JP5245638B2 - ゲイン調整装置、ゲイン調整方法、ゲイン調整プログラム - Google Patents

Description

本発明は、閉ループのゲインを調整するゲイン調整装置、ゲイン調整方法、ゲイン調整プログラムに関する。

従来、閉ループ回路において、制御対象や回路のパラメータ変動によるループ特性の変動を抑制し、ループゲインが一定になるよう調整する方法がある。この方法では、閉ループ回路に外部から所定周波数の基準信号を供給し、基準信号の所定周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタ（以下、ＢＰＦ）により、基準信号に対する閉ループ回路を一巡した応答信号のみを抽出する。そして、基準信号と抽出された応答信号との位相差を測定し、位相差を所定の目標値に近付けるようにループゲインの値を算出し、ループゲインを算出した値に切り替えることによりループゲイン調整を行う。

さらに、基準信号の供給と、位相差の測定と、ループゲインの算出と、ループゲインの変更と、からなる一連のループゲイン調整を複数回実行し、ループゲインの補正を繰り返すことにより、自動で所望のループ特性が得られる値へループゲインを収束させる。

特許文献１には、ループ特性等の精確な調整を行うことができる電子回路の特性の調整方法及び調整装置が記載されている。
特許第３４２９１６２号公報

しかしながら、閉ループ回路における制御対象がモータのような機器である場合、モータの着磁バラつきや、回転子およびモータの出力軸に直接もしくはギヤを介して接続される構造体の偏心により、回転子の回転数やその整数倍など特定の周波数に大きな外乱変動を持つ場合が多い。

上記従来の方法では、外乱変動の周波数が基準信号の周波数に近い場合、基本信号に対する応答信号を抽出するＢＰＦの後段においても、外乱変動を十分に減衰することができない。このため従来の調整の方法では、応答信号に含まれる外乱変動の影響により、補正したループゲインの値が完全には収束せずに変動が残留してしまう。その結果、調整を行う度にループゲイン調整結果が異なり、調整精度が著しく悪化する。

本発明は、上記事情を鑑みて、これを解決すべくなされたものであり、外乱変動の影響を低減し、高精度にループゲインの調整を行うことが可能なゲイン調整装置、ゲイン調整方法、ゲイン調整プログラムを提供することを目的としている。

本発明は、上記目的を達成するために、以下の如き構成を採用した。

本発明は、閉ループ回路に供給される所定の周波数の基準信号と、前記基準信号を入力した位置から前記閉ループ回路を一巡した位置で抽出される応答信号との位相差を測定し、前記位相差を所定の目標値へ近づけるように前記閉ループ回路のループゲインを調整するゲイン調整装置であって、前記ループゲインを調整する毎に、位相差を所定の目標値に近づけるループゲインの値を算出する算出手段と、前記閉ループ回路のループゲインの値を変更する変更手段と、を有し、前記変更手段は、前記ループゲインの調整が複数回実行された後に、前記閉ループ回路のループゲインの値を、前記ループゲインを調整する毎に前記算出手段により算出されるループゲインの値の平均値に変更する構成とした。

また本発明のゲイン調整装置は、前記複数回のループゲインの調整において、前記平均値を求めるために用いられる前記ループゲインの値の数は、前記基準信号の周波数を、前記基準信号の周波数と前記応答信号に含まれる外乱変動の周波数との差の絶対値で除した値ことが好ましい。

また本発明のゲイン調整装置は、複数周期供給された前記基準信号と、各周期毎の抽出された前記応答信号と、に基づき、前記応答信号に含まれる外乱変動の大きさが所定範囲内であるか否かを判定する外乱変動判定手段を有し、前記基準信号生成手段は、前記外乱変動が所定範囲内でないと判定された場合に、前記基準信号の周波数を変更する構成であることが好ましい。

また本発明のゲイン調整装置において、前記外乱変動判定手段は、各周期毎の抽出された前記応答信号との位相差の最大値と最小値との差である位相差変動幅が所定範囲内でないとき、前記外乱変動の大きさが所定範囲内でないと判定する構成であることが好ましい。

また本発明のゲイン調整装置において、前記外乱変動判定手段は、各周期毎の前記基準信号から抽出された応答信号の振幅の最大値と最小値との差である振幅変動幅が所定範囲内にないとき、前記外乱変動の大きさが所定範囲内でないと判定する構成であることが好ましい。

本発明は、閉ループ回路に供給される所定の周波数の基準信号と、前記基準信号を入力した位置から前記閉ループ回路を一巡した位置で抽出される応答信号との位相差を測定し、前記位相差を所定の目標値へ近づけるように前記閉ループ回路のループゲインを調整するゲイン調整装置によるゲイン調整方法であって、前記ループゲインを調整する毎に、位相差を所定の目標値に近づけるループゲインの値を算出する算出手順と、前記閉ループ回路のループゲインの値を変更する変更手順と、を有し、前記変更手順は、前記ループゲインの調整が複数回実行された後に、前記閉ループ回路のループゲインの値を、前記ループゲインを調整する毎に前記算出手順により算出されるループゲインの値の平均値に変更する方法とした。

本発明は、閉ループ回路に供給される所定の周波数の基準信号と、前記基準信号を入力した位置から前記閉ループ回路を一巡した位置で抽出される応答信号との位相差を測定し、前記位相差を所定の目標値へ近づけるように前記閉ループ回路のループゲインを調整するゲイン調整装置において実行されるゲイン調整プログラムであって、前記ゲイン調整装置に、前記ループゲインを調整する毎に、位相差を所定の目標値に近づけるループゲインの値を算出する算出ステップと、前記閉ループ回路のループゲインの値を変更する変更ステップと、を実行させ、前記変更ステップは、前記ループゲインの調整が複数回実行された後に、前記閉ループ回路のループゲインの値を、前記ループゲインを調整する毎に前記算出ステップにより算出されるループゲインの値の平均値に変更するプログラムとした。

