JP7007318B2 - 周波数特性測定装置、制御装置、及び周波数特性測定方法 - Google Patents

周波数特性測定装置、制御装置、及び周波数特性測定方法 Download PDF

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Description

本発明は、周波数特性測定装置、制御装置、及び周波数特性測定方法に関する。
従来、被加工物を加工する工作機械を、数値で制御する数値制御装置が知られている。工作機械は、例えば、被加工物に対して旋削、平削り、穴あけ、フライス削り、研削等を行うものであり、モータが内蔵されていることが多い。
モータを使用した工作機械では、動作特性の劣化原因となる機械振動の解析、制御の応答性、安定性の解析を目的として、負荷を接続したモータの周波数特性（周波数応答）を測定することが行われる。モータの周波数特性を測定する場合は、負荷が接続されたモータの数値制御装置に、例えば正弦波の速度指令を、周波数を徐々に上昇させながら入力すること（「正弦波掃引」ともいう）が行われる。そうすることで、モータの速度検出器から得られたモータ速度を速度指令と比較して、振幅比と位相差を解析し、解析結果をボード線図として表示することが行われている。
しかしながら、数値制御装置の速度ループに正弦波の速度指令を、周波数を徐々に上昇させながら入力することで得られる入力と出力の関係から速度ループの周波数特性を算出する場合、測定帯域において周波数を徐々に上昇させながら測定する必要があるため、測定時間が長いという問題があった。
他方、被測定システムに対して信号源から複数の周波数の正弦波からなるマルチサイン波等の広帯域信号を発生させて高速フーリエ変換回路で伝達関数を求め、この伝達関数の変化が大きいところでは高分解能で、変化の少ないところでは低分解能で測定するように、正弦波掃引測定の周波数測定ポイントを決定し、これに従って正弦波掃引による測定を実行することで、測定時間を短縮させる技術が、特許文献１に開示されている。
より具体的には、マルチサイン波を利用して、所定の範囲の周波数範囲内に粗い掃引を行い、それに基づいて、重点的に探索すべき周波数領域を洗い出し、当該周波数領域において伝達特性の変化が大きい領域では、高分解能の正弦波、それ以外の領域では低分解能の正弦波で掃引することが開示されている。
しかしながら、伝達特性の変化が大きい領域であっても当該測定周波数の帯域によっては、サンプリング周波数Ｆｓが十分でなく、ナイキスト周波数Ｆｎ（サンプリング周波数Ｆｓの１／２の周波数）よりも大きな周波数信号を測定した場合、エイリアシングが生じて、信号波形が元の信号とまったく異なるものになることがある。このため、測定器に入力する信号をフィルタにより、伝達特性の変化が大きい領域であってもナイキスト周波数ｆｎまで制限する必要が生じる。
他方、特許文献２には、入力信号の周波数が、例えばナイキスト周波数Ｆｎよりも低い場合は、初期位相の正弦波信号をシフトせずに１回だけ制御ループに入力して周波数特性を算出し、入力信号の周波数が、例えばナイキスト周波数Ｆｎよりも高い場合に、初期位相から一定量だけシフトした正弦波信号をｋ回制御ループに入力して周波数特性を算出することが開示されている。
しかしながら、特許文献２に記載の測定方法では、従来技術と同様に、測定帯域において周波数を徐々に上昇させながら測定する必要があるため、依然として測定時間が長くなるという問題が存在する。
特開平８－９４６９０号公報 特開２０１５－１５８７３４号公報
正弦波信号を被測定対象に供給し、前記被測定対象の周波数特性を測定する周波数特性測定装置において、前記被測定対象に対する制御信号（入力信号）の周波数特性（周波数応答）を測定する場合に、高い測定精度を提供するとともに、測定時間を短縮することが望まれている。
