JP3663794B2 - Ｐｉｄ制御回路の定常偏差測定方法及び装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＤＣモータをＰＩＤ制御する制御装置において制御系が静的状態にあるときに生じる定常偏差を測定する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０に示すように、ＤＣモータＭを動力源とするアクチュエータ５６を利用して制御対象を制御する制御装置は、一般に、ＤＣモータＭの回転状態を検出するロータリエンコーダ等のセンサ５８と、ＤＣモータＭのモータ巻線両端に正・負の電源電圧を夫々印加するための合計４個のスイッチ素子がＨブリッジ状に接続され各スイッチ素子のオン・オフ状態を制御することにより電流方向及び電流量を制御可能な駆動回路（所謂Ｈブリッジ回路）５４と、上記センサ５８からの出力信号（以下、検出信号ともいう）ＶＳと外部から入力される指令信号ＶＲとの偏差を比例・積分・微分処理して、検出信号ＶＳを指令信号ＶＲに一致させるための制御信号を発生するＰＩＤ制御回路５０と、このＰＩＤ制御回路５０からの制御信号に応じて駆動回路５４内の各スイッチ素子をＯＮ・ＯＦＦさせてＤＣモータＭの回転方向及び回転速度等を制御するＰＷＭ回路５２とから構成されている。
【０００３】
また、こうした制御装置では、指令信号ＶＲが一定となり検出信号ＶＳが安定した静的状態でも、ＰＩＤ制御回路５０を構成する回路素子のばらつき等により、指令信号ＶＲと検出信号ＶＳとに偏差（定常偏差）ＶＥが生じることがある。そして、この定常偏差ＶＥは、静的状態での制御誤差となるため、従来では、制御装置の定常偏差を測定し、その測定結果に従いＰＩＤ制御回路５０を調整することで、定常偏差ＶＥをなくすようにしていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来、定常偏差ＶＥを実際に測定する際には、ＰＩＤ制御回路５０をアクチュエータ５６を含む制御系全体を構成した測定装置内に組み込み、ＰＩＤ制御回路５０に指令信号ＶＲを入力してＤＣモータＭを駆動させ、そのとき得られる検出信号ＶＳと指令信号ＶＲとの偏差ＶＥを測定するようにしていた。つまり、従来では、ＰＩＤ制御回路５０を用いた制御系全体を構築して、ＤＣモータＭを実際に駆動することにより、定常偏差ＶＥを測定するようにしていた。
【０００５】
しかしこのような従来の測定方法では、ＰＩＤ制御回路５０に指令信号ＶＲ（一定値）を入力して制御を開始した後、制御系が静的状態となって、センサ５８からの出力が安定するまで、定常偏差ＶＥを測定することができなかった。そして、この待ち時間は、ＰＩＤ制御回路５０、及び該回路からの制御信号に応じてＤＣモータＭを駆動する駆動系（つまりＰＷＭ回路５２及び駆動回路５４）やアクチュエータ５６自体の時定数で決まり、この時定数が大きい程、定常偏差の測定に時間がかかることになる。
【０００６】
このため、従来では、定常偏差ＶＥを測定しながらＰＩＤ制御回路５０を調整する調整作業に時間がかかるといった問題があった。
また従来の測定方法では、ＰＩＤ制御回路５０を用いた制御系全体を構成しなければならないため、定常偏差測定用の装置が大きくなるといった問題もある。
【０００７】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、ＤＣモータをＰＩＤ制御する制御装置において生じる定常偏差を、ＰＩＤ制御回路単体で短時間に測定できるようにすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の定常偏差測定方法においては、ＰＩＤ制御回路をその動作を表すブロック線図で記述した際に比例・積分・微分処理を行うＰＩＤ動作部からの出力信号のＫ倍がＰＩＤ動作部の入力へ負帰還されるように、ＰＩＤ制御回路に負帰還用の回路素子を接続するか、該回路素子と同一作用を持つ制御機能（デジタル制御系の場合）を追加し、且つ、検出信号及び指令信号として同一の信号をＰＩＤ制御回路に入力する。そして、ブロック線図でＰＩＤ動作部から出力される出力信号に対応したＰＩＤ制御回路内の電圧を測定し、その測定した電圧値と負帰還の利得Ｋとの積から定常偏差を求める。
【０００９】
以下、この理由について、ＤＣモータを位置制御する制御装置を例にとり説明する。
まず、図１０に示した一般的なＤＣモータの制御装置を位置制御系としてブロック線図で記述すると、基本的には、図２に示す如く表すことができる。
【００１０】
即ち、図１０に示す制御系は、ＰＩＤ制御回路５０，ＰＷＭ回路５２及び駆動回路５４の挙動を表す制御回路部２と、アクチュエータ５６内でのＤＣモータＭの挙動を表す制御対象部４と、センサ５８の挙動を表すセンサ部６とに分けられる。
【００１１】
そして、制御回路部２では、まず、指令信号ＶＲに、制御回路部２（ここではＰＩＤ制御回路５０）を構成する回路素子のばらつき等によって生じるオフセットの誤差成分Ｖoffa（理想値：０）が加算されると共に、制御回路部２（ここではＰＩＤ制御回路５０）内での指令信号ＶＲに対する増幅利得の誤差成分Ｋ１（理想値：１）が乗算され、センサ出力信号（検出信号）ＶＳとの偏差が算出されることになる。そして、この偏差は、制御回路部２内での比例・積分・微分動作を表すＰＩＤ動作部｛Ｔｃ(s) ｝に入力されて、比例・積分・微分処理（ＰＩＤ処理）される。また、ＰＩＤ処理後の信号には、制御回路部２（ここではＰＩＤ制御回路５０を含む駆動系全体）の回路設計上から加えられるオフセットＶoffbが加算され、更に、増幅利得Ａが乗算されて、制御対象４に出力されることになる。
【００１２】
なお、ＰＩＤ動作部｛Ｔｃ(s) ｝は、図３（ａ）に示す如く、偏差に比例した信号成分を処理する比例処理部｛ＫP ｝と、偏差を積分処理する積分処理部｛１／（ｓ・ＴI ）｝と、偏差を微分処理する微分処理部｛ｓ・ＴD ｝とからなり、これら各部による比例・積分・微分処理後の信号を加算して出力する。
【００１３】
また制御対象部４では、制御回路部２からの出力によりＤＣモータＭが駆動されるため、ＤＣモータＭの挙動（回転角速度）を表すモータ部｛Ｔｍ(s) ｝と、この出力（回転角速度）を回転位置に変換する積分部｛１／ｓ｝とにより記述される。そして、モータ部｛Ｔｍ(s) ｝は、図３（ｂ）に示すようになる。
【００１４】
即ち、ＤＣモータＭのモータ巻線には駆動回路５４を介して駆動電圧が印加されるため、モータ部｛Ｔｍ(s) ｝では、まず、その駆動電圧である制御回路部４からの信号から、ＤＣモータＭの回転角速度に誘起電圧定数ＫE を乗じた逆起電圧分が減じられる。また、モータ巻線には、巻線の抵抗ＲａとインダクタンスＬに応じた電流が流れることから、上記のように逆起電圧分が減じられた信号には、モータ巻線の特性に対応した係数｛１／Ｒａ｝，｛１／（１＋ｓ・τｅ）｝が乗じられ、これがモータ電流となる。但し、τｅは抵抗ＲａとインダクタンスＬとにより決定されるモータ巻線の時定数である。
【００１５】
そして、モータ電流は、トルク定数ＫT を乗じることにより、モータトルクに変換される。またＤＣモータＭは、通電によりモータトルクが発生すると、モータ軸のイナーシャＪによる遅れを伴って回転角速度が発生するため、モータトルクは、その遅れを表す係数｛１／（ｓ・Ｊ）｝を乗じることにより回転角速度に変換される。そして、この回転角速度は、上記のように誘起電圧定数ＫE を乗じることにより逆起電圧に変換されると共に、上記積分部｛１／ｓ｝に出力されて、回転位置に変換される。
【００１６】
次に、センサ部６は、制御対象部４からの出力（つまりＤＣモータＭの回転位置）を検出するものであるため、図３（ｃ）に示すように所定の比例定数ＫS を乗じるセンサ素子部Ｔｓ(s)により表される。そして、このセンサ部６からの出力は、検出信号ＶＳとして制御回路部２にフィードバックされる。
【００１７】
このようにＤＣモータをＰＩＤ制御する制御系をその動作を表すブロック線図で記述した場合、制御回路部２に指令信号ＶＲを入力したときの検出信号ＶＳは、次式(1) の如く表すことができる。