本発明によれば、外乱変動の影響を低減し、高精度にループゲインの調整を行うことができる。

本発明では、閉ループ回路のループゲイン調整において、ループゲイン調整を複数回実行してループゲインを収束させ、ループゲインの値が収束した後に、外乱変動の影響を考慮して適切に設定された回数のループゲイン調整結果を平均した値を最終的なループゲインの値とする。

（第一の実施形態）
以下に図面を参照して本発明の第一の実施形態について説明する。図１は、第一の実施形態のゲイン調整装置１００の構成を説明する図である。

本実施形態では、ゲイン調整装置１００は、例えばモータ１０を制御する閉ループ回路のループゲインを調整する。モータ１０の回転速度は、閉ループ回路により制御される。駆動回路２０は、駆動レベルを示す入力信号にしたがって、モータ１０を駆動させる駆動電流を供給する。検出部３０は、モータ１０の回転速度を検出する。本実施形態の検出部３０は、具体的には、モータ１０出力軸に接続されたロータリーエンコーダとし、モータ１０の回転速度をパルス信号に変換して出力する。

また本実施形態では、モータ１０の回転子の偏心等に起因する外乱変動が、ゲイン調整装置１００によりループゲインが制御される閉ループ回路に入力される。

以下に、本実施形態のゲイン調整装置１００について説明する。

本実施形態のゲイン調整装置１００は、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）上で動作するソフトウェアの機能により実現される。以下に、本実施形態のゲイン調整装置１００の機能構成を説明する。

ゲイン調整装置１００は、速度誤差検出部１１０、サーボ演算部１２０、ループゲイン自動調整部１３０を有する。

速度誤差検出部１１０は、検出部３０から出力される出力信号と、制御目標速度を示す信号と、に基づき、誤差制御信号ａ１を出力する。尚制御目標速度は、ゲイン調整装置１００が搭載された本体装置の仕様等により予め決定されている。

サーボ演算部１２０は、誤差制御信号ａ１が入力されると演算を実行し、モータ１０の回転速度を制御するための速度制御信号ａ２を出力する。本実施形態のサーボ演算部１２０の構成を図２に示す。本実施形態のサーボ演算部１２０は、図２に示すように速度比例系と速度積分位相系と低域ブーストフィルタで構成されている。

図１に戻って、本実施形態のループゲイン自動調整部１３０は、自動調整制御部１３１、基準信号生成部１３２、加算部１３３、補正ゲイン１３４、ＢＰＦ１３５、位相差測定部１３６、ゲイン変更部１３７を有する。

自動調整制御部１３１は、ループゲインの自動調整動作を行うため、後述の各部に動作指示を行う。基準信号生成部１３２は、自動調整制御部１３１からの動作指示を受けて、所定の周波数及び所定の振幅の基準信号ｂ１を生成する。尚本実施形態の基準信号は正弦波である。

加算部１３３は、基準信号生成部１３２で生成された基準信号を閉ループ回路へ供給する。

補正ゲイン１３４は、閉ループ回路に予め組み込まれたループゲインである。尚本実施形態では、ループゲイン自動調整部１３０によるループゲインの調整を行う前の初期の補正ゲイン１３４（ループゲイン）の値は１であり、ループゲインの調整が実行された際に、ゲイン変更部１３７によりループ特性を目標の特性に補正する値へ変更される。

ＢＰＦ１３５は、基準信号ｂ１の周波数を中心周波数とするＢＰＦである。本実施形態のＢＰＦ１３５は、加算部１３３により閉ループ回路に供給された基準信号ｂ１が閉ループ回路を一巡した位置から応答信号ｂ２を抽出する。

位相差測定部１３６は、基準信号ｂ１と応答信号ｂ２との位相差を測定し、位相差データｂ３を出力する。尚本実施形態の位相差測定部１３６では、図３に示すように、基準信号ｂ１の波形と応答信号ｂ２の波形とがそれぞれゼロクロスする点を検出し、２つの信号の位相差を測定する基準とする。図３は、位相差測定部１３６による位相差測定を説明する図である。さらに本実施形態では、応答信号ｂ２については、位相差測定する基準を位相が−１８０度反転した点に設定することにより、位相差測定に係る時間を短縮し、ループゲイン調整時間を短縮する。

図１に戻って、ゲイン変更部１３７は、現在の補正ゲイン１３４の値と、測定した位相差と所定の目標位相差との誤差に基づいて、ループ特性をより目標に近付けるループゲインの値を算出し、補正ゲイン１３４を算出した値に変更する。ループゲインの値の算出方法の詳細は後述する。

次に、図４、図５を参照して本実施形態のループゲイン自動調整部１３０の動作を説明する。図４は、ループゲイン自動調整部１３０の動作を説明する第一のフローチャートである。図５は、ループゲイン自動調整部１３０の動作を説明する第二のフローチャートである。

本実施形態では、基準信号ｂ１の１周期に対して１回の位相差測定を行う。本実施形態では、１回の位相差測定で測定された位相差に対してループゲインの値を算出し、ゲイン変更部１３７により補正ゲイン１３４の値を変更することを１回のループゲイン調整とする。始めに、図４を参照して１回のループゲイン調整の動作を説明する。

