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REALTEC
速度/角度制御実験装置
(RTC03+USB2)
取り扱い説明書
(有)ﾘｱﾙﾃｯｸ
Rel.2012.10.25
Rev.2013.01.24
Rev.2014.05.08
速度/角度制御実験装置 RTC03 取説
REALTEC
1)概説
本装置は 駆動用DCﾓｰﾀｰ､発電機(速度制御用負荷DCﾓｰﾀｰ)､ﾊﾟﾙｽｴﾝｺｰﾀﾞｰ､
PWMﾊﾟﾜｰｱﾝﾌﾟで構成されています。 概略図は Fig.1になります｡
GND/0V(黒)
CCW(茶)
CW(灰)
Vi(橙)
+5V(赤)
0V(茶)
φA(青)
φ(B(黄)
AC100V/12V1.5A
CN1
CN2 CN3
PWM
ﾊﾟﾜｰｱﾝﾌﾟ
発電機
ﾓｰﾀｰ
慣性負荷
ﾌﾟｰﾘｰ
速度負荷SW
可変抵抗器
Fig.1
角度制御の時はﾌﾟｰﾘｰからﾌｧﾝﾍﾞﾙﾄを外します｡ 速度制御の時はﾌﾟｰﾘｰをﾌｧﾝ
ﾍﾞﾙﾄで連結し､発電機を速度負荷として使用します｡ 速度負荷SWをONに
すると発電機の出力に可変抵抗器(100Ω)が接続されます｡ 可変抵抗器の
ﾂﾏﾐをCW(時計方向)に回すと抵抗値は0Ωに近づき重い速度負荷になります｡
2)部品ﾘｽﾄ
速度/角度制御実験装置-1台
ACｱﾀﾞﾌﾟﾀｰ-------------1個(AC100V/12V/1.5A)
慣性負荷----------------1個(真鍮の円盤)
荷重負荷----------------1個(鉄のﾂﾏﾐ)
ﾌｧﾝﾍﾞﾙﾄ-----------------1個
資料----------------------1冊(概説と取説)
RTC03
REALTEC
3)配線
USBﾃﾞｨﾊﾞｲｽ､配線用のﾀｰﾐﾅﾙﾎﾞｰﾄﾞ､実験装置の配線は以下の様になります｡
Fig.2参照｡
上段ﾌﾗｯﾄｹｰﾌﾞﾙ
USB
下段ﾌﾗｯﾄｹｰﾌﾞﾙ
ACｱﾀﾞﾌﾟﾀｰ(12V)
USBｹｰﾌﾞﾙ
ﾀｰﾐﾅﾙﾎﾞｰﾄﾞ
ﾀｰﾐﾅﾙﾎﾞｰﾄﾞ
A1
A2
Vi(橙)
GND/0V(黒)
D1
D2
５V(赤)
0V(黒)
CW(灰)
CCW(茶)
φA(白)
φB(青)
AC100V/12V1.5A
CN 1
CN2
CN3
PWM
ﾊﾟﾜｰｱﾝﾌﾟ
ﾓｰﾀｰ
慣性負荷
RTC03
ﾌﾟｰﾘｰ
発電機
可変抵抗器
速度負荷SW
Fig.2
REALTEC
3-1)ｴﾝｺｰﾀﾞｰ
1回転500ﾊﾟﾙｽのﾊﾟﾙｽｴﾝｺｰﾀﾞｰがﾓｰﾀｰ軸に直結されています｡ 下記ｹｰﾌﾞﾙを
ﾀｰﾐﾅﾙﾎﾞｰﾄﾞに接続します｡ Fig.2参照｡
出力
: φA､φBﾀｲﾌﾟの信号
出力回路
: +5Vと出力端子間には3.3KΩのｺﾚｸﾀ抵抗が内蔵
されています｡
信号ﾚﾍﾞﾙ
: TTLﾚﾍﾞﾙ
必要な電源 : +5V
ｹｰﾌﾞﾙ
: 赤-----+5V､ 茶------0V､ 青------φA､ 黄------φB
3-2)PWMﾊﾟﾜｰｱﾝﾌﾟ
PWMﾊﾟﾜｰｱﾝﾌﾟは PWM-IC L6207を応用しています｡ 入力Vi(ｱﾅﾛｸﾞ信号)と
極性信号CWとCCWが必要です｡
単一電源(+12V)でCW,CCWの制御ができます｡
必要な電源 : +12V(1.5A)
信号ﾚﾍﾞﾙ
: Vi---------------0～1V
CW,CCW-----TTL
ｹｰﾌﾞﾙ
RTC03
: 橙-----Vi､ 灰------CW､ 茶------CCW､ 黒------0V(GND)
REALTEC
4)角度制御実験
角度制御実験と速度制御実験ができます｡
ｻﾝﾌﾟﾙﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑは角度制御実験用のUSB_RTC03Ang.mdlと速度制御
実験用のUSB_RTC03Vel.mdlが添付CD-ROMに含まれています｡
注) それらｻﾝﾌﾟﾙﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑは MatlabR2007bで作られていますので､ﾕｰｻﾞｰが
MatlabR2007b以外のﾊﾞｰｼﾞｮﾝを使用している場合は､そのﾊﾞｰｼｮﾝでｻﾝﾌﾟﾙ
ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑを作り直す必要が有ります｡
角度制御実験用のｻﾝﾌﾟﾙﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ USB_RTC03_ENC.mdlを開くと次の様に
なります｡ Fig.4-1参照｡
Fig.4-1
各部の説明は
ENC_RST : ｽﾃｯﾌﾟ信号発生器で､ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑｽﾀｰﾄから最初の0.05秒間ﾊﾟﾙｽ
ｴﾝｺｰﾀﾞｰｶｳﾝﾀｰをﾘｾｯﾄします｡
ENC0-7
: ｴﾝｺｰﾀﾞｰﾁｬﾝﾈﾙ0～7の内ﾁｬﾝﾈﾙ0を使用しています｡
SW
: ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑｽﾀｰﾄから0.05秒間0を出力し､その後ｴﾝｺｰﾀﾞｰ値を
出力します｡
Step CMD : Signal Generatorのsquare信号を使用し､振幅±1､周波数
0.4Hzに設定しています｡
CMD_Gain : ｽﾃｯﾌﾟ信号の振幅を設定する｡ 単位は度です｡
Demux/Mux: ｴﾝｺｰﾀﾞｰのﾁｬﾝﾈﾙ1～7をﾀｰﾐﾈｰﾄしています｡
RTC03
REALTEC
Kc
: ﾊﾟﾙｽ数を角度に変換するｹﾞｲﾝです｡
ﾊﾟﾙｽｴﾝｺｰﾀﾞｰは500P/1回転で､USBﾃﾞｨﾊﾞｲｽ内の4逓倍回路で
1回転2,000PになりますからKc=360度/2,000P=0.18度/P です｡
Ki
: 積分ｹﾞｲﾝ
SW1 : 積分器の入力0と誤差信号を切り換えます｡
SW2 : 積分器をﾘｾｯﾄします｡どちらに切り換えてもﾘｾｯﾄします｡
Kp
: 比例ｹﾞｲﾝ
Derivative : ﾛｰﾊﾟｽﾌｨﾙﾀｰ付の微分器
Kd
: 微分ｹﾞｲﾝ
Abs
: PWMﾊﾟﾜｰｱﾝﾌﾟ用に､制御電圧Viの絶対値をとる｡
Vi-Gain : PWMﾊﾟﾜｰｱﾝﾌﾟは電流帰還型なので電圧ｹﾞｲﾝを持っています｡
ﾓｰﾀｰｺｲﾙ抵抗8.3Ω､電流検出用抵抗0.5Ωなので電圧ｹﾞｲﾝGは
G=(8.3+0.5)/0.5=17.6です｡
ｻﾝﾌﾟﾙﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑでは出力Viに1/17.6=0.057を掛けて出力して
います｡
Sign : Vi信号の極性をとり出します｡ +Viなら+1V､-Viなら-1V｡
CW : -1Vをｶｯﾄしています｡ Viが+ならCW(+1V)をとり出しDO09に
出力しています｡
CCW : Signの極性を反転してViの-を取り出しCCW(+1V)をDO10に
出力しています｡
DAC0-3 : DAC出力ﾁｬﾝﾈﾙ0～3のﾁｬﾝﾈﾙ0を使用しています｡
<*追加情報>
ﾈｶﾞﾃｨﾌﾞﾌｨｰﾄﾞﾊﾞｯｸの設定は
CMD-Gain=0にして入力を0にし､慣性負荷を手で押えて､ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑをｽﾀｰﾄ
します｡
慣性負荷を手で少し回した時､ﾓｰﾀｰが0点に戻る方向に動けば正常な
ﾈｶﾞﾃｨﾌﾞﾌｨｰﾄﾞﾊﾞｯｸです｡
慣性負荷を手で少し回した時､ﾓｰﾀｰが更にその方向に動く場合は異常な
ﾈｶﾞﾃｨﾌﾞﾋｰﾄﾞﾊﾞｯｸです｡CW,CCW又はФA, ФBの配線が逆になっています｡
RTC03
REALTEC
4-1)ｽﾃｯﾌﾟ応答実験(PD制御)
ﾌｧﾝﾍﾞﾙﾄを外して荷重負荷を外し､慣性負荷だけ装着した状態でｽﾃｯﾌﾟ応答