【００１８】
【数１】
【００１９】
そして、従来は、このように制御対象を取り付けた状態で、指令信号ＶＲを一定にしてＤＣモータＭを駆動し、ＤＣモータＭが静的状態となったときの検出信号ＶＳを測定することにより、定常偏差を求めていた。
この従来の測定方法において、指令信号ＶＲをｖｒ０、検出信号ＶＳをｖｓ０、上記各オフセットの誤差成分Ｖoffa，Ｖoffbをｖoffa０，ｖoffb０とすると、検出信号ｖｓ０は、最終値の定理を用いて、次式(2) の如く記述できる。
【００２０】
【数２】
【００２１】
そして、(2) 式において、
【００２２】
【数３】
【００２３】
となるから、センサ信号ｖｓ０は、次式(5) のように表される。
ｖｓ０＝Ｋ１・ｖｒ０＋Ｋ１・Ｖoffa０ …(5)
従って、従来の測定方法において求められる定常偏差（ｖｓ０−ｖｒ０）は、次式(6) のように表される。
【００２４】
（ｖｓ０−ｖｒ０）＝（Ｋ１−１）・ｖｒ０＋Ｋ１・voffa０ …(6)
この結果、静的状態でのＤＣモータによる制御系の定常偏差は、制御系を構成するＰＩＤ制御回路内の回路素子によって生じるオフセットの誤差成分Ｖoffaと、ＰＩＤ制御回路内の回路素子によって生じる指令値に対する増幅利得の誤差成分Ｋ１とで決まり、ＤＣモータを含むアクチュエータや制御系の他のパラメータは関与しないことが判る。従って、ＤＣモータをＰＩＤ制御する制御装置では、ＰＩＤ制御回路単体で定常偏差を測定できることになる。
【００２５】
次に、本発明では、このようにＰＩＤ制御回路単体で定常偏差を測定するために、図１に示す如く、ＰＩＤ制御回路をブロック線図で記述したときの制御回路部２において、ＰＩＤ動作部｛Ｔｃ(s) ｝からの出力信号ＶｅのＫ倍をＰＩＤ動作部｛Ｔｃ(s) ｝の入力へ負帰還させ、検出信号ＶＳとして指令信号ＶＲと同一の信号を入力して、そのときＰＩＤ動作部｛Ｔｃ(s) ｝から出力される出力信号Ｖｅを測定する。
【００２６】
この測定時の出力電圧Ｖｅは、次式(7) の如く表される。
【００２７】
【数４】
【００２８】
そして、前述と同様に、指令信号ｖｒ０，オフセットｖoffa０に対して、定常状態での出力電圧ｖｅ０を、最終値の定理を用いて表すと、次式(8) となる。
【００２９】
【数５】
【００３０】
そして、この(8) 式と、制御回路部２に制御対象部４及びセンサ部６を接続したときに得られる定常偏差の測定結果を表す前述の(6) 式とを比較すれば、定常偏差は、次式(9) のように求めることができる。
定常偏差＝Ｋ・ｖｅ０ …(9)
そこで本発明では、上記(9) 式に従い、ＰＩＤ制御回路に負帰還用の回路素子を実際に取り付けて測定したＰＩＤ動作部｛Ｔｃ(s) ｝からの出力信号Ｖｅに対応する電圧値と負帰還の利得Ｋとの積から定常偏差を得るようにしているのである。
【００３１】
従って、本発明によれば、従来のようにＰＩＤ制御回路にセンサやアクチュエータを実際に取り付けて制御系を構成することなく、ＰＩＤ制御回路単体で定常偏差を測定することができ、しかも、この測定のためには、ＰＩＤ制御回路に負帰還用の回路素子を接続（デジタル制御系の場合には負帰還用の機能を追加）して、ＰＩＤ制御回路内の電圧を測定するだけでよいため、定常偏差測定用の装置構成を極めて簡単にすることができる。
【００３２】
また、ＤＣモータを含むアクチュエータの時定数やＰＩＤ制御回路からＤＣモータに至る駆動系の時定数に影響されることなく定常偏差を測定することができるので、定常偏差を短時間で測定できる。そして、このように定常偏差を短時間で測定できるので、定常偏差をなくすために定常偏差を測定しながらＰＩＤ制御回路の回路定数を調整する際の調整作業も効率よく行うことができるようになる。
【００３３】
ここで、ＤＣモータをＰＩＤ制御する制御装置において使用されるＰＩＤ制御回路としては、指令信号と検出信号とを受ける入力側に、これら各信号の偏差を比例・微分する信号処理回路を備え、制御信号を出力する出力側に、信号処理回路からの出力信号を反転入力端子に受けてこの信号を比例・積分するオペアンプからなる積分回路を備えたものが知られているが、このようなＰＩＤ制御回路において、定常偏差を測定する際には、請求項２に記載のように、負帰還用の回路素子として、積分回路を構成するオペアンプの出力端子と反転入力端子との間に抵抗器Ｒ０を接続し、ＰＩＤ動作部からの出力信号に対応した電圧として、その抵抗器Ｒ０の両端電圧ＶＸを測定し、負帰還の利得Ｋとして、信号処理回路の直流利得を決定する抵抗値ＲＸと抵抗器Ｒ０の抵抗値との比ＲＸ／Ｒ０を用いて、この比ＲＸ／Ｒ０と測定した電圧値ＶＸとの積ＶＸ・ＲＸ／Ｒ０から、定常偏差を求めるようにすればよい。
【００３４】
つまり、後述する実施例において明らかにするが、上記のような信号処理回路と積分回路とから構成されたＰＩＤ制御回路をブロック線図で記述すると、その基本構成は、図２に示した制御回路部２と同様になる。そして、積分回路の反転入力端子と出力端子との間に抵抗器Ｒ０を接続すれば、ブロック線図におけるＰＩＤ動作部の出力を入力側に負帰還する回路が形成され、静的状態での負帰還の利得Ｋは、信号処理回路側で直流成分（換言すれば偏差の比例成分）を通過させる直流利得を決定する抵抗値ＲＸと抵抗器Ｒ０の抵抗値との比ＲＸ／Ｒ０に対応し、しかも、ＰＩＤ動作部の出力は抵抗器Ｒ０の両端電圧に対応することになる。
【００３５】
従って、信号処理回路と積分回路とから構成されたＰＩＤ制御回路の定常偏差を測定する際には、請求項２に記載の方法を利用することにより、定常偏差を極めて簡単に、しかも短時間で測定することが可能になる。
次に、請求項３に記載の発明は、上記請求項１に記載の定常偏差測定方法を実現する装置であって、ＰＩＤ制御回路をその動作を表すブロック線図で記述した際に前記比例・積分・微分処理を行うＰＩＤ動作部からの出力信号のＫ倍が該ＰＩＤ動作部の入力へ負帰還されるように、ＰＩＤ制御回路に追加される負帰還用の機能又は回路素子と、検出信号及び指令信号として同一の信号をＰＩＤ制御回路に入力する信号入力手段と、ＰＩＤ制御回路をブロック線図で記述したときにＰＩＤ動作部から出力される出力信号に対応したＰＩＤ制御回路内の電圧を測定する電圧測定手段と、その電圧測定手段にて測定された電圧値と前記負帰還の利得Ｋとの積を演算して、その演算結果を定常偏差として出力する定常偏差演算手段とから構成される。
【００３６】
従って、請求項３に記載の定常偏差測定装置によれば、請求項１に記載の測定方法を利用してＰＩＤ制御回路単体で定常偏差を測定することができ、例えば、定常偏差演算手段からの出力信号を所定の表示装置に入力して定常偏差を表示するようにすれば、定常偏差が零になるようにＰＩＤ制御回路を調整する作業を、その表示内容を確認しながら行うことが可能になる。また、本発明の定常偏差測定装置によれば、ＰＩＤ制御回路に負帰還用の回路素子を接続（デジタル制御系の場合には負帰還用の機能を追加）するだけで定常偏差を測定でき、従来のようにＰＩＤ制御回路をＤＣモータを実際に制御する装置内に組み込む必要がないので、定常偏差測定装置の構成を簡単にし、且つ小型化することができる。
【００３７】
また次に、請求項４に記載の発明は、検出信号と指令信号との偏差を比例・微分する信号処理回路と、信号処理回路からの出力信号を反転入力端子に受けてこの信号を比例・積分するオペアンプからなる積分回路と、を備えたＰＩＤ制御回路の定常偏差を測定するための装置であり、請求項３に記載の装置において、負帰還用の回路素子を、ＰＩＤ制御回路内の積分回路を構成するオペアンプの出力端子と反転入力端子との間に接続される抵抗器Ｒ０により構成し、電圧測定手段によりその抵抗器Ｒ０の両端電圧ＶＸを測定し、定常偏差演算手段により、信号処理回路の直流利得を決定する抵抗値ＲＸと抵抗器Ｒ０の抵抗値との比ＲＸ／Ｒ０と、測定した電圧値ＶＸとの積ＶＸ・ＲＸ／Ｒ０を、定常偏差として演算することを特徴とする。
【００３８】
