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)Tst​ = ?n0​

k = 0.8 N·m/A、Ra = 0.2 Ω の直流モーターを 240 V につなぎます。速度 0 でのトルク、すなわち拘束トルク Tstall を求めなさい。

V = 240 Vk = 0.8 N·m/ARa = 0.2 Ω
Tstall = N·m
2.直流モーターむずかしい
+−120 VD = ?Ra​ = 1.2 ΩM+−En = 500 rpmT = 4.5 N·m

直流チョッパが、120 V の直流母線からモーター(k = 0.75 V·s/rad、Ra = 1.2 Ω)に給電します。電機子の平均電圧は D·120 V です。負荷 4.5 N·m で 500 rpm の運転となるデューティ比 D を求めなさい。

Vdc = 120 Vk = 0.75 V·s/radRa = 1.2 ΩT = 4.5 N·mn = 500 rpm
D = %
3.歯車と歯車列ふつう
N1​ = 20N2​ = 60

2900 rpm で回転する 11 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 60 の歯車とかみ合っている。 損失は無視する。 歯車軸の出力トルク T2 を求めよ。

P = 11 kWn1 = 2900 rpmN1 = 20N2 = 60η = 100%
T2 = N·m
4.歯車と歯車列むずかしい
A = 18B = 32C = 24D = 40

2900 rpm の 4 kW のモータが歯車 A(歯数 18)を駆動し、A は歯車 B(歯数 32)とかみ合う。B と同じ軸にある歯車 C(歯数 24)が出力軸の歯車 D(歯数 40)を駆動する。各かみ合いの効率は 98% である。出力トルク Tout を求めよ。

P = 4 kWnin = 2900 rpmA = 18B = 32C = 24D = 40ηmesh = 98%
Tout = N·m
5.データ収録とサンプリングふつう
∿01N = 2420 kHz? MB

レコーダが 1 チャネルを 20 kHz、24 ビット ADC でサンプリングします。各サンプルは整数バイトで保存されます。10 分間の記録に必要なメモリ M を MB(1 MB = 10⁶ バイト)で求めなさい。

n = 1fs = 20 kHzN = 24t = 10 min
M = MB
6.データ収録とサンプリングむずかしい
T5 mV/°C×4∿01N = 12, 10 V? °C/LSB

温度センサが 5 mV/°C(0 °C で 0 V)を出力します。その信号を 4 倍に増幅し、入力範囲 0〜10 V の 12 ビット ADC に入力します(1 LSB = VFSR/2ᴺ)。1 LSB に対応する温度変化 ΔTLSB を求めなさい。

S = 5 mV/°CG = 4N = 12VFSR = 10 V
ΔTLSB = °C
7.ホイートストンブリッジとひずみゲージふつう
+−3 V220 Ω220 Ω220 Ω220 Ωab+−

220 Ω のひずみゲージが、4 つの辺がすべて 220 Ω で励起電圧 3 V のブリッジの 1 辺(R₂)になっています。ゲージで消費される電力 Pg を mW で求めなさい。自己発熱が励起電圧を制限します。

Vs = 3 VR = 220 Ω
Pg = mW
8.ホイートストンブリッジとひずみゲージむずかしい
+−10 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−Vo​

1/4 ブリッジ(アクティブゲージ 1 枚、GF = 2.1)に 10 V を加えます。測定する最大のひずみは 1200 µε で、そのときアナログ–デジタル変換器の入力で 3.3 V にしなければなりません。増幅器のゲイン G を求めなさい。

Vs = 10 VGF = 2.1εmax = 1200 µεVFS = 3.3 V
G =
9.定常偏差と PID 制御ふつう
R(s)+K = 90.52s + 1C(s)−

プロセス G(s) = 0.5/(2s + 1) を、比例ゲイン K = 9 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/(2s + 1)K = 9
ess = %
10.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+K = 404s(s + 8)C(s)−

比例制御器 K = 40 が、単位フィードバックのループで制御対象 G(s) = 4/(s(s + 8)) 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) = 4/(s(s + 8))K = 40
%OS = %
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) = 95/(s² + 7s + 95) 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) = 95/(s² + 7s + 95)
%OS = %
12.ステップ応答むずかしい
t (s)y(t)1tp​ = 1.5 s10 %

