計測・制御に関する理論

要点と定義

計測・制御では、センサーが制御対象の状態を検出し、コンピュータがその情報を基に判断して、アクチュエーターを通じて対象を動かします。センサーは状態を信号として渡す入力側、アクチュエーターは制御信号を物理的な動作に変える出力側の装置です。アナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換や、キーボードなどの入力装置は、それぞれ別の役割です。

PWM（パルス幅変調）は、一定周期のパルスの高低の電圧レベルを保ち、高電圧が続く時間の割合を変えて出力を調整する方式です。周期が一定なら、高電圧の時間が長いほど1周期当たりの平均電圧は高くなります。低域通過フィルターを通す前のポート出力は、平滑化された電圧ではなく矩形波です。

センサーは測定対象に応じて選びます。サーミスタは温度に応じた抵抗変化を検出し、ジャイロセンサーは角速度を検出して回転や傾きの変化を捉えます。

直流モーターは、端子間の電流の向きを逆にすると回転方向が変わります。

適用条件と例

PWMの波形を読むときは、電圧レベルと周期を確認し、周期内の高電圧の幅が変わっているかを見ます。例えば周期を10ミリ秒に保ち、高電圧の時間を2ミリ秒から6ミリ秒へ延ばすと、高電圧の割合は20％から60％になります。電圧の高さ自体が変わる波形や、複数の電圧段階を持つ波形とは区別します。

姿勢の変化を捉えるには、角速度を検出するジャイロセンサーを使います。気圧センサーは気圧、地磁気センサーは地磁気の向き、超音波センサーは反射を利用した距離や物体の有無を測るため、角速度を検出する用途とは異なります。

体温などの温度を測る場合、温度によって抵抗が変化するサーミスタが候補になります。超音波センサーは距離や物体の有無、フォトトランジスタは光、ポテンショメータは主に回転角や位置を抵抗値の変化として検出します。

モーターの方向制御では、スイッチの組合せから電流経路と端子間の電位差を追います。図の左端子を＋、右端子を－とすると、A1〜A4がすべてLowの場合は電流が流れません。A2とA4がHighの場合も両端子が接地され、端子間に電位差がありません。A2とA3がHighの場合は、電流が右端子から左端子へ流れて逆転します。A1とA4がHighの場合は、左端子から右端子へ流れて正転します。