この結果、請求項４に記載の定常偏差測定装置によれば、請求項２に記載の測定方法を実現して、信号処理回路と積分回路とからなるＰＩＤ制御回路の定常偏差を測定することができるようになり、請求項３に記載の装置と同様の効果を得ることができる。
【００３９】
なお、定常偏差を測定するに当たって、ＰＩＤ制御回路に同一の検出信号ＶＳ及び指令信号ＶＲを入力する際には、これら各信号を個々に入力するようにしてもよいが、ＰＩＤ制御回路におけるこれら各検出信号の入力端子を短絡し、その短絡部分に定常偏差測定用の信号を入力するようにしてもよい。そして、このようにすれば、各入力端子に対して同一の信号を簡単且つ確実に入力することが可能になる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施例を図面と共に説明する。
図４は、図１０に示したＤＣモータの制御装置においてＤＣモータを位置制御するために使用されるＰＩＤ制御回路１０の一例を表す電気回路図である。
【００４１】
図４に示す如く、本実施例のＰＩＤ制御回路１０は、大きく分けて、センサからの検出信号ＶＳ及び指令信号ＶＲを受けてこれら各信号の偏差を比例・微分するための信号処理回路１８と、この信号処理回路１８からの出力を比例・積分するための積分回路１９とから構成されている。
【００４２】
そして、積分回路１９は、信号処理回路１８からの出力が反転入力端子に入力されると共に、この反転入力端子と出力端子とが比例・積分用のコンデンサＣ13及びコンデンサＣ12と抵抗器Ｒ12との直列回路により夫々接続され、更に、非反転入力端子に基準電圧Ｖref2が印加されたオペアンプＯＰ３により構成されている。
【００４３】
また信号処理回路１８は、検出信号ＶＳを入力するためのバッファを構成するオペアンプＯＰ２と、このオペアンプＯＰ２を介して入力された検出信号ＶＳを比例・微分するためにオペアンプＯＰ２の出力端子に夫々一端が接続された抵抗器Ｒ４及びコンデンサＣ11と抵抗器Ｒ11との直列回路からなる比例・微分回路１８ａと、抵抗器Ｒ１を介して反転入力端子に指令信号ＶＲを受けると共に、反転入力端子と出力端子とが抵抗器Ｒ２を介して接続され、更に非反転入力端子に基準電圧Ｖref1が印加されたオペアンプＯＰ１からなる反転増幅回路１８ｂと、この反転増幅回路１８ｂによる反転増幅後の指令信号と比例・微分回路１８ａによる比例・微分後の検出信号とがオペアンプＯＰ３に加算して入力されるように、一端がオペアンプＯＰ１の出力に接続され、他端が比例・微分回路１８ａを構成する抵抗器Ｒ４及びコンデンサＣ１１と抵抗器Ｒ１１との直列回路の他端と共にオペアンプＯＰ３の反転入力端子に接続された抵抗器Ｒ３とから構成されている。
【００４４】
なお、このように構成されたＰＩＤ制御回路１０は、指令信号ＶＲが一定で、ＶＲ＝ＶＳのときに、積分回路１９を構成するオペアンプＯＰ３の反転入力端子に入力される加算信号が零となるように、通常は、反転増幅回路１８ｂ及び積分回路１９を構成する各オペアンプＯＰ１，ＯＰ３の非反転入力端子に印加される基準電圧Ｖref1，Ｖref2には、同一電圧（Ｖref1＝Ｖref2）が設定され、しかも、上記各抵抗器Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値には、次式(10)を満足する抵抗値が設定される。
【００４５】
（Ｒ２／Ｒ１）・（Ｒ４／Ｒ３）＝１ …(10)
そして、ＰＩＤ制御回路１０は、検出信号ＶＳと指令信号ＶＲとを一致させるために、その偏差を比例・微分・積分処理した信号を生成し、これをＤＣモータのＰＩＤ制御用の制御信号として出力するが、その動作特性は、ＰＩＤ制御回路１０を構成する上記各回路素子により決定され、各回路素子の特性にばらつきがあると、ＰＩＤ制御回路１０を図１０に示した制御装置に組み込んでＤＣモータを実際に制御した際に定常偏差が生じてしまうことになる。このため、こうしたＰＩＤ制御回路１０では、定常偏差を発生させることのないように、例えば回路素子のトリミング等によって、その動作特性を微調整する必要があり、この調整作業の際には、定常偏差を測定する必要がある。
【００４６】
そして、本実施例では、こうした調整作業等に必要な定常偏差の測定をＰＩＤ制御回路１０単体で行うために、積分回路１９を構成するオペアンプＯＰ３の反転入力端子と出力端子との間に接続される偏差測定用の抵抗器Ｒ０と、この抵抗器Ｒ０の両端電圧を測定する電圧計１３と、ＰＩＤ制御回路１０における検出信号ＶＳの入力端子と指令信号ＶＲの入力端子とを短絡させて、各端子に同一の指令信号ＶＲ（一定値）を入力する指令信号発生回路１５と、電圧計１３にて測定された抵抗器Ｒ０の両端電圧Ｖ(13)及び抵抗器Ｒ４と抵抗器Ｒ０との比Ｒ４／Ｒ０を用いて、次式(11)に従い定常偏差を求める演算回路１７とからなる測定装置が使用される。
【００４７】
定常偏差＝（Ｒ４／Ｒ０）・Ｖ(13) …(11)
以下、このような測定装置を用いて定常偏差を測定できる理由について説明する。
まず、図４に示すＰＩＤ制御回路１０の挙動をブロック線図で記述するために、ＰＩＤ制御回路１０の動作に影響を与えるパラメータを、τ１，τ２，Ｔｉ，Ｔｄ，Ｋ１，Ｋとして、下記のように定義する。
【００４８】
【数６】
【００４９】
そして、制御対象となるアクチュエータ側での時定数により決定される制御系全体の動作周波数帯ｆに対し、信号処理回路１８側での微分特性及び時定数を表すＴｄ，τ１、及び、積分回路１９側での積分特性及び時定数を表すＴｉ，τ２、を夫々決定する回路素子が、
【００５０】
【数７】
【００５１】
の条件を満足することを前提として、ＰＩＤ制御回路１０の挙動を近似すると、ＰＩＤ制御回路１０は、図５に示すブロック線図で記述できる。
なお、図５において、Ｖoff1，Ｖoff2，Ｖoff3は、夫々、ＰＩＤ制御回路１０を構成する各オペアンプＯＰ１，ＯＰ２，ＯＰ３の入力オフセット電圧を表し、ｉＢＭ1 ，ｉＢＭ2 は、夫々、オペアンプＯＰ１，ＯＰ３の反転入力端子における入力バイアス電流を表す（図４参照）。
【００５２】
このように図５に示したＰＩＤ制御回路１０のブロック線図の基本構成は、図２に示したＤＣモータの位置制御系のブロック線図と同じであり、異なる点は、検出信号ＶＳと指令信号ＶＲとの偏差をとる減算部の前に低域通過フィルタ「１／｛ｓ・（Ｔｄ−τ１）＋１｝」のブロックが入るだけである。そして、この低域通過フィルタのブロックは、静的状態での定常偏差には影響しないので、図２に示したブロック線図で記述される基本的なＰＩＤ制御回路と同様に、ＰＩＤ動作部｛Ｔｃ(s) ｝の出力を入力側に負帰還させて、ＰＩＤ動作部｛Ｔｃ(s) ｝からの出力Ｖｅを測定するようにすれば、定常偏差を求めることができる。
【００５３】
一方、オペアンプＯＰ３の反転入力端子と出力端子との間に定常偏差測定用の抵抗器Ｒ０を接続し、検出信号ＶＳと指令信号ＶＲとに同一の信号を入力するようにした場合のブロック線図は、図６に示す如くなり、定常時には、ＰＩＤ動作部｛Ｔｃ(s) ｝の出力がＫ倍されてその入力側に負帰還されることになる。なお、このときの負帰還の利得Ｋは、信号処理回路１８での比例利得を決定する抵抗器Ｒ４と抵抗器Ｒ０との抵抗比Ｒ４／Ｒ０である。また、図６に示すブロック線図におけるＰＩＤ動作部｛Ｔｃ(s) ｝からの出力Ｖｅは、電圧計１３にて測定される抵抗器Ｒ０の両端電圧Ｖ(13)に等しい。つまり、図６のブロック図において、「ＰＩＤ出力（制御信号）」が図４の「ＯＰ３出力電圧」なので、図６より、
となる。
【００５４】
従って、本実施例のように、ＰＩＤ制御回路１０の積分回路１９を構成するオペアンプＯＰ３の反転入力端子と出力端子との間に抵抗器Ｒ０を接続して、ＰＩＤ制御回路１０に検出信号ＶＳ及び指令信号ＶＲとして同一の信号を入力し、抵抗器Ｒ０の両端電圧Ｖ(13)を測定するようにすれば、前述の(11)式を用いて、ＰＩＤ制御回路１０を含むＤＣモータ制御装置全体で生じる定常偏差を求めることができるようになる。
【００５５】