（１） 本開示の周波数特性測定装置の一態様は、正弦波信号を被測定対象に供給し、前記被測定対象の周波数特性を測定する周波数特性測定装置であって、複数の周波数の正弦波からなるマルチサイン信号を生成するマルチサイン信号生成部と、周波数を上昇させながら掃引正弦波を生成する掃引正弦波生成部であって、所定の位相を初期位相とする掃引正弦波と、前記初期位相を一定量だけシフトした掃引正弦波と、からなる複数の掃引正弦波を生成する掃引正弦波生成部と、前記マルチサイン信号生成部により生成される前記マルチサイン信号、又は前記掃引正弦波生成部により生成される前記複数の掃引正弦波のいずれかを選択して、前記被測定対象に入力する入力信号切替部と、前記制御ループに入力された入力信号のサンプリングデータと、前記被測定対象から出力される出力信号のサンプリングデータと、を所定のサンプリング周波数で取得するデータ取得部と、前記データ取得部により取得された入力信号のサンプリングデータと出力信号のサンプリングデータとから、前記被測定対象における入出力信号の利得と位相を含む周波数特性を算出する特性計算部と、を備える。
（２） また、本開示の周波数特性測定装置の一態様は、（１）の周波数特性測定装置であって、サンプリング周波数からナイキスト周波数を算出するナイキスト周波数算出部と、前記特性計算部により周波数特性を算出する前記被測定対象における周波数帯域の下限周波数と上限周波数とを取得する周波数帯域取得部と、を備え、前記入力信号切替部は、前記ナイキスト周波数が前記上限周波数以上の場合、前記マルチサイン信号生成部により生成される前記下限周波数から前記上限周波数までの複数の周波数の正弦波からなるマルチサイン信号を前記被測定対象に入力し、前記ナイキスト周波数が前記下限周波数以下の場合、前記掃引正弦波生成部により生成される、所定の位相を初期位相として前記下限周波数から前記上限周波数まで上昇させながら生成される掃引正弦波と、前記初期位相を一定量だけシフトした掃引正弦波とからなる複数の掃引正弦波を前記被測定対象に入力し、前記ナイキスト周波数が、前記下限周波数より大きく、前記上限周波数未満の場合、前記マルチサイン信号生成部により生成される前記下限周波数から前記ナイキスト周波数までの複数の周波数の正弦波からなるマルチサイン信号を前記被測定対象に入力し、前記掃引正弦波生成部により生成される、所定の位相を初期位相として前記ナイキスト周波数から前記上限周波数まで上昇させながら生成される掃引正弦波と、前記初期位相を一定量だけシフトした掃引正弦波と、からなる複数の掃引正弦波を前記被測定対象に入力する制御装置に関する。
（３） また、本開示の制御装置の一態様は、前記被測定対象が前記制御装置における、少なくとも１つの制御対象を制御する制御ループであって、（１）又は（２）の周波数特性測定装置を備える。
（４） また、本開示の周波数特性測定方法の一態様は、正弦波信号を被測定対象に供給し、前記被測定対象の周波数特性を測定する周波数特性測定方法であって、コンピュータにより、複数の周波数の正弦波からなるマルチサイン信号を生成するマルチサイン信号生成ステップと、周波数を上昇させながら掃引正弦波を生成する掃引正弦波生成部であって、所定の位相を初期位相とする掃引正弦波と、前記初期位相を一定量だけシフトした掃引正弦波と、からなる複数の掃引正弦波を生成する掃引正弦波生成ステップと、前記マルチサイン信号生成ステップにおいて生成される前記マルチサイン信号、又は前記掃引正弦波生成ステップにおいて生成される前記複数の掃引正弦波のいずれかを選択して、前記被測定対象に入力する入力信号切替ステップと、前記被測定対象に入力された入力信号のサンプリングデータと、前記被測定対象から出力される出力信号のサンプリングデータと、を所定のサンプリング周波数で取得するデータ取得ステップと、前記データ取得ステップにおいて取得された入力信号のサンプリングデータと出力信号のサンプリングデータとから、前記被測定対象における入出力信号の利得と位相を含む周波数特性を算出する特性計算ステップと、を備える
一態様によれば、被測定対象の周波数特性を測定する周波数特性測定装置であって、被測定対象に対する制御信号（入力信号）の周波数特性（周波数応答）を測定する場合に、測定する周波数帯域の値に関わらず、高い測定精度を提供するとともに、測定時間を短縮することができる。
