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 REALTEC 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 3.0 105 Kgm2 RTC03 REALTEC 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
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