ループゲイン自動調整部１３０は、ステップＳ４１においてループゲイン調整が開始すると、基準信号生成部１３２により、所定周波数および所定振幅の基準信号ｂ１を生成し、加算部１３３による閉ループ回路への基準信号ｂ１の供給を開始する。ステップＳ４１に続いてステップＳ４２に進み、位相差測定部１３６は、基準信号ｂ１の波形と応答信号ｂ２の波形とのゼロクロス点を検出し、位相差測定を開始する。ステップＳ４２に続いてステップＳ４３へ進み、位相差測定が完了した後、ゲイン変更部１３７は、測定した位相差に基づいて、次のループゲインの値を算出する。

ステップＳ４３に続いてステップＳ４４へ進み、ゲイン変更部１３７は、基準信号ｂ１１周期分の供給が終わるまで待つ。ステップＳ４４に続いてステップＳ４５へ進み、ゲイン変更部１３７は、補正ゲイン１３４を算出したループゲインの値に変更する。

以上が、１回のループゲイン調整の動作である。尚本実施形態では、ＢＰＦ１３５は予め動作を開始しているものとする。

さらに、上述のループゲイン調整を複数サイクル繰り返すことによって、ループゲインを精度よく目標へ収束させることをループゲイン自動調整と呼ぶ。以下に図５を参照してループゲイン自動調整の動作を説明する。

ループゲイン自動調整部１３０において、ループゲイン自動調整が開始すると、ステップＳ５１へ進む。ステップＳ５１において、ＢＰＦ１３５が整定するまで待つため、基準信生成部１３２と加算部１３３により、所定周期分の基準信号ｂ１を閉ループ回路に供給給する。ステップＳ５１に続いてステップＳ５２へ進み、ループゲイン自動調整部１３０は、ループゲイン調整の繰り返しカウントをｎとしてｎを初期化する。

ステップＳ５２に続いてステップＳ５３へ進み、ループゲイン自動調整部１３０は、図４で説明したループゲイン調整を１回実行する。ステップＳ５３に続いてステップＳ５４へ進む。ステップＳ５４では、所定のループゲイン調整繰り返し回数をＮｌｇａ、後にループゲイン調整結果の平均を取るデータ数をＮａｖｅ（Ｎｌｇａ＞Ｎａｖｅ）とおく。ステップＳ５４において、ｎ≧（Ｎｌｇａ−Ｎａｖｅ)である場合、ステップＳ５５へ進み、ゲイン変更部１３７は、ステップＳ５３のループゲイン調整で算出されたループゲインの値Ｇａｄｊ（ｎ＋１）を、次回のループゲイン調整で利用する値として保存する。

ステップＳ５５に続いてステップＳ５６へ進み、繰り返しカウントを１つ進めてｎ＝（ｎ＋１）とする。ステップＳ５６に続いてステップＳ５７へ進み、ループゲイン調整が所定回数Ｎｌｇａ回行われていない場合、ステップＳ５３へ戻り、再び次の周期のループゲイン調整を行う。

ステップＳ５７において、ループゲイン調整が所定回数であるＮｌｇａ回終了した場合、ステップＳ５８へ進む。ステップＳ５８において、ゲイン変更部１３７は、ステップＳ５５で保存したＮａｖｅ個のループゲインの値の平均値を算出する。

ここでループゲインの値をＧａｄｊとし、繰り返しカウントｎのときループゲインの値をＧａｄｊ（ｎ）とすると、ループゲインの値の平均値は以下の式（１）により算出される。

ステップＳ５８に続いてステップＳ５９へ進み、ゲイン変更部１３７は、補正ゲイン１３４を算出したループゲインの平均値に変更し、処理を終了する。以上がループゲイン自動調整の動作である。

尚本実施形態のループゲイン自動調整部１３０を実現するＤＳＰは、図示しないカウンタ手段、記憶手段を有する。図５で説明したループゲイン自動調整の繰り返しカウントは、例えばＤＳＰの有するカウンタ手段により行われる。また補正ゲインの値は、例えばＤＳＰの有する記憶手段に保存される。

次に、本実施形態における、ループゲインの値の算出方法について説明する。

まずループゲイン調整において、測定する位相差の目標値を目標位相差とする。目標位相差は、閉ループ回路に供給される基準信号ｂ１の周波数（以下、ｆｓｉｎとする）において目標とされる閉ループ回路の位相特性の値であり、実測またはモデル式より算出した値をあらかじめ設定する。ただし、本実施形態においては、図３に示したように位相差測定において応答信号ｂ２の位相を反転している。

このため、目標位相差を基準信号ｂ１に対して応答信号ｂ２の位相が遅れる方向を正とした場合、図６に示すように、基準信号周波数ｆｓｉｎにおける目標とする閉ループ回路の位相特性の値θ０を用いて、目標位相差を（１８０−θ０）［ｄｅｇ］とする。図６は、第一の実施形態における閉ループ回路の周波数特性と目標位相差を示す図である。尚多くの場合は、供給する基準信号ｂ１の周波数は交叉周波数付近に設定されるが、上述のように基準信号ｂ１の周波数において目標とされる閉ループ回路の位相特性の値を設定しておけば、基準信号ｂ１の周波数は交叉周波数近傍に限定されない。

次に、測定した位相差と目標位相差との差を位相差誤差ＰＥとし、上述のループゲイン自動調整において、繰り返しカウントｎのときの位相差誤差をＰＥ(ｎ)とする。また、ループゲインの値をＧａｄｊとし、同様に、繰り返しカウントｎのときループゲインの値をＧａｄｊ（ｎ）とする。さらに、ループゲイン自動調整の繰り返しによる目標値への収束に影響する調整感度係数ｋａｄｊを用いて、次のループゲインの値を式（２）に示す数式により算出する。式（２）による補正を繰り返すループゲイン自動調整は、誤差積算アルゴリズムであり、適切な調整感度ｋａｄｊを設定することにより、ループゲイン自動調整を繰り返す毎に、ループゲインの値が目標に近づいていく。

