エンベデッドシステムスペシャリスト 2013年 午後1 問03

解答の導き方

誤りやすいポイント

• 回転速度とトルクを混同しないようにします。回転速度を決めるのは電流の周波数であり、トルクを決めるのは電流の振幅です。
• 風量を直接、電流の振幅で決めると考えないようにします。この設問では、風量はファンモータの回転速度によって決まります。
• 回転速度が下がりそうなとき、周波数を上げるのではなく、トルクを大きくして回転速度を保つという制御の流れに注目します。

FAQ

解答の導き方

誤りやすいポイント

• 「二つのモータで首振りを速くするため」と考えるのは誤りです。本文や図2では、二つのモータがそれぞれ異なる方向の首振りを担当しています。
• ファンモータと首振り用モータを混同しないようにします。ファンモータは羽根を回転させ、首振り用モータはファン部の向きを変えます。
• 「水平方向と垂直方向に首振りをする」というだけでなく、二つのモータを使うことでそれぞれを別々に動かせる点まで結び付けることが大切です。

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解答の導き方

1. 問題文では、人のいる方向がセンサの正面から「水平方向±30°の範囲ではHighレベル」とあります。つまり、センサの正面が人の方向から左右それぞれ30°以内にある間、出力はHighになります。
2. 首振り制御MCUは首振りの方向を検出できます。そのため、首振り中に人感センサがHighになっている角度の範囲を特定できます。
3. Highになる範囲は、人の方向を中心に両側へ30°ずつ広がります。したがって、人の方向はHighの範囲の端から30°内側、すなわちその範囲の中央にあります。

誤りやすいポイント

• Highになった瞬間の角度を、そのまま人のいる方向と判断しないでください。Highは人の方向そのものではなく、センサの正面が人から±30°以内にある範囲を示します。
• ±30°を、合計30°の範囲と取り違えないようにしてください。Highになる角度の範囲は、両側を合わせて60°です。
• 首振りの角度を使わず、HighかLowかだけで判断すると、角度の範囲を絞り込めません。

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解答の導き方

誤りやすいポイント

• 電流波形の周期とPWM信号の周期を混同しないようにします。電流波形の周期を400分割したものが、PWM信号の周期です。
• PWM信号の周期の計算に、タイマの16ビットという情報を使わないようにします。この設問では、電流の周波数と分割数を使います。
• 三相それぞれのデューティ比を決める情報は、周波数ではなく位相です。周波数は波形の周期に関係します。
• テーブルを粗い角度で検索するだけでは、目的の角度に対応する値は得られません。前後のデータを用いて補間します。

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解答の導き方

誤りやすいポイント

• OFFタイマの終了時に、羽根の回転だけでなく首振りも停止する点を見落とさないようにします。
• 残り30分で行うのは、風量を徐々に小さくする制御です。単に停止情報だけを送るのでは不十分です。
• ファンモータと首振りモータは別のMCUが制御するため、制御内容だけでなく送信先も区別する必要があります。

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解答の導き方

1. ポーリング結果に反映できる時刻を求めます。
   本文では、二つのポーリングは「制御周期開始タイミングから10ミリ秒で完了する」とあります。また、設問では、首振り制御MCUがポーリング完了の「500マイクロ秒前までの状態」を応答として送信できるとされています。
   したがって、制御周期の開始を時刻0とすると、今回のポーリングに反映できる状態は、遅くとも$10-0.5=9.5$ミリ秒時点までのものです。
2. 現在のポーリングに間に合わない異常検出の時刻を考えます。
   首振り制御MCUが割込み信号を検出するまでには、最大「10マイクロ秒」掛かります。これは$0.01$ミリ秒です。
   そのため、センサが異常を検出した時刻が$9.49$ミリ秒を過ぎた直後だと、首振り制御MCUによる検出は$9.5$ミリ秒以降となり、現在のポーリング応答に間に合いません。このとき、異常は次の制御周期のポーリングで通知されます。
3. 異常通知後にコマンドが送信される時刻を求めます。
   現在の制御周期の開始を時刻0とすると、次の制御周期は$100$ミリ秒後に始まり、そのポーリングは$110$ミリ秒までに完了します。異常を受けたシステム制御MCUは、その次の制御周期でコマンドを送信するため、送信開始は時刻$200$ミリ秒です。
4. 異常検出から送信開始までの時間を計算します。
   異常検出が$9.49$ミリ秒を過ぎた直後に起きた場合、送信開始までの時間は、ほぼ$200-9.49=190.51$ミリ秒です。小数第2位を四捨五入して小数第1位まで求めると、$190.5$ミリ秒となります。

誤りやすいポイント

• ポーリングの完了時刻である10ミリ秒を、そのまま応答に反映できる状態の締切時刻と考えないようにします。応答できる状態は、完了の500マイクロ秒前までです。
• 異常が今回のポーリングに間に合わない場合、次のポーリングを待つだけでは終わりません。異常通知を受けた後、さらに次の制御周期でコマンドが送信されます。
• 割込み検出の最大遅れである10マイクロ秒は、異常が現在のポーリングに間に合わなくなる時刻を考えるときに加味します。$0.01$ミリ秒の差は小さいですが、設問で指定された条件です。

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解答の導き方

誤りやすいポイント

• 受信割込み応答時間を(a)の二つに含めないようにします。設問で明示的に除外されています。
• 「コマンドの送信開始」から「コマンドの認識」までの流れを分けて考えます。データを届ける時間と、受信した内容を解釈する時間は別です。
• (b)は停止コマンドそのものではなく、停止処理を速やかに始めさせるための信号を問うています。信号の送り先はファン制御MCUです。

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解答の導き方

1. この設問では、ファン部で異常を検出した後、いったん停止したファンモータが、通常の制御によって再び回転してしまう問題を防ぐ方法を考えます。
2. (2)の対応策では、首振り制御MCUからファン制御MCUへ「ファンモータ回転停止コマンド」を直接送ります。これにより、システム制御MCUのポーリングや次の制御周期を待たずに、ファン部で停止処理を始められます。
3. ただし、小問説明には「停止処理直後の制御周期でシステム制御MCUからファンモータの回転速度指定コマンドが送信された場合」とあります。停止処理の直後に通常の回転速度指定コマンドが届くと、ファン制御MCUがその指示に従い、停止状態を解除してしまうおそれがあります。つまり、停止コマンドを直接送るだけでは、異常時の停止状態を維持できません。
4. そこで、回転速度指定コマンドとは別に、停止状態から明示的に運転へ戻すためのコマンドを設けます。このコマンドの機能は「動作を再開する機能」と考えられます。
5. さらに、異常を検出した後は、通常の回転速度指定コマンドや首振り指定コマンドを受け取っても動作を再開しないようにします。再開を許すのは、専用の動作再開コマンドだけです。これにより、異常による停止状態を保ちつつ、再開の指示があったときだけ通常動作に戻せます。

誤りやすいポイント

• 回転速度指定コマンドを受け取ったら、その値がゼロでなくても停止を維持する、とだけ考えるのは不十分です。異常時に通常の指示を受け付けない制御が必要です。
• 動作再開コマンドを、回転速度を指定するコマンドと同じものとして扱うと、異常時に通常の速度指示だけで停止状態が解除される可能性があります。
• 「異常検出時にはコマンドをすべて無視する」とすると、停止状態を解除する指示まで受け付けられません。動作再開以外を無視する点が重要です。

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