そして、このように定常偏差を測定する本実施例の測定装置によれば、ＰＩＤ制御回路１０の積分回路１９に抵抗器Ｒ０を接続して、検出信号ＶＳ及び指令信号ＶＲとして同一の信号を入力するだけでよく、従来のようにＰＩＤ制御回路１０を含む制御系全体を構成する必要がないため、その構成を極めて簡単にすることができる。また、ＰＩＤ制御回路１０からＤＣモータに至る駆動系やＤＣモータを含むアクチュエータの時定数に影響されることなく定常偏差を測定できるので、定常偏差の測定時間を短くできる。
【００５６】
なお、本実施例では、定常偏差の測定時には、積分回路１９に接続した定常偏差測定用の抵抗器Ｒ０の両端電圧を、電圧計１３を用いて直接測定するものとして説明したが、例えば、指令信号ＶＲ０（一定）を入力して、ＰＩＤ制御回路１０からの出力信号（電圧）を、抵抗器Ｒ０の抵抗値をＲ０（Ａ），Ｒ０（Ｂ）というように変えて２回測定し、その測定した電圧値Ｖ（Ａ），Ｖ（Ｂ）と各抵抗値とを用いて次式(12)
によりＶref2＋Ｖoff3を求めた後、ＰＩＤ制御回路１０からの出力信号から、所定の抵抗器Ｒ０を接続したときの抵抗器Ｒ０の両端電圧Ｖ(13)を間接的に求めるようにしてもよい。なお、(12)式は、下記の関係式から設定したものである。
【００５７】
以上本発明の一実施例について説明したが、本発明は、上記実施例のＰＩＤ制御回路１０のみに適用可能なものではなく、ＤＣモータ制御のためのＰＩＤ制御回路であれば、図１〜図３を用いて説明した理由により、定常偏差を測定することができる。
【００５８】
例えば、図７は、制御信号の出力側には前記実施例と全く同様に構成された積分回路１９を備え、検出信号ＶＳと指令信号ＶＲとの入力側には、前記信号処理回路１８とは異なる信号処理回路２８を備えたＰＩＤ制御回路２０を表す。そして、このＰＩＤ制御回路２０において、信号処理回路２８は、検出信号ＶＳと指令信号ＶＲとの偏差（ＶＳ−ＶＲ）を増幅するオペアンプＯＰ11からなる差動増幅回路２８ａと、この差動増幅回路２８ａからの出力を比例・微分する比例・微分回路２８ｂとから構成されている。
【００５９】
また、差動増幅回路２８ａは、オペアンプＯＰ11と、オペアンプＯＰ11の反転入力端子に指令信号ＶＲを入力する抵抗器Ｒ33と、オペアンプＯＰ11の反転入力端子と出力端子とを接続する抵抗器Ｒ34と、オペアンプＯＰ11の非反転入力端子にセンサからの検出信号ＶＳを入力する抵抗器Ｒ31と、オペアンプＯＰ11の非反転入力端子に基準電圧Ｖref11 を印加する抵抗器Ｒ32とから構成され、比例・微分回路２８ｂは、オペアンプＯＰ11の出力端子と積分回路１９を構成するオペアンプＯＰ３の反転入力端子との間に接続された抵抗器Ｒ15，及びコンデンサＣ21と抵抗器Ｒ21との直列回路からなる。
【００６０】
そして、このように構成されたＰＩＤ制御回路２０においても、ＰＩＤ制御回路１０の動作に影響を与えるパラメータを、τ１，τ２，Ｔｉ，Ｔｄ，Ｋ１，Ｋとして、下記のように定義し、
【００６１】
【数８】
【００６２】
制御対象となるアクチュエータ側での時定数により決定される制御系全体の動作周波数帯ｆに対し、Ｔｄ，τ１、及び、Ｔｉ，τ２が、夫々、前記実施例と同様の条件を満足することを前提として、ＰＩＤ制御回路２０の挙動を近似すれば、その動作を表すブロック線図は、図８に示すように、図２に示した基本的なＰＩＤ制御回路のブロック線図と同様の構成となる。
【００６３】
従って、このＰＩＤ制御回路２０においても、図７に示すように、積分回路１９を構成するオペアンプＯＰ３の反転入力端子と出力端子との間に定常偏差測定用の抵抗器Ｒ０を接続し、検出信号ＶＳと指令信号ＶＲとの入力端子を短絡して、これら各入力端子に同一の信号を入力し、抵抗器Ｒ０の両端電圧を電圧計１３等にて測定するようにすれば、上記実施例と同様、その測定した電圧値Ｖ(13)から定常偏差を求めることができるようになる。
【００６４】
つまり、オペアンプＯＰ３の反転入力端子と出力端子との間に定常偏差測定用の抵抗器Ｒ０を接続し、検出信号ＶＳと指令信号ＶＲとに同一の信号を入力するようにした場合のブロック線図は、図９に示す如くなり、定常時には、ＰＩＤ動作部｛Ｔｃ(s) ｝の出力がＫ倍されてその入力側に負帰還されることになるため、前記実施例と同様、抵抗器Ｒ０の両端電圧Ｖ(13)と負帰還の利得Ｋとの積Ｖ(13)・Ｋを求めることにより、定常偏差を得ることができる。
【００６５】
なお、このときの負帰還の利得Ｋは、信号処理回路２８にて直流利得を決定する抵抗値と、抵抗器Ｒ０の抵抗値との比であり、前述のように「（Ｒ15／Ｒ０）・（Ｒ33／Ｒ34）・Ｋ１」となるが、ＰＩＤ制御回路２０が、差動増幅回路２８ａを構成する各抵抗器Ｒ31〜Ｒ34の抵抗値が全て同じ（Ｒ31＝Ｒ32＝Ｒ33＝Ｒ34）になるように設計されていれば、負帰還の利得Ｋは、抵抗器Ｒ15と抵抗器Ｒ０との抵抗比（Ｒ15／Ｒ０）となる。また、図８，図９において、Ｖoff11は、夫々、オペアンプＯＰ11の入力オフセット電圧を表し、ｉＢＭｍ，ｉＢＭｐは、夫々、オペアンプＯＰ１の反転入力端子及び非反転入力端子の入力バイアス電流を表す（図７参照）。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による定常偏差測定時のＰＩＤ制御回路の動作を表すブロック線図である。
【図２】 一般的なＤＣモータの位置制御系の動作を表すブロック線図である。
【図３】 図２におけるＰＩＤ動作部｛Ｔｃ(s) ｝，モータ部｛Ｔｍ(s) ｝及びセンサ素子部｛Ｔｓ(s) ｝の詳細を表す説明図である。
【図４】 実施例のＰＩＤ制御回路１０の構成を表す電気回路図である。
【図５】 図４に示したＰＩＤ制御回路１０の動作を表すブロック線図である。
【図６】 図４に示したＰＩＤ制御回路１０の定常偏差測定時の動作を表すブロック線図である。
【図７】 実施例のＰＩＤ制御回路２０の構成を表す電気回路図である。
【図８】 図７に示したＰＩＤ制御回路２０の動作を表すブロック線図である。
【図９】 図７に示したＰＩＤ制御回路２０の定常偏差測定時の動作を表すブロック線図である。
【図１０】 ＤＣモータをＰＩＤ制御する制御装置全体の構成を表すブロック図である。
【符号の説明】
２…制御回路部 ４…制御対象部 ６…センサ部
１０，２０…ＰＩＤ制御回路 １８，２８…信号処理回路
１９…積分回路 Ｒ０…抵抗器（定常偏差測定用） １３…電圧計
１５…指令信号発生回路 １７…演算回路 ＶＳ…検出信号
ＶＲ…指令信号
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＤＣモータをＰＩＤ制御する制御装置において制御系が静的状態にあるときに生じる定常偏差を測定する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０に示すように、ＤＣモータＭを動力源とするアクチュエータ５６を利用して制御対象を制御する制御装置は、一般に、ＤＣモータＭの回転状態を検出するロータリエンコーダ等のセンサ５８と、ＤＣモータＭのモータ巻線両端に正・負の電源電圧を夫々印加するための合計４個のスイッチ素子がＨブリッジ状に接続され各スイッチ素子のオン・オフ状態を制御することにより電流方向及び電流量を制御可能な駆動回路（所謂Ｈブリッジ回路）５４と、上記センサ５８からの出力信号（以下、検出信号ともいう）ＶＳと外部から入力される指令信号ＶＲとの偏差を比例・積分・微分処理して、検出信号ＶＳを指令信号ＶＲに一致させるための制御信号を発生するＰＩＤ制御回路５０と、このＰＩＤ制御回路５０からの制御信号に応じて駆動回路５４内の各スイッチ素子をＯＮ・ＯＦＦさせてＤＣモータＭの回転方向及び回転速度等を制御するＰＷＭ回路５２とから構成されている。
【０００３】