一実施形態に係る制御装置の構成の一例を示す図である。 一実施形態に係る制御装置の構成の一例を示す図である。 図１Ａ及び図１Ｂに示す周波数生成部の機能的構成例を示す機能ブロック図である。 入力信号と出力信号との振幅比と、位相遅れとの周波数特性の一例を示す図である。 図１Ａ及び図１Ｂに示す周波数特性算出部の機能的構成例を示す機能ブロック図である。 周波数特性測定部の測定動作を説明するフローチャートである。 周波数特性測定部の測定動作を説明するフローチャートである。 周波数特性測定部の測定動作を説明するフローチャートである。 一実施形態に係る制御装置の構成の一例を示す図である。
以下、一実施形態について図面を用いて説明する。本実施形態では、被測定対象として、制御装置において負荷を接続したモータを例として、制御信号（速度指令）の周波数特性（周波数応答）を測定する場合を例示して説明する。周波数特性測定装置の周波数測定対象はこれに限られない。任意の制御対象を被測定対象として、入力信号の周波数特性（周波数応答）を測定することができる。
＜実施形態の構成＞
図１Ａ及び図１Ｂは、本実施形態に係る制御装置の構成の一例を示す図である。
制御装置１０の制御対象は、例えば、工作機械、ロボット、産業機械である。制御装置１０は、工作機械、ロボット、産業機械等の制御対象の一部として設けられてもよい。
図１Ａを参照すると、制御装置１０は、サーボ制御装置となるサーボ制御部１００と、周波数特性測定装置としての周波数特性測定部２００と、を備えている。
サーボ制御部１００は、減算器１１０、速度制御部１２０、電流制御部１４０、及び制御対象としてのサーボモータ１５０を備えている。
減算器１１０、速度制御部１２０、電流制御部１４０、及びサーボモータ１５０は、制御ループとしての速度フィードバックループを構成する。モータとなるサーボモータ１５０は、以下の説明では回転運動をするモータとして説明するが、直線運動をするリニアモータであってもよい。
減算器１１０は、入力された速度指令と速度フィードバックされた検出速度との差を求め、その差を速度偏差として速度制御部１２０に出力する。
速度制御部１２０は、速度偏差に積分ゲインＫ１ｖを乗じて積分した値と、速度偏差に比例ゲインＫ２ｖを乗じた値とを加算して、トルク指令として電流制御部１４０に出力する。
電流制御部１４０はトルク指令に基づいてサーボモータ１５０を駆動するための電流指令を生成し、その電流指令をサーボモータ１５０に出力する。
サーボモータ１５０の回転角度位置は、サーボモータ１５０に設けられたロータリーエンコーダ（図示せず）によって検出され、速度検出値は速度フィードバックとして減算器１１０に入力される。
なお、図１Ｂに示すように、速度制御部１２０と電流制御部１４０の間にフィルタ１３０を設けてもよい。そうすることで、周波数特性のゲイン特性に極大点（共振点）がある場合に、その周波数に応じてフィルタ１３０の伝達関数のパラメータを調整することができる。
＜周波数特性測定部２００＞
周波数特性測定装置としての周波数特性測定部２００は、周波数生成部２１０と、周波数特性算出部２５０と、を備える。具体的には、周波数特性測定部２００は、周波数生成部２１０により生成された、入力信号となる速度指令と、例えばロータリーエンコーダ（図示せず）から出力された出力信号となる検出速度とを用いて、周波数特性算出部２５０により、速度指令により規定される周波数ごとに、入力信号と出力信号との振幅比（入出力ゲイン）と、位相遅れと、を求める。
＜周波数生成部２１０＞
図２は、周波数生成部２１０の機能的構成例を示す機能ブロック図である。図２に示すように、周波数生成部２１０は、ナイキスト周波数算出部２１１と、周波数帯域取得部２１２と、マルチサイン信号生成部２１３と、掃引正弦波生成部２１４と、入力信号切替部２１５と、を備えている。
＜ナイキスト周波数算出部２１１＞
ナイキスト周波数算出部２１１は、周波数特性測定部２００において、入力信号及び出力信号を標本化（サンプリング）するためのサンプリング周波数Ｆｓを取得し、ナイキスト周波数Ｆｎを算出する。ここで、ナイキスト周波数Ｆｎは、サンプリング周波数Ｆｓの１／２の周波数である。
サンプリング周波数Ｆｓが十分でなく、例えばナイキスト周波数Ｆｎよりも大きい周波数の信号を標本化した場合、標本点が十分に波形を追い切れず、標本点を連ねた曲線が元の信号波形とは全く異なるものとなる、エイリアシング現象が発生する。
このため、後述するように、周波数生成部２１０は、サンプリング周波数Ｆｓに応じて、発信信号を切り替えるように構成される。
＜周波数帯域取得部２１２＞
