全体の速比 = 1.6 : 1

5.データ収録とサンプリング

答え: D = 46

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 = 5/28 = 19.53 mV

コード

Vin/LSB = 905/19.53 = 46.34
コード = ⌊46.34⌋ = 46

答え

D = 46

2 進数では 00101110 です。

6.データ収録とサンプリング

答え: N = 9

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 ≥ (55 − 1.76)/6.02 = 8.844

切り上げる

N = 9
確認: 6.02·9 + 1.76 = 55.94 dB ≥ 55 dB

答え

N = 9
7.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: Vab = 4.5 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。

相対変化

ΔR/R = 0.4/200 = 0.002

線形化した出力

Vab ≈ 9·0.002/4 = 4.5 mV

答え

Vab = 4.5 mV

厳密な値は 4.496 mV です。ΔR/R が小さいうちは、近似はよく合います。

8.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: Vo = 0.625 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 = 2·250·10⁻⁶ = 0.0005

ブリッジの出力

Vo = Vs·GF·ε/2 = 2.5·0.0005/2 = 0.625 mV

答え

Vo = 0.625 mV
9.定常偏差と PID 制御

答え: K = 5000

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 = 5/0.01 = 500

利得

K = 10·Kv = 5000

答え

K = 5000

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 = 0.07071。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 = 0.5642 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 + 2) + 16·2 = s² + 2s + 32

ωₙ と ζ

ωₙ = √32 = 5.657 rad/s
ζ = 2/(2·5.657) = 0.1768

ピーク時間

ωd = 5.657·√(1 − 0.1768²) = 5.568 rad/s
tp = π/5.568 = 0.5642 s

答え

tp = 0.5642 s
11.ステップ応答

答え: %OS = 8.236 %

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 = 93 → ωₙ = 9.644 rad/s
2ζωₙ = 12 → ζ = 12/(2·9.644) = 0.6222

結果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2.497 = 8.236 %

答え

%OS = 8.236 %
12.ステップ応答

答え: ζ = 0.5169

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。

減衰比

ζ = −ln(0.15)/√(π² + ln²(0.15)) = 1.897/√(9.87 + 3.599) = 0.5169

答え

ζ = 0.5169

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