次に、閉ループ回路に入力される外乱変動がループゲイン自動調整の結果を悪化させる場合について説明する。本実施形態においては、回転子の偏心によりモータ１０において回転速度の周波数に大きな振幅を持つ外乱変動が入力される場合を考える。

まず、ＢＰＦ１３５が外乱変動を十分に減衰できない場合の影響を示す例を示す。例えば、補正ゲイン１３４を固定として、基準信号ｂ１の周波数ｆｓｉｎ=３２．５５［Ｈｚ］を連続して供給し、基準信号ｂ１の１周期毎に位相差を測定する。

また、モータの回転数は１８００ｒｐｍとすると、外乱変動周波数ｆｎ＝３０［Ｈｚ］の外乱変動が入力される。このとき、基準信号ｂ１と外乱変動周波数ｆｎが接近しており、ＢＰＦ１３５の出力である応答信号ｂ２に十分に減衰できない外乱変動が含まれているとする。応答信号ｂ２に含まれる外乱変動の振幅が応答信号ｂ２の２０％の正弦波としたとき、測定毎に位相差が変動する様子を示すシミュレーション結果を図７および図８に示す。

図７は、基準信号ｂ１と応答信号ｂ２の波形を示した図である。ただし、図７では、位相差が変動する様子が分かりやすいよう、応答信号ｂ２は正負を反転させている。図８は、図７の波形において、図３に示す位相差を測定した結果を示す図である。図８によれば、測定した位相差に周期性があることが分かり、今回は約１３周期毎と分かる。またこの周期は、
ｆｓｉｎ／（｜ｆｓｉｎ−ｆｎ｜）
により表わすことができる。図８に示す例では、ｆｓｉｎ＝３２．５５［Ｈｚ］、ｆｎ＝３０［Ｈｚ］である。よって、位相差の周期は、
（３２．５５／（３２．５５−３０））＝１２．７６
となり、この周期が図８から読み取れる周期性と一致していることがわかる。また、基準信号ｂ１の応答の振幅に対して外乱変動の振幅が相対的に大きくなるほど、この位相差の変動の振幅は大きくなる。

次に、図９を参照して上述の外乱変動が実際にループゲイン自動調整に与える影響について説明する。図９は、意図的にゲインを目標特性の２／３に下げて制御器を設計した場合を初期状態とした閉ループ回路について、ループゲイン自動調整を行ったときのループゲインの値の変化を示している。尚供給する基準信号ｂ１の周波数ｆｓｉｎ＝３２．５５［Ｈｚ］とする。

図９に示す塗りつぶしの菱形は、本実施形態において、外乱変動を含んだ場合のループゲイン自動調整におけるループゲインの値の変化を示している。本実施形態では、モータ１０の回転数は１８００ｒｐｍであり、外乱周波数ｆｎ＝３０［Ｈｚ］の外乱変動を有する（図示せず）。

図９に示す白抜きの円は、シミュレーションによるループゲイン自動調整における補正ゲインの値の変化を示しており、外乱変動は考慮されていない。本実施形態とシミュレーションの誤差のため、収束するループゲインの値が僅かに異なるが、外乱変動がない場合は、ループゲイン調整の繰り返し１０回以下でほぼ一定値に収束している。同様に、外乱変動を含む本実施形態でも、ループゲイン調整の繰り返しによりループゲインは収束するが、ＢＰＦ１３５で十分に減衰できない外乱変動の影響により、周期的な変動が残る様子が分かる。

以上に説明したように、外乱変動をＢＰＦ１３５で十分に減衰できない場合、つまり供給される基準信号ｂ１の周波数の近傍に大きな外乱変動がある場合には、ループゲイン調整の結果に周期的な変動が残ることが分かる。

そこで、本発明のループゲイン自動調整では、複数回のループゲイン調整の結果を平均した値をループゲインの値の最終値とすることにより、外乱変動によるループゲインの値の周期的な変動による影響を低減する。さらに本実施形態では、外乱変動周波数が既知としたとき、外乱変動によるループゲインの値の周期的な変動をキャンセルするように、ループゲイン自動調整において平均をとる結果の数Ｎａｖｅを以下のように設定することができる。

Ｎａｖｅ＝ｍ（ｆｓｉｎ／｜ｆｓｉｎ−ｆｎ｜） （ｍは自然数）
尚、（ｆｓｉｎ／｜ｆｓｉｎ−ｆｎ｜）が整数とならない場合は、小数点以下を切り上げもしくは切り下げるものとする。

本実施形態では、上記式により算出された値をＮａｖｅに設定することにより、より少ない結果の数で図８、図９に示す周期性を持つ調整結果のばらつきをキャンセル（低減）させることができる。

以上により、本実施形態では、閉ループ回路のループゲイン調整において、ループゲイン調整を複数回実行してループゲインを収束させ、ループゲインの値が収束した後に、外乱変動の影響を考慮して適切に設定された回数のループゲイン調整結果を平均した値を、最終的なループゲインの値とする。本実施形態では、この構成により、ＢＰＦ１３５により十分減衰することができない周波数の外乱変動の影響を低減し、精度の良いループゲイン調整結果を得ることができる。

（第二の実施形態）
以下に、図面を参照して本発明の第二の実施形態について説明する。本発明の第二の実施形態は、ループゲイン自動調整を行う前に外乱変動判定動作を行う点が第一の実施形態と異なる。よって、以下の第二の実施形態の説明では、第一の実施形態との相違点についてのみ説明し、第一の実施形態と同様の機能構成を有するものには第一の実施形態の説明で用いた符号と同様の符号を付与し、その説明を省略する。