周波数帯域取得部２１２は、速度指令により規定される周波数ごとの周波数特性を算出するために、周波数特性測定部２００を使用する者が予め指定した、測定対象となる周波数範囲（周波数帯域）の下限周波数Ｆｍｉｎと上限周波数Ｆｍａｘの設定値を取得する。
＜マルチサイン信号生成部２１３＞
マルチサイン信号生成部２１３は、所定の周波数範囲に含まれる複数の周波数の正弦波からなるマルチサイン信号を生成する。例えば、マルチサイン信号生成部２１３は、出力信号の振幅が同一で、周波数が互いに異なる正弦波発生器を備え、複数の正弦波発生器の出力周波数を合成するように構成してもよい。なお、マルチサイン波は、正弦波をすべての分解能点に等しい多重正弦波とすることが好ましい。
＜掃引正弦波生成部２１４＞
掃引正弦波生成部２１４は、周波数を上昇させながら所定の周波数範囲に含まれる掃引正弦波を生成する。
具体的には、掃引正弦波生成部２１４は、所定の位相を初期位相とする掃引正弦波と、当該初期位相を一定量だけシフトした掃引正弦波と、からなる複数の掃引正弦波を生成することができる。
掃引正弦波生成部２１４は、さらに初期位相を２π／ｎずつシフトしたｎ個の掃引正弦波を生成するようにしてもよい。
また、掃引正弦波生成部２１４は、初期位相を２π／３シフトした掃引正弦波と、初期位相を－２π／３シフトした掃引正弦波と、を生成するようにしてもよい。
入力信号にナイキスト周波数Ｆｎ以上の周波数成分が含まれる場合、１周期あたり２点以上のサンプリングすることができない。このような場合、掃引正弦波生成部２１４により生成される初期位相から一定量だけシフトした正弦波信号を複数回（ｎ回：ｎ≧２）速度フィードバックループに入力することで、１周期あたり少なくともｎ点サンプリングすることができるようになる。なお、ｎは３以上であることが好ましい。
＜入力信号切替部２１５＞
入力信号切替部２１５は、マルチサイン信号生成部２１３により生成されるマルチサイン信号、又は掃引正弦波生成部２１４により生成される複数の掃引正弦波のいずれかを選択して、サーボモータの速度フィードバックループに入力する。
入力信号切替部２１５は、ナイキスト周波数Ｆｎが上限周波数Ｆｍａｘ以上の場合、マルチサイン信号生成部２１３により生成される下限周波数Ｆｍｉｎから上限周波数Ｆｍａｘまでの複数の周波数の正弦波からなるマルチサイン信号を速度フィードバックループに入力する。
入力信号切替部２１５は、ナイキスト周波数Ｆｎが下限周波数Ｆｍｉｎ以下の場合、掃引正弦波生成部２１４により生成される、所定の位相を初期位相として下限周波数Ｆｍｉｎから上限周波数Ｆｍａｘまで上昇させながら生成される掃引正弦波と、当該初期位相を一定量だけシフトした掃引正弦波とからなる複数の掃引正弦波を速度フィードバックループに入力する。
入力信号切替部２１５は、ナイキスト周波数Ｆｎが下限周波数Ｆｍｉｎより大きく、かつ上限周波数Ｆｍａｘ未満の場合、マルチサイン信号生成部２１３により生成される下限周波数Ｆｍｉｎからナイキスト周波数Ｆｎまでの複数の周波数の正弦波からなるマルチサイン信号を速度フィードバックループに入力する。次に、入力信号切替部２１５は、掃引正弦波生成部２１４により生成される、所定の位相を初期位相としてナイキスト周波数Ｆｎから上限周波数Ｆｍａｘまで上昇させながら生成される掃引正弦波と、当該初期位相を一定量だけシフトした掃引正弦波と、からなる複数の掃引正弦波を速度フィードバックループに入力する。
このように、周波数特性の測定時に、例えば、低周波数帯域では短時間で周波数特性を測定可能とするマルチサイン信号入力と、例えば高周波数帯域では、複数回掃引正弦波入力と、を併用することにより、測定時間の短縮及び高精度の測定が可能となる。
以上、サーボ制御部１００の速度フィードバックループに入力する速度指令としての入力信号について説明した。
＜周波数特性算出部２５０＞
周波数特性算出部２５０は、周波数生成部２１０で生成された、入力信号となる速度指令と、例えばロータリーエンコーダ（図示せず）から出力される出力信号となる検出速度とを用いて、速度指令により規定される周波数ごとに、入力信号と出力信号との振幅比（入出力ゲイン）と、位相遅れと、を求める。
図３は入力信号と出力信号との振幅比と、位相遅れとの周波数特性を示すボード線図である。