また、こうした制御装置では、指令信号ＶＲが一定となり検出信号ＶＳが安定した静的状態でも、ＰＩＤ制御回路５０を構成する回路素子のばらつき等により、指令信号ＶＲと検出信号ＶＳとに偏差（定常偏差）ＶＥが生じることがある。そして、この定常偏差ＶＥは、静的状態での制御誤差となるため、従来では、制御装置の定常偏差を測定し、その測定結果に従いＰＩＤ制御回路５０を調整することで、定常偏差ＶＥをなくすようにしていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来、定常偏差ＶＥを実際に測定する際には、ＰＩＤ制御回路５０をアクチュエータ５６を含む制御系全体を構成した測定装置内に組み込み、ＰＩＤ制御回路５０に指令信号ＶＲを入力してＤＣモータＭを駆動させ、そのとき得られる検出信号ＶＳと指令信号ＶＲとの偏差ＶＥを測定するようにしていた。つまり、従来では、ＰＩＤ制御回路５０を用いた制御系全体を構築して、ＤＣモータＭを実際に駆動することにより、定常偏差ＶＥを測定するようにしていた。
【０００５】
しかしこのような従来の測定方法では、ＰＩＤ制御回路５０に指令信号ＶＲ（一定値）を入力して制御を開始した後、制御系が静的状態となって、センサ５８からの出力が安定するまで、定常偏差ＶＥを測定することができなかった。そして、この待ち時間は、ＰＩＤ制御回路５０、及び該回路からの制御信号に応じてＤＣモータＭを駆動する駆動系（つまりＰＷＭ回路５２及び駆動回路５４）やアクチュエータ５６自体の時定数で決まり、この時定数が大きい程、定常偏差の測定に時間がかかることになる。
【０００６】
このため、従来では、定常偏差ＶＥを測定しながらＰＩＤ制御回路５０を調整する調整作業に時間がかかるといった問題があった。
また従来の測定方法では、ＰＩＤ制御回路５０を用いた制御系全体を構成しなければならないため、定常偏差測定用の装置が大きくなるといった問題もある。
【０００７】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、ＤＣモータをＰＩＤ制御する制御装置において生じる定常偏差を、ＰＩＤ制御回路単体で短時間に測定できるようにすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の定常偏差測定方法においては、ＰＩＤ制御回路をその動作を表すブロック線図で記述した際に比例・積分・微分処理を行うＰＩＤ動作部からの出力信号のＫ倍がＰＩＤ動作部の入力へ負帰還されるように、ＰＩＤ制御回路に負帰還用の回路素子を接続するか、該回路素子と同一作用を持つ制御機能（デジタル制御系の場合）を追加し、且つ、検出信号及び指令信号として同一の信号をＰＩＤ制御回路に入力する。そして、ブロック線図でＰＩＤ動作部から出力される出力信号に対応したＰＩＤ制御回路内の電圧を測定し、その測定した電圧値と負帰還の利得Ｋとの積から定常偏差を求める。
【０００９】
以下、この理由について、ＤＣモータを位置制御する制御装置を例にとり説明する。
まず、図１０に示した一般的なＤＣモータの制御装置を位置制御系としてブロック線図で記述すると、基本的には、図２に示す如く表すことができる。
【００１０】
即ち、図１０に示す制御系は、ＰＩＤ制御回路５０，ＰＷＭ回路５２及び駆動回路５４の挙動を表す制御回路部２と、アクチュエータ５６内でのＤＣモータＭの挙動を表す制御対象部４と、センサ５８の挙動を表すセンサ部６とに分けられる。
【００１１】
そして、制御回路部２では、まず、指令信号ＶＲに、制御回路部２（ここではＰＩＤ制御回路５０）を構成する回路素子のばらつき等によって生じるオフセットの誤差成分Ｖoffa（理想値：０）が加算されると共に、制御回路部２（ここではＰＩＤ制御回路５０）内での指令信号ＶＲに対する増幅利得の誤差成分Ｋ１（理想値：１）が乗算され、センサ出力信号（検出信号）ＶＳとの偏差が算出されることになる。そして、この偏差は、制御回路部２内での比例・積分・微分動作を表すＰＩＤ動作部｛Ｔｃ(s) ｝に入力されて、比例・積分・微分処理（ＰＩＤ処理）される。また、ＰＩＤ処理後の信号には、制御回路部２（ここではＰＩＤ制御回路５０を含む駆動系全体）の回路設計上から加えられるオフセットＶoffbが加算され、更に、増幅利得Ａが乗算されて、制御対象４に出力されることになる。
【００１２】
なお、ＰＩＤ動作部｛Ｔｃ(s) ｝は、図３（ａ）に示す如く、偏差に比例した信号成分を処理する比例処理部｛ＫP ｝と、偏差を積分処理する積分処理部｛１／（ｓ・ＴI ）｝と、偏差を微分処理する微分処理部｛ｓ・ＴD ｝とからなり、これら各部による比例・積分・微分処理後の信号を加算して出力する。
【００１３】
また制御対象部４では、制御回路部２からの出力によりＤＣモータＭが駆動されるため、ＤＣモータＭの挙動（回転角速度）を表すモータ部｛Ｔｍ(s) ｝と、この出力（回転角速度）を回転位置に変換する積分部｛１／ｓ｝とにより記述される。そして、モータ部｛Ｔｍ(s) ｝は、図３（ｂ）に示すようになる。
【００１４】
即ち、ＤＣモータＭのモータ巻線には駆動回路５４を介して駆動電圧が印加されるため、モータ部｛Ｔｍ(s) ｝では、まず、その駆動電圧である制御回路部４からの信号から、ＤＣモータＭの回転角速度に誘起電圧定数ＫE を乗じた逆起電圧分が減じられる。また、モータ巻線には、巻線の抵抗ＲａとインダクタンスＬに応じた電流が流れることから、上記のように逆起電圧分が減じられた信号には、モータ巻線の特性に対応した係数｛１／Ｒａ｝，｛１／（１＋ｓ・τｅ）｝が乗じられ、これがモータ電流となる。但し、τｅは抵抗ＲａとインダクタンスＬとにより決定されるモータ巻線の時定数である。
【００１５】
そして、モータ電流は、トルク定数ＫT を乗じることにより、モータトルクに変換される。またＤＣモータＭは、通電によりモータトルクが発生すると、モータ軸のイナーシャＪによる遅れを伴って回転角速度が発生するため、モータトルクは、その遅れを表す係数｛１／（ｓ・Ｊ）｝を乗じることにより回転角速度に変換される。そして、この回転角速度は、上記のように誘起電圧定数ＫE を乗じることにより逆起電圧に変換されると共に、上記積分部｛１／ｓ｝に出力されて、回転位置に変換される。
【００１６】
次に、センサ部６は、制御対象部４からの出力（つまりＤＣモータＭの回転位置）を検出するものであるため、図３（ｃ）に示すように所定の比例定数ＫS を乗じるセンサ素子部Ｔｓ(s)により表される。そして、このセンサ部６からの出力は、検出信号ＶＳとして制御回路部２にフィードバックされる。
【００１７】
このようにＤＣモータをＰＩＤ制御する制御系をその動作を表すブロック線図で記述した場合、制御回路部２に指令信号ＶＲを入力したときの検出信号ＶＳは、次式(1) の如く表すことができる。
【００１８】
【数１】
そして、従来は、このように制御対象を取り付けた状態で、指令信号ＶＲを一定にしてＤＣモータＭを駆動し、ＤＣモータＭが静的状態となったときの検出信号ＶＳを測定することにより、定常偏差を求めていた。
この従来の測定方法において、指令信号ＶＲをｖｒ０、検出信号ＶＳをｖｓ０、上記各オフセットの誤差成分Ｖoffa，Ｖoffbをｖoffa０，ｖoffb０とすると、検出信号ｖｓ０は、最終値の定理を用いて、次式(2) の如く記述できる。
【００２０】
【数２】
そして、(2) 式において、
【００２２】
【数３】
となるから、センサ信号ｖｓ０は、次式(5) のように表される。
ｖｓ０＝Ｋ１・ｖｒ０＋Ｋ１・Ｖoffa０ …(5)
従って、従来の測定方法において求められる定常偏差（ｖｓ０−ｖｒ０）は、次式(6) のように表される。
【００２４】
（ｖｓ０−ｖｒ０）＝（Ｋ１−１）・ｖｒ０＋Ｋ１・voffa０ …(6)
この結果、静的状態でのＤＣモータによる制御系の定常偏差は、制御系を構成するＰＩＤ制御回路内の回路素子によって生じるオフセットの誤差成分Ｖoffaと、ＰＩＤ制御回路内の回路素子によって生じる指令値に対する増幅利得の誤差成分Ｋ１とで決まり、ＤＣモータを含むアクチュエータや制御系の他のパラメータは関与しないことが判る。従って、ＤＣモータをＰＩＤ制御する制御装置では、ＰＩＤ制御回路単体で定常偏差を測定できることになる。
【００２５】