本実施形態では、ループゲイン自動調整を行う前に、外乱変動判定動作を行うことにより、外乱変動の影響をより低減し、精度の良いループゲイン調整結果を得る。

図１０は、第二の実施形態のゲイン調整装置１００Ａの構成を説明する図である。本実施形態のゲイン調整装置１００Ａは、ループゲイン自動調整部１３０Ａを有する。

ループゲイン自動調整部１３０Ａは、自動調整制御部１３１Ａ、基準信号生成部１３２Ａ、加算部１３３、補正ゲイン１３４、ＢＰＦ１３５Ａ、位相差測定部１３６、ゲイン変更部１３７Ａ、位相差変動判定部１３８を有する。

本実施形態のループゲイン自動調整部１３０Ａは、ループゲイン自動調整を行う前に、外乱変動判定動作を行う。外乱判定動作とは、基準信号ｂ１を閉ループ回路に所定周期分供給し、それに対する応答信号ｂ２に基づいて、外乱変動が応答信号ｂ２に与える影響が所定範囲内か否かを判定する動作である。外乱変動判定動作の詳細は後述する。

自動調整制御部１３１Ａは、後述する外乱変動判定動作の実行を指示する動作指示を行う。また自動調整制御部１３１Ａは、ループゲイン自動調整動作を実行するため、各部に動作指示を行う。

基準信号生成部１３２Ａは、予め設定された複数の周波数および振幅の基準信号ｂ１を生成する。基準信号ｂ１の周波数および振幅は、自動調整制御部１３１Ａからの信号によって選択される。

ＢＰＦ１３５Ａは、基準信号ｂ１の周波数を中心周波数とするＢＰＦであり、基準信号ｂ１の周波数が変更された場合は、自動調整制御部１３１Ａの信号によって、ＢＰＦ１３５Ａの中心周波数が基準信号ｂ１の周波数になるよう設定を変更する。

ゲイン変更部１３７Ａは、基準信号ｂ１の周波数が変更された場合、自動調整制御部１３１Ａの信号によって、変更された基準信号ｂ１の周波数に対応して予め設定された目標位相差に補正ゲイン１３４（ループゲイン）を変更する。

位相差変動判定部１３８は、外乱変動判定動作において、位相差測定部１３６の出力である位相差データｂ３を記憶する。また位相差変動判定部１３８は、外乱変動判定動作において、所定回数の位相差測定が終了した後、保存した位相差の最大値と最小値との差である位相差変動幅を算出する。そして位相差変動判定部１３８は、算出結果の位相差変動幅が所定の値より大きいか否かを判定し、判定結果を自動調整制御部１３１Ａへ出力する。

本実施形態では、この位相差変動幅が所定範囲内であるとき、外乱変動が所定範囲内であると判定し、位相差変動幅が所定範囲外であるとき、外乱変動が所定範囲外であると判定する。すなわち本実施形態では、位相差変動判定部１３８が外乱変動判定手段の役割を果たす。

ここで、図１１を参照して外乱変動と位相差の変動について説明する。図１１は、連続して基準信号を供給し、１周期毎に位相差を測定したときの結果を示している。ただし、応答信号ｂ２には、ＢＰＦ１３５Ａによって十分に減衰できない変動外乱が含まれている。図１１に示す例では、基準信号周波数ｆｓｉｎ＝３２．５５［Ｈｚ］、外乱変動周波数ｆｎ＝３０［Ｈｚ］の正弦波とする。

図１１の白抜き円は、応答信号ｂ２に含まれる外乱変動の振幅が、基準信号ｂ１の応答の振幅に対して２０％の場合における位相差の測定結果を示す。図１１の黒塗り四角は、応答信号ｂ２に含まれる外乱変動の振幅が、基準信号ｂ１の応答の振幅に対して３０％の場合における位相差の測定結果を示す。

図１１によれば、基準信号ｂ１の応答に対して外乱変動が大きいほど、測定する位相差の変動も大きいことがわかる。

以下に、図１２を参照して本実施形態の外乱変動判定動作について説明する。図１２は、第二の実施形態における外乱変動判定動作を説明するフローチャートである。

ループゲイン自動調整部１３０Ａにおいて外乱変動判定動作が開始すると、ステップＳ１２０１に進む。ステップＳ１２０１において、基準信号生成部１３２Ａと加算部１３３は、ＢＰＦ１３５Ａが整定するまで待つため、所定周期分の基準信号ｂ１を閉ループ回路に供給する。ステップＳ１２０１に続いてステップＳ１２０２へ進み、位相差測定カウントをｎとして、ｎを初期化する。

ステップＳ１２０２に続いてステップＳ１２０３へ進み、基準信号生成部１３２Ａと加算部１３３は、閉ループ回路へ１周期分の基準信号ｂ１の供給を開始する。ステップＳ１２０３に続いてステップＳ１２０４へ進み、位相差測定部１３６は、基準信号ｂ１と応答信号ｂ２の位相差を測定する。ステップＳ１２０４において位相差測定が完了したら、ステップＳ１２０５へ進み、位相差を記憶する。

ステップＳ１２０５に続いてステップＳ１２０６へ進み、１周期の基準信号ｂ１の供給が完了するまで待ち、ステップＳ１２０７へ進む。ステップＳ１２０７において、位相差測定カウントを１つ進めて、ｎ＝ｎ＋１とする。ステップＳ１２０７に続いてステップＳ１２０８へ進み、位相差測定が所定回数実行されたか否か判定する。尚図１２では、所定回数をＮｃｈｎとして示す。

