ガバナー（遠心調速機）の紹介

ガバナー、もしくは遠心調速機と呼ばれる以下の装置は、もともとは蒸気機関の回転数を制御する目的で使用されていた機械仕掛けの制御装置で、とても原始的で動作原理が目で見て理解しやすいことから制御工学の入門書で紹介されることも多いです。

遠心調速機は回転する重りの遠心力を利用して、回転軸の回転速度を検出することができるようになっています。回転速度が速いときには重りの遠心力も強く働くことから、重りは重力に逆らって上の方へ移動します。逆に回転速度が落ちると重りに働く遠心力も落ちることから、重りの位置は重力によって下の方まで下がってきます。上下する重りの位置によって蒸気機関の出力を変えてやることで負荷の変動に関係なく、常に一定の回転速度を維持する制御装置をつくることができます。

実際の蒸気機関で実験するのは大変なので、蒸気機関の代わりに模型用モーターを使って遠心調速機の実験をしてみました。以下の動画では遠心調速機の重りが一定より下がった時（回転速度が落ちた時）にはモーターの印加電圧を上げる方向へ、逆に重りが一定より上がった時（回転速度が上がった時）にはモーターの印加電圧を下げる方向へモーター出力を調整するフィードバック制御の仕組みが構築してあります。目標となる回転速度はスライド式の可変抵抗の値で与えられるようになっています。

実験装置の概要

システムの概要は以下のようになっています。

R1～R4はオペアンプで減算回路を構成しています。（減算回路はR1＝R3、R2＝R4、の条件で使用します。）この減算回路は可変抵抗器の電圧（目標値）から、ポテンショメータの電圧（制御量）を引き算した値（偏差）に（R2／R1）の値（ゲイン）を掛け算した値を出力します。

減算回路の出力がそのままモーターへの出力電圧（操作量）となっています。一般的なオペアンプではモーターを駆動させるほどの大電流を流すことはできないので、減算回路の出力の先に大き目な電流を流せるトランジスタでエミッタフォロワ回路を構成しています。

実験動画内で使用したオペアンプはTL084CNです。抵抗値はR1＝R3＝Raが100ｋΩで、R2=R4＝Rbが470ｋΩの抵抗値を使用しました。

ガバナー（遠心調速機）の実験装置の作り方

実験で作成した遠心調速機は３Dプリンターで作成しました。３Dプリンター用のデータは以下のリンクからダウンロードできるようにしてあります。

ガバナー（遠心調速機）の３Dデータ.zip

上のリンクからダウンロードしたzipファイルを展開すると、以下のファイルが得られます。

Governor_1.stl、Governor_2.stl、Governor_3.stl、Governor_4.stl、Governor_5.stl、Governor_6.stl、Governor_7.stl、Governor_8.stl

このうちGovernor_3.stlとGovernor_4.stlは２本ずつ作成します。

この実験装置では3Dプリンターで作成する部品以外にもいくつかの部品が必要です。上下するガバナー（遠心調速機）の位置を計測する目的で使用しているのが、RDC50A003というポテンショメータです。RDC50A003は２０１８年１２月現在、秋月電子通商さんの以下のページから購入することができます。

http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-01597/

土台となるユニバーサルプレートにポテンショメータを固定する目的で使用しているのはM3の長さが３０ｍｍのスペーサーです。