次に、本発明では、このようにＰＩＤ制御回路単体で定常偏差を測定するために、図１に示す如く、ＰＩＤ制御回路をブロック線図で記述したときの制御回路部２において、ＰＩＤ動作部｛Ｔｃ(s) ｝からの出力信号ＶｅのＫ倍をＰＩＤ動作部｛Ｔｃ(s) ｝の入力へ負帰還させ、検出信号ＶＳとして指令信号ＶＲと同一の信号を入力して、そのときＰＩＤ動作部｛Ｔｃ(s) ｝から出力される出力信号Ｖｅを測定する。
【００２６】
この測定時の出力電圧Ｖｅは、次式(7) の如く表される。
【００２７】
【数４】
そして、前述と同様に、指令信号ｖｒ０，オフセットｖoffa０に対して、定常状態での出力電圧ｖｅ０を、最終値の定理を用いて表すと、次式(8) となる。
【００２９】
【数５】
そして、この(8) 式と、制御回路部２に制御対象部４及びセンサ部６を接続したときに得られる定常偏差の測定結果を表す前述の(6) 式とを比較すれば、定常偏差は、次式(9) のように求めることができる。
定常偏差＝Ｋ・ｖｅ０ …(9)
そこで本発明では、上記(9) 式に従い、ＰＩＤ制御回路に負帰還用の回路素子を実際に取り付けて測定したＰＩＤ動作部｛Ｔｃ(s) ｝からの出力信号Ｖｅに対応する電圧値と負帰還の利得Ｋとの積から定常偏差を得るようにしているのである。
【００３１】
従って、本発明によれば、従来のようにＰＩＤ制御回路にセンサやアクチュエータを実際に取り付けて制御系を構成することなく、ＰＩＤ制御回路単体で定常偏差を測定することができ、しかも、この測定のためには、ＰＩＤ制御回路に負帰還用の回路素子を接続（デジタル制御系の場合には負帰還用の機能を追加）して、ＰＩＤ制御回路内の電圧を測定するだけでよいため、定常偏差測定用の装置構成を極めて簡単にすることができる。
【００３２】
また、ＤＣモータを含むアクチュエータの時定数やＰＩＤ制御回路からＤＣモータに至る駆動系の時定数に影響されることなく定常偏差を測定することができるので、定常偏差を短時間で測定できる。そして、このように定常偏差を短時間で測定できるので、定常偏差をなくすために定常偏差を測定しながらＰＩＤ制御回路の回路定数を調整する際の調整作業も効率よく行うことができるようになる。
【００３３】
ここで、ＤＣモータをＰＩＤ制御する制御装置において使用されるＰＩＤ制御回路としては、指令信号と検出信号とを受ける入力側に、これら各信号の偏差を比例・微分する信号処理回路を備え、制御信号を出力する出力側に、信号処理回路からの出力信号を反転入力端子に受けてこの信号を比例・積分するオペアンプからなる積分回路を備えたものが知られているが、このようなＰＩＤ制御回路において、定常偏差を測定する際には、請求項２に記載のように、負帰還用の回路素子として、積分回路を構成するオペアンプの出力端子と反転入力端子との間に抵抗器Ｒ０を接続し、ＰＩＤ動作部からの出力信号に対応した電圧として、その抵抗器Ｒ０の両端電圧ＶＸを測定し、負帰還の利得Ｋとして、信号処理回路の直流利得を決定する抵抗値ＲＸと抵抗器Ｒ０の抵抗値との比ＲＸ／Ｒ０を用いて、この比ＲＸ／Ｒ０と測定した電圧値ＶＸとの積ＶＸ・ＲＸ／Ｒ０から、定常偏差を求めるようにすればよい。
【００３４】
つまり、後述する実施例において明らかにするが、上記のような信号処理回路と積分回路とから構成されたＰＩＤ制御回路をブロック線図で記述すると、その基本構成は、図２に示した制御回路部２と同様になる。そして、積分回路の反転入力端子と出力端子との間に抵抗器Ｒ０を接続すれば、ブロック線図におけるＰＩＤ動作部の出力を入力側に負帰還する回路が形成され、静的状態での負帰還の利得Ｋは、信号処理回路側で直流成分（換言すれば偏差の比例成分）を通過させる直流利得を決定する抵抗値ＲＸと抵抗器Ｒ０の抵抗値との比ＲＸ／Ｒ０に対応し、しかも、ＰＩＤ動作部の出力は抵抗器Ｒ０の両端電圧に対応することになる。
【００３５】
従って、信号処理回路と積分回路とから構成されたＰＩＤ制御回路の定常偏差を測定する際には、請求項２に記載の方法を利用することにより、定常偏差を極めて簡単に、しかも短時間で測定することが可能になる。
次に、請求項３に記載の発明は、上記請求項１に記載の定常偏差測定方法を実現する装置であって、ＰＩＤ制御回路をその動作を表すブロック線図で記述した際に前記比例・積分・微分処理を行うＰＩＤ動作部からの出力信号のＫ倍が該ＰＩＤ動作部の入力へ負帰還されるように、ＰＩＤ制御回路に追加される負帰還用の機能又は回路素子と、検出信号及び指令信号として同一の信号をＰＩＤ制御回路に入力する信号入力手段と、ＰＩＤ制御回路をブロック線図で記述したときにＰＩＤ動作部から出力される出力信号に対応したＰＩＤ制御回路内の電圧を測定する電圧測定手段と、その電圧測定手段にて測定された電圧値と前記負帰還の利得Ｋとの積を演算して、その演算結果を定常偏差として出力する定常偏差演算手段とから構成される。
【００３６】
従って、請求項３に記載の定常偏差測定装置によれば、請求項１に記載の測定方法を利用してＰＩＤ制御回路単体で定常偏差を測定することができ、例えば、定常偏差演算手段からの出力信号を所定の表示装置に入力して定常偏差を表示するようにすれば、定常偏差が零になるようにＰＩＤ制御回路を調整する作業を、その表示内容を確認しながら行うことが可能になる。また、本発明の定常偏差測定装置によれば、ＰＩＤ制御回路に負帰還用の回路素子を接続（デジタル制御系の場合には負帰還用の機能を追加）するだけで定常偏差を測定でき、従来のようにＰＩＤ制御回路をＤＣモータを実際に制御する装置内に組み込む必要がないので、定常偏差測定装置の構成を簡単にし、且つ小型化することができる。
【００３７】
また次に、請求項４に記載の発明は、検出信号と指令信号との偏差を比例・微分する信号処理回路と、信号処理回路からの出力信号を反転入力端子に受けてこの信号を比例・積分するオペアンプからなる積分回路と、を備えたＰＩＤ制御回路の定常偏差を測定するための装置であり、請求項３に記載の装置において、負帰還用の回路素子を、ＰＩＤ制御回路内の積分回路を構成するオペアンプの出力端子と反転入力端子との間に接続される抵抗器Ｒ０により構成し、電圧測定手段によりその抵抗器Ｒ０の両端電圧ＶＸを測定し、定常偏差演算手段により、信号処理回路の直流利得を決定する抵抗値ＲＸと抵抗器Ｒ０の抵抗値との比ＲＸ／Ｒ０と、測定した電圧値ＶＸとの積ＶＸ・ＲＸ／Ｒ０を、定常偏差として演算することを特徴とする。
【００３８】
この結果、請求項４に記載の定常偏差測定装置によれば、請求項２に記載の測定方法を実現して、信号処理回路と積分回路とからなるＰＩＤ制御回路の定常偏差を測定することができるようになり、請求項３に記載の装置と同様の効果を得ることができる。
【００３９】
なお、定常偏差を測定するに当たって、ＰＩＤ制御回路に同一の検出信号ＶＳ及び指令信号ＶＲを入力する際には、これら各信号を個々に入力するようにしてもよいが、ＰＩＤ制御回路におけるこれら各検出信号の入力端子を短絡し、その短絡部分に定常偏差測定用の信号を入力するようにしてもよい。そして、このようにすれば、各入力端子に対して同一の信号を簡単且つ確実に入力することが可能になる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施例を図面と共に説明する。
図４は、図１０に示したＤＣモータの制御装置においてＤＣモータを位置制御するために使用されるＰＩＤ制御回路１０の一例を表す電気回路図である。
【００４１】
図４に示す如く、本実施例のＰＩＤ制御回路１０は、大きく分けて、センサからの検出信号ＶＳ及び指令信号ＶＲを受けてこれら各信号の偏差を比例・微分するための信号処理回路１８と、この信号処理回路１８からの出力を比例・積分するための積分回路１９とから構成されている。
【００４２】
そして、積分回路１９は、信号処理回路１８からの出力が反転入力端子に入力されると共に、この反転入力端子と出力端子とが比例・積分用のコンデンサＣ13及びコンデンサＣ12と抵抗器Ｒ12との直列回路により夫々接続され、更に、非反転入力端子に基準電圧Ｖref2が印加されたオペアンプＯＰ３により構成されている。
【００４３】