ステップＳ１２０８において、位相差測定の実行回数が所定回数Ｎｃｈｎに達していない場合、ステップＳ１２０３へ戻り、ステップＳ１２０３からの処理を繰り返す。

ステップＳ１２０８において、位相差測定の実行回数が所定回数Ｎｃｈｎに達していた場合、ステップＳ１２０９へ進む。ステップＳ１２０９において、位相差変動判定部１３８は、記憶しておいた位相差の最大値と最小値との差である位相差変動幅を算出し、位相差変動幅が所定範囲内であるか否かを判定し、判定結果を自動調整制御部１３１Ａへ出力する。

ステップＳ１２０９において、位相差変動幅が所定範囲内であった場合、自動調整制御部１３１Ａは、外乱変動が応答信号ｂ２に与える影響は小さいとして、外乱変動判定は終了する。

位相差変動幅の所定範囲について説明する。

ループゲイン調整の繰り返しによりループゲインがある程度収束した後でも、一回のループゲイン調整結果のみをみると、外乱の影響によるばらつきが見られる。このばらつきの範囲と位相差変動幅には相関があり、位相差変動幅の所定範囲は実験やシミュレーション等により得ることができる。

外乱変動が応答信号ｂ２に与える影響は、一回のループゲイン調整結果のばらつきが、求められる使用、性能に対して許容範囲内である場合に小さいと言える。したがって位相差変動幅の所定範囲は、このばらつきの許容範囲に対応した範囲に決められる。相差変動幅の所定範囲は、実験やシミュレーション等により適切な値が決められて、予め位相差変動判定部１３８に設定されていても良い。

ステップＳ１２０９において、位相差変動幅が所定範囲外である場合、自動調整制御部１３１Ａは、外乱変動が応答信号ｂ２に与える影響は大きいとして、ステップＳ１２１０へ進む。ステップＳ１２１０において、自動調整制御部１３１Ａは、基準信号生成部１３２Ａへ、基準信号ｂ１の周波数を変更させる信号を出力する。また自動調整制御部１３１Ａは、変更された基準信号ｂ１の周波数に対応するよう、ＢＰＦ１３５Ａの設定（中心周波数）とループゲイン調整における目標位相差を変更し、保存した位相差データｂ３をクリアする。そしてステップＳ１２０１へ戻り、ステップＳ１２０１からの処理を繰り返す。

以上が本実施形態における外乱変動判定動作である。

このように本実施形態では、ループゲイン自動調整の前に、基準信号ｂ１と応答信号ｂ２の位相差測定を連続して繰り返し行い、測定間の位相差変動幅が大きい場合は基準信号ｂ１の周波数を変更する。本実施形態では、この動作により、ループゲイン自動調整において、ゲイン調整精度を悪化させる外乱変動が少ない周波数に基準集信号ｂ１の周波数を設定することができ、より精度の良いループゲイン調整結果を得ることができる。

尚本発明に適用可能な、外乱変動の影響をさらに低減する手法は、本実施形態で説明したように、大きな外乱変動が存在する周波数を回避するという手法に限定されない。例えば、閉ループ回路において飽和や非線形性といった問題がないならば、供給する基準信号ｂ１の振幅を大きくすることによって、応答信号ｂ２における信号／雑音比（Ｓ／Ｎ比）を改善するという手法でも良い。

（第三の実施形態）
以下に図面を参照して本発明の第三の実施形態について説明する。本発明の第三の実施形態では、振幅変動幅を算出して外乱変動判定動作を行う点が第二の実施形態と異なる。よって以下の第三の実施形態の説明では、第二の実施形態との相違点についてのみ説明し、第二の実施形態と同様の機能構成を有するものには第二の実施形態の説明で用いた符号と同様の符号を付与し、その説明を省略する。

図１３は、第三の実施形態のゲイン調整装置１００Ｂの構成を説明する図である。本実施形態のゲイン調整装置１００Ｂは、ループゲイン自動調整部１３０Ｂを有する。

本実施形態のループゲイン自動調整部１３０Ｂは、第二の実施形態で説明したループゲイン自動調整部１３０Ａの位相変動判定部１３８の代わりに、振幅変動判定部１３９を有する。

振幅変動判定部１３９は、外乱変動判定動作において応答信号ｂ２について、ゼロクロス点を検出し、連続する２つのゼロクロス点間を１区間として、区間毎に、応答信号ｂ２の振幅が正の区間では最大値を、負の区間では最小値を測定する（図１４参照）。そして測定した振幅の最大値の絶対値と最小値の絶対値とを記憶する。そして振幅変動判定部１３９は、所定回数の振幅測定が終了した後、記憶した絶対値について、最大値と最小値との差である振幅変動幅を算出し、振幅変動幅が所定範囲内であるか否かを判定し、判定結果を自動調整制御部１３１Ａへ出力する。

本実施形態では、この振幅変動幅が所定範囲内であるとき、外乱変動が所定範囲内であると判定し、振幅変動幅が所定範囲外であるとき、外乱変動が所定範囲外であると判定する。すなわち本実施形態では、振幅変動判定部１３９が外乱変動判定手段の役割を果たす。

図１４は、振幅変動判定部１３９による振幅変動の測定を説明する図である。図１４では、振幅の最大値又は最小値をａｍｐｌ（ｎ）とし、振幅の最小値の絶対値又は最大値の絶対値を（｜ａｍｐｌ（ｎ）｜）として示している。