零点をもたない 2 次系のステップ応答で、オーバーシュートは 10 % で、最初のピークは t = 1.5 s に現れる。固有角周波数 ωn を求めよ。

%OS = 10 %tp = 1.5 s
ωn = rad/s

3溶液

1.直流モーター

答え: Tstall = 960 N·m

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。

拘束電流

Ia = V/Ra = 240/0.2 = 1200 A

拘束トルク

Tstall = 0.8·1200 = 960 N·m

答え

Tstall = 960 N·m
2.直流モーター

答え: D = 38.72 %

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 = 0.75·52.36 + 6·1.2 = 46.47 V

デューティ比

D = 46.47/120 = 38.72 %

答え

D = 38.72 %
3.歯車と歯車列

答え: T2 = 108.7 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·2900/60 = 303.7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 11000/303.7 = 36.22 N·m

出力トルク

T2 = 36.22·60/20·1 = 108.7 N·m

答え

T2 = 108.7 N·m
4.歯車と歯車列

答え: Tout = 37.48 N·m

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.

出力回転数

nout = 2900·(18/32)·(24/40) = 978.8 rpm
ωout = 2π·978.8/60 = 102.5 rad/s

出力動力とトルク

Pout = 4000·0.98² = 3842 W
Tout = Pout/ωout = 3842/102.5 = 37.48 N·m

答え

Tout = 37.48 N·m
5.データ収録とサンプリング

答え: M = 36 MB

データレート:各チャネルは毎秒 fs 個の N ビットのサンプルを出力するので、生のレートは チャネル数 × fs × N bit/s です。メモリ上では 1 サンプルが整数バイトを占める(12 ビットのサンプルは 2 バイトで保存される)ので、記録に必要なメモリは チャネル数 × fs × 1 サンプルのバイト数 × 時間 です。マルチプレクス ADC はチャネルを 1 つずつ順に変換します:1 回の変換(整定時間を含む)に t かかるので、n チャネルの 1 巡に n·t かかり、各チャネルは 1/(n·t) でサンプリングされます。

1 サンプルのバイト数

⌈24/8⌉ = 3 B

バイトレート

1·20000·3 = 60000 B/s

メモリ

M = 60000·600 = 3.6 × 10⁷ B = 36 MB

答え

M = 36 MB
6.データ収録とサンプリング

答え: ΔTLSB = 0.1221 °C

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 = 10000/4096 = 2.441 mV

ADC での感度

5·4 = 20 mV/°C

温度分解能

ΔTLSB = 2.441/20 = 0.1221 °C

答え

ΔTLSB = 0.1221 °C

ADC は 500 °C でフルスケールに達します。

7.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: Pg = 10.23 mW

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。

ゲージにかかる電圧

V = 3/2 = 1.5 V

電力

Pg = 1.5²/220 = 10.23 mW

答え

Pg = 10.23 mW
8.ホイートストンブリッジとひずみゲージ

答え: G = 523.8

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。

フルスケールでのブリッジ出力

Vo = 6.3 mV

利得

G = 3.3/0.0063 = 523.8

答え

G = 523.8
9.定常偏差と PID 制御

答え: ess = 18.18 %

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 = 9·0.5 = 4.5

ステップ偏差

ess = 100/(1 + 4.5) = 18.18 %

答え

ess = 18.18 %
10.定常偏差と PID 制御

答え: %OS = 35.09 %

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 + 8) + 40·4 = s² + 8s + 160

ωₙ と ζ

ωₙ = √160 = 12.65 rad/s
ζ = 8/(2·12.65) = 0.3162

オーバーシュート

%OS = 100·e−0.3162π/√(1 − 0.3162²) = 35.09 %

答え

%OS = 35.09 %
11.ステップ応答

答え: %OS = 29.86 %

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 = 95 → ωₙ = 9.747 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·9.747) = 0.3591

結果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1.209 = 29.86 %

答え

%OS = 29.86 %
12.ステップ応答

答え: ωn = 2.597 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。

減衰比

ζ = −ln(0.1)/√(π² + ln²(0.1)) = 2.303/√(9.87 + 5.302) = 0.5912

固有振動数

ωd = π/tp = π/1.5 = 2.094 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 2.094/0.8066 = 2.597 rad/s

答え

ωn = 2.597 rad/s

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