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。

新しい問題科目に戻る

印刷ウィンドウで「PDF として保存」を選ぶと、コピーを端末に保存できます。

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
+−120 VRa​ = 0.8 ΩIa​ = 20 AM+−EωT

直流モーターが 120 V の電源から 20 A を引き込みます。電機子抵抗は 0.8 Ω、回転損(摩擦損、風損、鉄損)は 104 W です。効率 η を求めなさい。

V = 120 VIa = 20 ARa = 0.8 ΩProt = 104 W
η = %
2.直流モーターむずかしい
+−48 VRa​ = 0.25 ΩIa​: 6 → 2.4 AM+−En = ?T

48 V(Ra = 0.25 Ω)の他励直流モーターが、電機子電流 6 A で 1500 rpm で回転しています。負荷が変わり、界磁は変えないまま電流が 2.4 A になります。新しい速度 n2 を求めなさい。

V = 48 VRa = 0.25 Ωn1 = 1500 rpmIa1 = 6 AIa2 = 2.4 A
n2 = rpm
3.歯車と歯車列ふつう
N1​ = 24N2​ = 80

960 rpm で回転する 7.5 kW のモータが歯数 24 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 95% である。 歯車軸の出力トルク T2 を求めよ。

P = 7.5 kWn1 = 960 rpmN1 = 24N2 = 80η = 95%
T2 = N·m
4.歯車と歯車列むずかしい
Ns​ = 30リング固定Np​ = 24nc​ = ?

遊星歯車装置で、太陽歯車の歯数は 30、各遊星歯車の歯数は 24 である。リングギヤを固定し、太陽歯車を 900 rpm で駆動する。遊星キャリヤの回転速度 nc を求めよ。

Ns = 30Np = 24ns = 900 rpm
nc = rpm
5.データ収録とサンプリングふつう
Vin​N = ?200 mm2ᴺ − 10≤ 0.2 mm

センサが 距離 を 200 mm の範囲で測定し、その出力が ADC の入力範囲全体を満たします。読み取りは 0.2 mm を分解できなければなりません。ADC に必要な最小のビット数 N を求めなさい。

範囲 = 200 mm分解能 = 0.2 mm
N =
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​12 MHz / (16·D)

クロック 12 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 = 12 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
+−2 VR1​ = 400 ΩR2​ = 80 ΩR3​ = 60 ΩR4​ = 10 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 = 2 VR1 = 400 ΩR2 = 80 ΩR3 = 60 ΩR4 = 10 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
+−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 750 µε です。ブリッジの出力 Vo を mV で求めなさい。

Vs = 2.5 VGF = 2ε = 750 µε
Vo = mV
9.定常偏差と PID 制御ふつう
r(t) = 2·t²/2+2(s + 3)s²(s + 10)C(s)−

放物線入力 r(t) = 2·t²/2 が、G(s) = 2(s + 3)/(s²(s + 10)) 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) = 2(s + 3)/(s²(s + 10))r(t) = 2·t²/2
ess =
10.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+Kp​ + Ki​/s5s + 2C(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) = 5/(s + 2) を制御しています。閉ループは ωₙ = 10 rad/s、ζ = 0.5 でなければなりません。比例ゲイン Kp を求めなさい。

G(s) = 5/(s + 2)ωₙ = 10 rad/sζ = 0.5
Kp =
11.ステップ応答ふつう
t (s)y(t)2ts​ = ?

ある系の伝達関数は G(s) = 60/(s² + 7s + 30) 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) = 60/(s² + 7s + 30)
ts = s
12.ステップ応答むずかしい
R(s)+Ks(s + 20)G(s)C(s)−

単位負帰還ループの G(s) = K/(s(s + 20)) である。ステップ応答のオーバーシュートが 30 % になるゲイン K を求めよ。

G(s) = K/(s(s + 20))%OS = 30 %
K =

3溶液

1.直流モーター

答え: η = 82.33 %

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 = 120·20 = 2400 W
Pdev = 104·20 = 2080 W
Pout = 2080 − 104 = 1976 W

効率

η = 1976/2400·100 = 82.33 %

答え

η = 82.33 %
2.直流モーター

答え: n2 = 1529 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。

変化前と変化後の逆起電力

E1 = 48 − 6·0.25 = 46.5 V
E2 = 48 − 2.4·0.25 = 47.4 V

新しい速度

n2 = 1500·47.4/46.5 = 1529 rpm

答え

n2 = 1529 rpm
3.歯車と歯車列

答え: T2 = 236.2 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·960/60 = 100.5 rad/s
T1 = P/ω₁ = 7500/100.5 = 74.6 N·m

出力トルク

T2 = 74.6·80/24·0.95 = 236.2 N·m

答え

T2 = 236.2 N·m
4.歯車と歯車列

答え: nc = 250 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 = 30 + 2·24 = 78

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。

(900 − nc)/(0 − nc) = −78/30
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 900·30/108 = 250 rpm

答え

nc = 250 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: N = 10

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。

必要なステップ数

200/0.2 = 1000

ビット数

log₂(1000) = 9.966
29 = 512 < 1000 ≤ 210 = 1024
N = 10

答え

N = 10
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 = 12·10⁶/(16·19200) = 39.06 → 39

実際のボーレート

12·10⁶/(16·39) = 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: Rth = 75.24 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 = 400·80/480 = 66.67 Ω
R₃∥R₄ = 60·10/70 = 8.571 Ω

テブナン抵抗

Rth = 75.24 Ω

答え

Rth = 75.24 Ω
8.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: Vo = 1.875 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 = 2·750·10⁻⁶ = 0.0015

ブリッジの出力

Vo = Vs·GF·ε/2 = 2.5·0.0015/2 = 1.875 mV

答え

Vo = 1.875 mV
9.定常偏差と PID 制御

答え: ess = 3.333

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 = 2·3/10 = 0.6

放物線偏差

ess = 2/0.6 = 3.333

答え

ess = 3.333
10.定常偏差と PID 制御

答え: Kp = 1.6

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 + 2) を掛けます。

s² + (2 + 5Kp)s + 5Ki

目標の多項式

s² + 2·0.5·10s + 10² = s² + 10s + 100

係数を合わせる

2 + 5Kp = 10 → Kp = 1.6

答え

Kp = 1.6

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: ts = 1.143 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 = 30 → ωₙ = 5.477 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·5.477) = 0.639

結果

ζωₙ = 3.5 → ts ≈ 4/3.5 = 1.143 s

答え

ts = 1.143 s
12.ステップ応答

答え: K = 780.9

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) = K/(s² + 20s + K)

オーバーシュートから求める減衰比

ζ = −ln(0.3)/√(π² + ln²(0.3)) = 0.3579

利得

ωₙ = 20/(2ζ) = 27.94 rad/s
K = ωₙ² = 780.9

答え

K = 780.9

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechatronic-systems