(PD制御)の実験をします｡ Fig.4-2参照｡
正面図
上面図
慣性負荷
ﾓｰﾀｰ軸
慣性負荷
ﾌﾟｰﾘｰ
ﾌﾟｰﾘｰ
Fig.4-2
CMD-Gain＝45に対し､Kp=0.2､ Kd=0.01､ Ki=0 で適度な応答に
なります｡
Kdを小さくすると､ｵｰﾊﾞｰｼｭｰﾄは大きくなります｡
4-2)PID制御
積分器を追加し､PID制御にすると定常角度偏差を0にできます｡
荷重負荷を追加します｡ Fig.4-3 参照｡
正面図
上面図
荷重負荷
慣性負荷
荷重負荷
ﾌﾟｰﾘｰ
荷重
慣性負荷
ﾓｰﾀｰ軸
ﾌﾟｰﾘｰ
Fig.4-3
ｻﾝﾌﾟﾙﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑのSW1を0側にしたまま 荷重負荷を手で押えて水平の位置
にし､ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑをｽﾀｰﾄして手を離すと荷重負荷の重みで位置が下方にずれ､
角度偏差が発生します｡ そこでSW1をKi側に切り換えると積分器が働き
角度偏差は無くなり､荷重負荷は元の位置に戻ります｡ 角度偏差を大きく
示すため比例ｹﾞｲﾝを小さくすると積分効果が顕著に現れます｡
Kp=0.1､ Kd=0.01､ Ki=0->0.1 が適度なｹﾞｲﾝです｡
補正後
SW1を0側にしても積分器の値は維持されるので偏差は0です｡
SW2を切り換えると積分器はﾘｾｯﾄされ､偏差が再現します｡
RTC03
REALTEC
5)速度制御実験(PI制御)
速度制御をする場合は 荷重負荷を外します｡
次にﾌｧﾝﾍﾞﾙﾄをﾓｰﾀｰﾌﾟｰﾘｰと発電機(速度負荷)ﾌﾟｰﾘｰにｾｯﾄします｡
速度はﾊﾟﾙｽｴﾝｺｰﾀﾞｰの位置信号を微分して速度信号を作ります｡
ｻﾝﾌﾟﾙﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑUSB_RTC03Vel.mdlで簡単な回転速度制御実験ができます｡
Fig.5-1参照｡
Fig.5-1
Derivative : ﾛｰﾊﾟｽﾌｨﾙﾀｰ付きの微分器です｡ ｴﾝｺｰﾀﾞｰ入力(角度信号)を
微分して速度信号を作っています｡
Kc
: 微分値(ﾊﾟﾙｽｶｳﾝﾄ/ｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞ時間)を速度(rpm)に変換する変換ｹﾞｲﾝ
です｡ ｵｯｼﾛｽｺｰﾌﾟで実測すると
K c  900 /(3 *104 )  0.03
LPF
: 微分のﾉｲｽﾞを取除く為のﾛｰﾊﾟｽﾌｨﾙﾀｰです｡
SW3
: ｵｰﾌﾟﾝﾙｰﾌﾟとｸﾛｰｽﾞﾄﾞﾙｰﾌﾟを切り換えます｡
CMD(rpm): 指令信号(単位=rpm)を設定します｡
RTC03
REALTEC
5-1)ｵｰﾌﾟﾝﾙｰﾌﾟの実験
荷重負荷を外したことを確認します｡
次にﾓｰﾀｰﾌﾟｰﾘｰと発電機ﾌﾟｰﾘｰをﾌｧﾝﾍﾞﾙﾄで連結します｡
慣性負荷
ﾓｰﾀｰﾌﾟｰﾘｰ
発電機ﾌﾟｰﾘｰ
ﾌｧﾝﾍﾞﾙﾄ
Fig.5-5参照｡
SW
ON
OFF
可変抵抗器
Fig.5-5
操作ﾊﾟﾈﾙの負荷SWをOFF側にし､ｻﾝﾌﾟﾙﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑのSW2(Fig.5-1)をｵｰﾌﾟﾝ
ﾙｰﾌﾟ側にｾｯﾄし､入力電圧を2(V)にして､ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑをｽﾀｰﾄします｡
ﾓｰﾀｰ速度は1,200rpm程度まで上昇します｡ ｽｺｰﾌﾟFB(rpm)で確認します｡
操作ﾊﾟﾈﾙの負荷SWをONにすると可変抵抗器がCCW一杯(最小負荷)の
場合､800rpm程度まで､CW一杯(最大負荷)の場合､200rpm程度まで､減速
します｡
5-2)ｸﾛｽﾞﾄﾞﾙｰﾌﾟの実験
ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑをｽﾄｯﾌﾟし､ｻﾝﾌﾟﾙﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑのSW2(Fig.5-1)をｸﾛｰｽﾞﾄﾞ側に倒します｡
操作ﾊﾟﾈﾙの負荷SWをOFF側にし､ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑのSW1を0側にして
積分器が働かない比例制御にし､速度設定を1,000rpmにｾｯﾄします｡
ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑをｽﾀｰﾄすると比例ｹﾞｲﾝKpの値によりますが800～900rpm
程度で回転します｡
可変抵抗器がCW一杯(最大負荷)の状態で操作ﾊﾞﾈﾙの負荷SWをONに
すると600rpmに減速します｡ ｵｰﾌﾟﾝﾙｰﾌﾟよりは､かなり小さな
減速率です｡
この状態で､SW1を速度偏差側に切り換え､積分器を働かせてPI制御に
すると定常速度偏差は 0になり指定の1,000rpmになります｡
ﾊﾟﾜｰｱﾝﾌﾟ+電源(12V1.5A)の容量から､最大速度負荷時､定常速度偏差を
0できるのは､1,500rpm程度が限界になります｡
RTC03
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6)部品仕様
6-1) ﾓｰﾀｰ
型番
ｺｲﾙ抵抗
ｺｲﾙｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽ
ﾄﾙｸ定数
ﾛｰﾀｰｲﾅｰｼｬ
: FN30-U153N1E
: 8.3Ω
: 3.3mH
: 0.023Nm/Amp
: 10.6g･cm2 = 0.00000106Kg･m2
6-2) ﾓｰﾀｰ角ｾﾝｻｰ(ﾊﾟﾙｽｴﾝｺｰﾀﾞｰ)
型番
: E8P-500
ﾊﾟﾙｽ数
: 500
ﾀｲﾌﾟ
: A相､B相
出力
: TTLﾚﾍﾞﾙ(ｺﾚｸﾀ抵抗=3.3KΩ)
必要な電源 : +5V
6-3) PWM ﾊﾟﾜｰｱﾝﾌﾟ
必要な電源
: +12V1.5A
入力信号
: Viは +のｱﾅﾛｸﾞ信号(0～1V)
CW,CCW はTTLﾚﾍﾞﾙ
ﾓｰﾀｰﾄﾞﾗｲﾊﾞｰ : L6227
6-4) 発電機(DCﾓｰﾀｰ)
型番
: DME25BA
ﾄﾙｸ定数
: 0.021Nm/A
6-5) 可変抵抗器
抵抗値
: 100Ω
6-6) ACｱﾀﾞﾌﾟﾀｰ
: AC100V/12V1.5A
6-7) 荷重負荷
: 10g
6-8) 慣性負荷(真鍮:比重=8.4)
M=πx2.2x2.2x1x8.4=127.6g=0.1276Kg
J  0.5 * 0.1276 * 0.0222  3.0 105 Kgm2
RTC03
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7)出荷ﾃｽﾄでの確認事項
回転方向 : ｵｰﾌﾟﾝﾙｰﾌﾟもｸﾛｰｽﾞﾄﾞﾙｰﾌﾟも+入力で慣性負荷を正面から見て
CW(時計方向)に回る｡
PI制御の限界 : 可変抵抗器がCW一杯(最大負荷)の時､PI制御で定常速度
偏差を0にできるのは､ﾊﾟﾜｰｱﾝﾌﾟの飽和で1,500rpmが限界です｡
CCW一杯(最小負荷)の時は1,800rpm程度まで定常速度偏差を
0にできます｡
ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑのｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞ時間 : 0.002s
角度制御(PD.PID制御)の場合､ｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞ時間を換えると適度な
微分ｹﾞｲﾝKdの値は変わってきます｡
RTC03