ここで、外乱変動と応答信号ｂ２の振幅変動について、図１５を用いて説明する。図１５は、連続して基準信号ｂ１を供給したときの応答信号ｂ２の波形を示す図である。ただし、応答信号ｂ２には、ＢＰＦ１３５Ａによって十分に減衰できない変動外乱が含まれており、基準信号周波数ｆｓｉｎ＝３２．５５［Ｈｚ］、外乱変動周波数ｆｎ＝３０［Ｈｚ]の正弦波とする。図１５に示す太実線は、応答信号ｂ２に含まれる外乱変動の振幅が、基準信号ｂ１の応答の振幅に対して３０％の場合の応答信号ｂ２の波形を示す。図１５に示す細実線は、応答信号ｂ２に含まれる外乱変動の振幅が、基準信号ｂ１の応答の振幅に対して１０％の場合の応答信号ｂ２の波形を示す。

図１５によれば、基準信号ｂ１の応答に対して外乱変動が大きいほど、応答信号ｂ２の振幅変動が大きいことがわかる。また、応答波形ｂ２の振幅変動が大きいならば、ループゲイン調整において測定する位相差の変動も大きいと言える。

以下に、図１６を参照して本実施形態の外乱変動判定動作について説明する。図１６は、第三の実施形態における外乱変動判定動作を説明するフローチャートである。

ループゲイン自動調整部１３０Ｂにおいて外乱変動判定動作が開始されると、ステップＳ１６０１へ進む。ステップＳ１６０１において、基準信号生成部１３２Ａと加算部１３３は、ＢＰＦ１３５Ａが整定するまで待つため、所定周期分の基準信号ｂ１を閉ループ回路に供給する。

ステップＳ１６０１に続いてステップＳ１６０２へ進み、振幅測定カウントをｎとして、ｎを初期化する。ステップＳ１６０２に続いてステップＳ１６０３へ進み、基準信号生成部１３２Ａは、所定周期分の基準信号ｂ１の供給を開始する。尚図１６では、基準信号ｂ１の所定周期をＮｃｈｎとして示す。

ステップＳ１６０３に続いてステップＳ１６０４へ進み、振幅変動判定部１３９は、応答信号ｂ２について１区間分毎の振幅の最大値もしくは最小値を測定する。ステップＳ１６０４において振幅の測定が完了すると、ステップＳ１６０５へ進み、振幅変動判定部１３９は、測定結果の絶対値（｜ａｍｐｌ（ｎ）｜）を記憶する。

ステップＳ１６０５に続いてステップＳ１６０６へ進み、振幅測定カウントを１つ進めて（ｎ＝ｎ＋１）、ステップＳ１６０７へ進む。ステップＳ１６０７において、振幅変動判定部１３９は、振幅測定が所定回数（２×Ｎｃｈｎ回）実行されたか否か判定する。

ステップＳ１６０７において、振幅測定が所定回数実行されていない場合、ステップＳ１６０４へ戻り、ステップＳ１６０４以降の処理を繰り返す。

ステップＳ１６０７において、振幅測定が所定回数実行されていた場合、ステップＳ１６０８へ進む。ステップＳ１６０８において、振幅変動判定部１３９は、ステップＳ１６０５において記憶しておいた各区間の振幅測定結果の最大値と最小値との差である振幅変動幅を算出し、振幅変動幅が所定範囲内か否かを判定する。そして振幅変動判定部１３９は、判定結果を自動調整制御部１３１Ａへ出力する。

振幅変動幅の所定範囲は、上記した位相差変動幅の所定範囲と同様にして決められる。すなわち一回のループゲイン調整結果のばらつきに対応した範囲に決められる。振幅変動幅の所定範囲は、実験やシミュレーション等により適切な値が決められて、予め振幅変動判定部１３９に設定されていても良い。

ステップＳ１６０８において、振幅変動幅が所定範囲内である場合、自動調整制御部１３１Ａは、外乱変動が応答信号ｂ２に与える影響は小さいとして、外乱変動判定動作を終了する。

ステップＳ１６０８において、振幅変動幅が所定範囲外である場合、自動調整制御部１３１Ａは、外乱変動が応答信号ｂ２に与える影響は大きいとして、ステップＳ１６０９へ進む。ステップＳ１６０９において、自動調整制御部１３１Ａは、基準信号生成部１３２Ａへ、基準信号ｂ１の周波数を変更させる信号を出力する。また自動調整制御部１３１Ａは、変更された基準信号ｂ１の周波数に対応するよう、ＢＰＦ１３５Ａの設定（中心周波数）とループゲイン調整における目標位相差を変更し、保存した位相差データｂ３をクリアする。そしてステップＳ１６０１へ戻り、ステップＳ１６０１からの処理を繰り返す。

以上が本実施形態の外乱変動判定動作である。尚本実施形態の外乱変動判定動作も、第二の実施形態と同様に、ループゲイン自動調整を実行する前に実行される。

このように、本実施形態では、ループゲイン自動調整を実行する前に、応答信号ｂ２の振幅測定を繰り返し行い、周期毎の振幅変動幅が大きい場合は、基準信号ｂ１の周波数を変更する。本実施形態では、この動作により、ループゲイン自動調整において、ゲイン調整精度を悪化させる外乱変動が少ない周波数に基準信号ｂ１の周波数を設定し、精度の良いループゲイン調整結果を得ることができる。

以上、各実施形態に基づき本発明の説明を行ってきたが、上記実施形態に示した要件に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の主旨をそこなわない範囲で変更することができ、その応用形態に応じて適切に定めることができる。