また信号処理回路１８は、検出信号ＶＳを入力するためのバッファを構成するオペアンプＯＰ２と、このオペアンプＯＰ２を介して入力された検出信号ＶＳを比例・微分するためにオペアンプＯＰ２の出力端子に夫々一端が接続された抵抗器Ｒ４及びコンデンサＣ11と抵抗器Ｒ11との直列回路からなる比例・微分回路１８ａと、抵抗器Ｒ１を介して反転入力端子に指令信号ＶＲを受けると共に、反転入力端子と出力端子とが抵抗器Ｒ２を介して接続され、更に非反転入力端子に基準電圧Ｖref1が印加されたオペアンプＯＰ１からなる反転増幅回路１８ｂと、この反転増幅回路１８ｂによる反転増幅後の指令信号と比例・微分回路１８ａによる比例・微分後の検出信号とがオペアンプＯＰ３に加算して入力されるように、一端がオペアンプＯＰ１の出力に接続され、他端が比例・微分回路１８ａを構成する抵抗器Ｒ４及びコンデンサＣ１１と抵抗器Ｒ１１との直列回路の他端と共にオペアンプＯＰ３の反転入力端子に接続された抵抗器Ｒ３とから構成されている。
【００４４】
なお、このように構成されたＰＩＤ制御回路１０は、指令信号ＶＲが一定で、ＶＲ＝ＶＳのときに、積分回路１９を構成するオペアンプＯＰ３の反転入力端子に入力される加算信号が零となるように、通常は、反転増幅回路１８ｂ及び積分回路１９を構成する各オペアンプＯＰ１，ＯＰ３の非反転入力端子に印加される基準電圧Ｖref1，Ｖref2には、同一電圧（Ｖref1＝Ｖref2）が設定され、しかも、上記各抵抗器Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値には、次式(10)を満足する抵抗値が設定される。
【００４５】
（Ｒ２／Ｒ１）・（Ｒ４／Ｒ３）＝１ …(10)
そして、ＰＩＤ制御回路１０は、検出信号ＶＳと指令信号ＶＲとを一致させるために、その偏差を比例・微分・積分処理した信号を生成し、これをＤＣモータのＰＩＤ制御用の制御信号として出力するが、その動作特性は、ＰＩＤ制御回路１０を構成する上記各回路素子により決定され、各回路素子の特性にばらつきがあると、ＰＩＤ制御回路１０を図１０に示した制御装置に組み込んでＤＣモータを実際に制御した際に定常偏差が生じてしまうことになる。このため、こうしたＰＩＤ制御回路１０では、定常偏差を発生させることのないように、例えば回路素子のトリミング等によって、その動作特性を微調整する必要があり、この調整作業の際には、定常偏差を測定する必要がある。
【００４６】
そして、本実施例では、こうした調整作業等に必要な定常偏差の測定をＰＩＤ制御回路１０単体で行うために、積分回路１９を構成するオペアンプＯＰ３の反転入力端子と出力端子との間に接続される偏差測定用の抵抗器Ｒ０と、この抵抗器Ｒ０の両端電圧を測定する電圧計１３と、ＰＩＤ制御回路１０における検出信号ＶＳの入力端子と指令信号ＶＲの入力端子とを短絡させて、各端子に同一の指令信号ＶＲ（一定値）を入力する指令信号発生回路１５と、電圧計１３にて測定された抵抗器Ｒ０の両端電圧Ｖ(13)及び抵抗器Ｒ４と抵抗器Ｒ０との比Ｒ４／Ｒ０を用いて、次式(11)に従い定常偏差を求める演算回路１７とからなる測定装置が使用される。
【００４７】
定常偏差＝（Ｒ４／Ｒ０）・Ｖ(13) …(11)
以下、このような測定装置を用いて定常偏差を測定できる理由について説明する。
まず、図４に示すＰＩＤ制御回路１０の挙動をブロック線図で記述するために、ＰＩＤ制御回路１０の動作に影響を与えるパラメータを、τ１，τ２，Ｔｉ，Ｔｄ，Ｋ１，Ｋとして、下記のように定義する。
【００４８】
【数６】
そして、制御対象となるアクチュエータ側での時定数により決定される制御系全体の動作周波数帯ｆに対し、信号処理回路１８側での微分特性及び時定数を表すＴｄ，τ１、及び、積分回路１９側での積分特性及び時定数を表すＴｉ，τ２、を夫々決定する回路素子が、
【００５０】
【数７】
の条件を満足することを前提として、ＰＩＤ制御回路１０の挙動を近似すると、ＰＩＤ制御回路１０は、図５に示すブロック線図で記述できる。
なお、図５において、Ｖoff1，Ｖoff2，Ｖoff3は、夫々、ＰＩＤ制御回路１０を構成する各オペアンプＯＰ１，ＯＰ２，ＯＰ３の入力オフセット電圧を表し、ｉＢＭ1 ，ｉＢＭ2 は、夫々、オペアンプＯＰ１，ＯＰ３の反転入力端子における入力バイアス電流を表す（図４参照）。
【００５２】
このように図５に示したＰＩＤ制御回路１０のブロック線図の基本構成は、図２に示したＤＣモータの位置制御系のブロック線図と同じであり、異なる点は、検出信号ＶＳと指令信号ＶＲとの偏差をとる減算部の前に低域通過フィルタ「１／｛ｓ・（Ｔｄ−τ１）＋１｝」のブロックが入るだけである。そして、この低域通過フィルタのブロックは、静的状態での定常偏差には影響しないので、図２に示したブロック線図で記述される基本的なＰＩＤ制御回路と同様に、ＰＩＤ動作部｛Ｔｃ(s) ｝の出力を入力側に負帰還させて、ＰＩＤ動作部｛Ｔｃ(s) ｝からの出力Ｖｅを測定するようにすれば、定常偏差を求めることができる。
【００５３】
一方、オペアンプＯＰ３の反転入力端子と出力端子との間に定常偏差測定用の抵抗器Ｒ０を接続し、検出信号ＶＳと指令信号ＶＲとに同一の信号を入力するようにした場合のブロック線図は、図６に示す如くなり、定常時には、ＰＩＤ動作部｛Ｔｃ(s) ｝の出力がＫ倍されてその入力側に負帰還されることになる。なお、このときの負帰還の利得Ｋは、信号処理回路１８での比例利得を決定する抵抗器Ｒ４と抵抗器Ｒ０との抵抗比Ｒ４／Ｒ０である。また、図６に示すブロック線図におけるＰＩＤ動作部｛Ｔｃ(s) ｝からの出力Ｖｅは、電圧計１３にて測定される抵抗器Ｒ０の両端電圧Ｖ(13)に等しい。つまり、図６のブロック図において、「ＰＩＤ出力（制御信号）」が図４の「ＯＰ３出力電圧」なので、図６より、
【００５４】
従って、本実施例のように、ＰＩＤ制御回路１０の積分回路１９を構成するオペアンプＯＰ３の反転入力端子と出力端子との間に抵抗器Ｒ０を接続して、ＰＩＤ制御回路１０に検出信号ＶＳ及び指令信号ＶＲとして同一の信号を入力し、抵抗器Ｒ０の両端電圧Ｖ(13)を測定するようにすれば、前述の(11)式を用いて、ＰＩＤ制御回路１０を含むＤＣモータ制御装置全体で生じる定常偏差を求めることができるようになる。
【００５５】
そして、このように定常偏差を測定する本実施例の測定装置によれば、ＰＩＤ制御回路１０の積分回路１９に抵抗器Ｒ０を接続して、検出信号ＶＳ及び指令信号ＶＲとして同一の信号を入力するだけでよく、従来のようにＰＩＤ制御回路１０を含む制御系全体を構成する必要がないため、その構成を極めて簡単にすることができる。また、ＰＩＤ制御回路１０からＤＣモータに至る駆動系やＤＣモータを含むアクチュエータの時定数に影響されることなく定常偏差を測定できるので、定常偏差の測定時間を短くできる。
【００５６】
なお、本実施例では、定常偏差の測定時には、積分回路１９に接続した定常偏差測定用の抵抗器Ｒ０の両端電圧を、電圧計１３を用いて直接測定するものとして説明したが、例えば、指令信号ＶＲ０（一定）を入力して、ＰＩＤ制御回路１０からの出力信号（電圧）を、抵抗器Ｒ０の抵抗値をＲ０（Ａ），Ｒ０（Ｂ）というように変えて２回測定し、その測定した電圧値Ｖ（Ａ），Ｖ（Ｂ）と各抵抗値とを用いて次式(12)
【００５７】
【００５８】
例えば、図７は、制御信号の出力側には前記実施例と全く同様に構成された積分回路１９を備え、検出信号ＶＳと指令信号ＶＲとの入力側には、前記信号処理回路１８とは異なる信号処理回路２８を備えたＰＩＤ制御回路２０を表す。そして、このＰＩＤ制御回路２０において、信号処理回路２８は、検出信号ＶＳと指令信号ＶＲとの偏差（ＶＳ−ＶＲ）を増幅するオペアンプＯＰ11からなる差動増幅回路２８ａと、この差動増幅回路２８ａからの出力を比例・微分する比例・微分回路２８ｂとから構成されている。
【００５９】