第一の実施形態のゲイン調整装置１００の構成を説明する図である。 サーボ演算部１２０の構成を示す図である。 位相差測定部１３６による位相差測定を説明する図である。 ループゲイン自動調整部１３０の動作を説明する第一のフローチャートである。 ループゲイン自動調整部１３０の動作を説明する第二のフローチャートである。 第一の実施形態における閉ループ回路の周波数特性と目標位相差を示す図である。 基準信号ｂ１と応答信号ｂ２の波形を示した図である。 図７の波形において、図３に示す位相差を測定した結果を示す図である。 外乱変動が実際にループゲイン自動調整に与える影響について説明する図である。 第二の実施形態のゲイン調整装置１００Ａの構成を説明する図である。 連続して基準信号を供給し、１周期毎に位相差を測定したときの結果を示す図である。 第二の実施形態における外乱変動判定動作を説明するフローチャートである。 第三の実施形態のゲイン調整装置１００Ｂの構成を説明する図である。 振幅変動判定部１３９による振幅変動の測定を説明する図である。 連続して基準信号ｂ１を供給したときの応答信号ｂ２の波形を示す図である。 第三の実施形態における外乱変動判定動作を説明するフローチャートである。

符号の説明

１００、１００Ａ、１００Ｂ ゲイン調整装置
１１０ 速度誤差検出部
１２０ サーボ演算部
１３０、１３０Ａ、１３０Ｂ ループゲイン自動調整部
１３１、１３１Ａ 自動調整制御部
１３２、１３２Ａ 基準信号生成部
１３３ 加算部
１３４ 補正ゲイン
１３５、１３５Ａ ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）
１３６ 位相差測定部
１３７、１３７Ａ ゲイン変更部
１３８ 位相差変動判定部
１３９ 振幅変動判定部

Claims (6)

1. 閉ループ回路に供給される所定の周波数の基準信号と、前記基準信号を入力した位置から前記閉ループ回路を一巡した位置で抽出される応答信号との位相差を測定し、前記位相差を所定の目標値へ近づけるように前記閉ループ回路のループゲインを調整するゲイン調整装置であって、
   前記ループゲインを調整する毎に、位相差を所定の目標値に近づけるループゲインの値を算出する算出手段と、
   前記閉ループ回路のループゲインの値を変更する変更手段と、を有し、
   前記変更手段は、
   前記ループゲインの調整が複数回実行された後に、前記閉ループ回路のループゲインの値を、前記ループゲインを調整する毎に前記算出手段により算出されるループゲインの値の平均値に変更し、
   前記複数回のループゲインの調整において、前記平均値を求めるために用いられる前記ループゲインの値の数は、
   前記基準信号の周波数を、前記基準信号の周波数と前記応答信号に含まれる外乱変動の周波数との差の絶対値で除した値であるゲイン調整装置。
2. 複数周期供給された前記基準信号と、各周期毎の抽出された前記応答信号と、に基づき、前記応答信号に含まれる外乱変動の大きさが所定範囲内であるか否かを判定する外乱変動判定手段を有し、
   前記基準信号生成手段は、前記外乱変動が所定範囲内でないと判定された場合に、前記基準信号の周波数を変更する請求項１記載のゲイン調整装置。
3. 前記外乱変動判定手段は、
   各周期毎の前記基準信号と前記応答信号との位相差の最大値と最小値との差である位相差変動幅が所定範囲内でないとき、前記外乱変動の大きさが所定範囲内でないと判定する請求項２記載のゲイン調整装置。
4. 前記外乱変動判定手段は、
   各周期毎の抽出された前記応答信号の振幅の最大値と最小値との差である振幅変動幅が所定範囲内にないとき、前記外乱変動の大きさが所定範囲内でないと判定する請求項２記載のゲイン調整装置。
5. 閉ループ回路に供給される所定の周波数の基準信号と、前記基準信号を入力した位置から前記閉ループ回路を一巡した位置で抽出される応答信号との位相差を測定し、前記位相差を所定の目標値へ近づけるように前記閉ループ回路のループゲインを調整するゲイン調整装置によるゲイン調整方法であって、
   前記ループゲインを調整する毎に、位相差を所定の目標値に近づけるループゲインの値を算出する算出手順と、
   前記閉ループ回路のループゲインの値を変更する変更手順と、を有し、
   前記変更手順は、
   前記ループゲインの調整が複数回実行された後に、前記閉ループ回路のループゲインの値を、前記ループゲインを調整する毎に前記算出手順により算出されるループゲインの値の平均値に変更し、
   前記複数回のループゲインの調整において、前記平均値を求めるために用いられる前記ループゲインの値の数は、
   前記基準信号の周波数を、前記基準信号の周波数と前記応答信号に含まれる外乱変動の周波数との差の絶対値で除した値であるゲイン調整方法。
6. 閉ループ回路に供給される所定の周波数の基準信号と、前記基準信号を入力した位置から前記閉ループ回路を一巡した位置で抽出される応答信号との位相差を測定し、前記位相差を所定の目標値へ近づけるように前記閉ループ回路のループゲインを調整するゲイン調整装置において実行されるゲイン調整プログラムであって、
   前記ゲイン調整装置に、
   前記ループゲインを調整する毎に、位相差を所定の目標値に近づけるループゲインの値を算出する算出ステップと、
   前記閉ループ回路のループゲインの値を変更する変更ステップと、を実行させ、
   前記変更ステップは、
   前記ループゲインの調整が複数回実行された後に、前記閉ループ回路のループゲインの値を、前記ループゲインを調整する毎に前記算出ステップにより算出されるループゲインの値の平均値に変更し、
   前記複数回のループゲインの調整において、前記平均値を求めるために用いられる前記ループゲインの値の数は、
   前記基準信号の周波数を、前記基準信号の周波数と前記応答信号に含まれる外乱変動の周波数との差の絶対値で除した値であるゲイン調整プログラム。

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