また、差動増幅回路２８ａは、オペアンプＯＰ11と、オペアンプＯＰ11の反転入力端子に指令信号ＶＲを入力する抵抗器Ｒ33と、オペアンプＯＰ11の反転入力端子と出力端子とを接続する抵抗器Ｒ34と、オペアンプＯＰ11の非反転入力端子にセンサからの検出信号ＶＳを入力する抵抗器Ｒ31と、オペアンプＯＰ11の非反転入力端子に基準電圧Ｖref11 を印加する抵抗器Ｒ32とから構成され、比例・微分回路２８ｂは、オペアンプＯＰ11の出力端子と積分回路１９を構成するオペアンプＯＰ３の反転入力端子との間に接続された抵抗器Ｒ15，及びコンデンサＣ21と抵抗器Ｒ21との直列回路からなる。
【００６０】
そして、このように構成されたＰＩＤ制御回路２０においても、ＰＩＤ制御回路１０の動作に影響を与えるパラメータを、τ１，τ２，Ｔｉ，Ｔｄ，Ｋ１，Ｋとして、下記のように定義し、
【００６１】
【数８】
制御対象となるアクチュエータ側での時定数により決定される制御系全体の動作周波数帯ｆに対し、Ｔｄ，τ１、及び、Ｔｉ，τ２が、夫々、前記実施例と同様の条件を満足することを前提として、ＰＩＤ制御回路２０の挙動を近似すれば、その動作を表すブロック線図は、図８に示すように、図２に示した基本的なＰＩＤ制御回路のブロック線図と同様の構成となる。
【００６３】
従って、このＰＩＤ制御回路２０においても、図７に示すように、積分回路１９を構成するオペアンプＯＰ３の反転入力端子と出力端子との間に定常偏差測定用の抵抗器Ｒ０を接続し、検出信号ＶＳと指令信号ＶＲとの入力端子を短絡して、これら各入力端子に同一の信号を入力し、抵抗器Ｒ０の両端電圧を電圧計１３等にて測定するようにすれば、上記実施例と同様、その測定した電圧値Ｖ(13)から定常偏差を求めることができるようになる。
【００６４】
つまり、オペアンプＯＰ３の反転入力端子と出力端子との間に定常偏差測定用の抵抗器Ｒ０を接続し、検出信号ＶＳと指令信号ＶＲとに同一の信号を入力するようにした場合のブロック線図は、図９に示す如くなり、定常時には、ＰＩＤ動作部｛Ｔｃ(s) ｝の出力がＫ倍されてその入力側に負帰還されることになるため、前記実施例と同様、抵抗器Ｒ０の両端電圧Ｖ(13)と負帰還の利得Ｋとの積Ｖ(13)・Ｋを求めることにより、定常偏差を得ることができる。
【００６５】
なお、このときの負帰還の利得Ｋは、信号処理回路２８にて直流利得を決定する抵抗値と、抵抗器Ｒ０の抵抗値との比であり、前述のように「（Ｒ15／Ｒ０）・（Ｒ33／Ｒ34）・Ｋ１」となるが、ＰＩＤ制御回路２０が、差動増幅回路２８ａを構成する各抵抗器Ｒ31〜Ｒ34の抵抗値が全て同じ（Ｒ31＝Ｒ32＝Ｒ33＝Ｒ34）になるように設計されていれば、負帰還の利得Ｋは、抵抗器Ｒ15と抵抗器Ｒ０との抵抗比（Ｒ15／Ｒ０）となる。また、図８，図９において、Ｖoff11は、夫々、オペアンプＯＰ11の入力オフセット電圧を表し、ｉＢＭｍ，ｉＢＭｐは、夫々、オペアンプＯＰ１の反転入力端子及び非反転入力端子の入力バイアス電流を表す（図７参照）。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による定常偏差測定時のＰＩＤ制御回路の動作を表すブロック線図である。
【図２】 一般的なＤＣモータの位置制御系の動作を表すブロック線図である。
【図３】 図２におけるＰＩＤ動作部｛Ｔｃ(s) ｝，モータ部｛Ｔｍ(s) ｝及びセンサ素子部｛Ｔｓ(s) ｝の詳細を表す説明図である。
【図４】 実施例のＰＩＤ制御回路１０の構成を表す電気回路図である。
【図５】 図４に示したＰＩＤ制御回路１０の動作を表すブロック線図である。
【図６】 図４に示したＰＩＤ制御回路１０の定常偏差測定時の動作を表すブロック線図である。
【図７】 実施例のＰＩＤ制御回路２０の構成を表す電気回路図である。
【図８】 図７に示したＰＩＤ制御回路２０の動作を表すブロック線図である。
【図９】 図７に示したＰＩＤ制御回路２０の定常偏差測定時の動作を表すブロック線図である。
【図１０】 ＤＣモータをＰＩＤ制御する制御装置全体の構成を表すブロック図である。
【符号の説明】
２…制御回路部 ４…制御対象部 ６…センサ部
１０，２０…ＰＩＤ制御回路 １８，２８…信号処理回路
１９…積分回路 Ｒ０…抵抗器（定常偏差測定用） １３…電圧計
１５…指令信号発生回路 １７…演算回路 ＶＳ…検出信号
ＶＲ…指令信号
Claims (4)
- ＤＣモータの回転状態を検出するセンサからの検出信号と外部から入力される指令信号との偏差を比例・積分・微分処理して各信号を一致させるための制御信号を発生するＰＩＤ制御回路を備えたＤＣモータ用制御装置において、前記指令信号が一定で制御系が静的状態にあるときに生じる前記検出信号と前記指令信号との定常偏差を、前記ＰＩＤ制御回路単体で測定する定常偏差測定方法であって、
前記ＰＩＤ制御回路をその動作を表すブロック線図で記述した際に前記比例・積分・微分処理を行うＰＩＤ動作部からの出力信号のＫ倍が該ＰＩＤ動作部の入力へ負帰還されるように、前記ＰＩＤ制御回路に負帰還用の回路素子を接続するか又は該回路素子と同一作用を持つ制御機能を追加すると共に、
前記検出信号及び指令信号として同一の信号を前記ＰＩＤ制御回路に入力して、
前記ブロック線図で前記ＰＩＤ動作部から出力される出力信号に対応した前記ＰＩＤ制御回路内の電圧を測定し、
該測定した電圧値と前記負帰還の利得Ｋとの積から前記定常偏差を得るようにしたことを特徴とするＰＩＤ制御回路の定常偏差測定方法。 - 請求項１に記載のＰＩＤ制御回路の定常偏差測定方法において、
前記ＰＩＤ制御回路が、前記検出信号と前記指令信号との偏差を比例・微分する信号処理回路と、該信号処理回路からの出力信号を反転入力端子に受けて該信号を比例・積分するオペアンプからなる積分回路と、を備える場合に、
前記負帰還用の回路素子として、前記積分回路を構成するオペアンプの出力端子と反転入力端子との間に抵抗器Ｒ０を接続し、
前記ＰＩＤ動作部からの出力信号に対応した電圧として、前記抵抗器Ｒ０の両端電圧ＶＸを測定し、
前記負帰還の利得Ｋとして、前記信号処理回路の直流利得を決定する抵抗値ＲＸと前記抵抗器Ｒ０の抵抗値との比ＲＸ／Ｒ０を用い、
該比ＲＸ／Ｒ０と前記測定した電圧値ＶＸとの積ＶＸ・ＲＸ／Ｒ０から、前記定常偏差を得ることを特徴とするＰＩＤ制御回路の定常偏差測定方法。 - ＤＣモータの回転状態を検出するセンサからの検出信号と外部から入力される指令信号との偏差を比例・積分・微分処理して各信号を一致させるための制御信号を発生するＰＩＤ制御回路を備えたＤＣモータ用制御装置において、前記指令信号が一定で制御系が静的状態にあるときに生じる前記検出信号と前記指令信号との定常偏差を、前記ＰＩＤ制御回路単体で測定する定常偏差測定装置であって、
前記ＰＩＤ制御回路をその動作を表すブロック線図で記述した際に前記比例・積分・微分処理を行うＰＩＤ動作部からの出力信号のＫ倍が該ＰＩＤ動作部の入力へ負帰還されるように、前記ＰＩＤ制御回路に追加される負帰還用の機能又は回路素子と、
前記検出信号及び指令信号として同一の信号を前記ＰＩＤ制御回路に入力する信号入力手段と、
前記ブロック線図で前記ＰＩＤ動作部から出力される出力信号に対応した前記ＰＩＤ制御回路内の電圧を測定する電圧測定手段と、
該電圧測定手段にて測定された電圧値と前記負帰還の利得Ｋとの積を演算し、該演算結果を定常偏差として出力する定常偏差演算手段と、
を備えたことを特徴とするＰＩＤ制御回路の定常偏差測定装置。 - 請求項３に記載のＰＩＤ制御回路の定常偏差測定装置において、
前記ＰＩＤ制御回路は、前記検出信号と前記指令信号との偏差を比例・微分する信号処理回路と、該信号処理回路からの出力信号を反転入力端子に受けて該信号を比例・積分するオペアンプからなる積分回路と、を備え、
前記負帰還用の回路素子は、前記積分回路を構成するオペアンプの出力端子と反転入力端子との間に接続される抵抗器Ｒ０からなり、
前記電圧測定手段は、該抵抗器Ｒ０の両端電圧ＶＸを測定し、
前記定常偏差演算手段は、前記信号処理回路の直流利得を決定する抵抗値ＲＸと前記抵抗器Ｒ０の抵抗値との比ＲＸ／Ｒ０と、前記測定した電圧値ＶＸとの積ＶＸ・ＲＸ／Ｒ０を、前記定常偏差として演算することを特徴とするＰＩＤ制御回路の定常偏差測定装置。
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