周波数特性算出部２５０は、図３に示すような、入出力ゲイン（振幅比）と位相遅れについての周波数特性を算出する。具体的には、周波数特性算出部２５０は、周波数特性測定部２００を使用する者が予め指定した、測定対象となる周波数範囲（下限周波数Ｆｍｉｎと上限周波数Ｆｍａｘとする周波数帯域）における、入出力ゲイン（振幅比）と位相遅れについての周波数特性を算出する。この際、周波数特性算出部２５０は、算出した周波数特性を表示器（図示せず）に表示するようにしてもよい。
図４は、周波数特性算出部２５０の機能的構成例を示す機能ブロック図である。図４に示すように、周波数特性算出部２５０は、データ取得部２５１と、特性計算部２５２と、特性表示部２５３と、を備えている。
＜データ取得部２５１＞
データ取得部２５１は、図１に示すように、速度フィードバックループに入力された入力信号のサンプリングデータと、速度フィードバックループから出力される出力信号のサンプリングデータと、をサンプリング周波数Ｆｓで取得する。
＜特性計算部２５２＞
特性計算部２５２は、データ取得部２５１により取得された入力信号のサンプリングデータと出力信号のサンプリングデータとから、速度フィードバックループ入出力信号の利得と位相を含む周波数特性を算出する。
具体的には、特性計算部２５２は、測定対象となる周波数がナイキスト周波数Ｆｎ以下の場合、入力信号がマルチサイン信号となることに対応して、公知のマルチサイン法により、速度フィードバックループ入出力信号の利得と位相を含む周波数特性を算出する。
また、特性計算部２５２は、測定対象となる周波数がナイキスト周波数Ｆｎ以上の場合、入力信号が複数の掃引正弦波となることに対応して、公知のスイープサイン法により、速度フィードバックループ入出力信号の利得と位相を含む周波数特性を算出する。
具体的には、ナイキスト周波数Ｆｎが上限周波数Ｆｍａｘ以上の場合、特性計算部２５２は、マルチサイン信号生成部２１３により生成される下限周波数Ｆｍｉｎから上限周波数Ｆｍａｘまでの複数の周波数の正弦波からなるマルチサイン信号を速度フィードバックループに入力し、これに対する出力信号を例えばデータ格納部（図示せず）に格納し、そのデータをフーリエ変換処理することで、出力信号の周波数特性を算出するようにしてもよい。
また、ナイキスト周波数Ｆｎが下限周波数Ｆｍｉｎ以下の場合、特性計算部２５２は、掃引正弦波生成部２１４により生成される、複数の掃引正弦波を速度フィードバックループに入力し、この出力信号を入力信号と比較することにより、利得と位相を含む周波数特性を算出するようにしてもよい。
また、ナイキスト周波数Ｆｎが下限周波数Ｆｍｉｎより大きく、かつ上限周波数Ｆｍａｘより小さい場合、特性計算部２５２は、マルチサイン信号生成部２１３により生成される下限周波数Ｆｍｉｎからナイキスト周波数Ｆｎまでの複数の周波数の正弦波からなるマルチサイン信号を速度フィードバックループに入力し、これに対する出力信号を例えばデータ格納部（図示せず）に格納し、そのデータをフーリエ変換処理することで、出力信号の周波数特性を算出するようにしてもよい。次に、特性計算部２５２は、掃引正弦波生成部２１４により生成される、ナイキスト周波数Ｆｎから上限周波数Ｆｍａｘまで上昇させながら生成される掃引正弦波と、当該初期位相を一定量だけシフトした掃引正弦波とからなる複数の掃引正弦波を速度フィードバックループに入力し、この出力信号を入力信号と比較することにより、利得と位相を含む周波数特性を算出するようにしてもよい。特性計算部２５２は、両者を合併して、測定対象となる周波数範囲の周波数特性を算出するようにしてもよい。
＜特性表示部２５３＞
特性表示部２５３は、特性計算部２５２により算出した速度フィードバックループ入出力信号の利得と位相を含む周波数特性を表示器（図示せず）に、例えば、ボード線図等の形式で表示する。
以上、負荷を接続したモータの周波数特性（周波数応答）を測定する場合を例として、速度指令により規定される周波数ごとの周波数特性を算出するために、予め指定された測定対象の周波数範囲（周波数帯域）とナイキスト周波数Ｆｎとを比較することで、測定対象の周波数がナイキスト周波数Ｆｎ以下の帯域ではマルチサイン法を適用し、測定対象の周波数がナイキスト周波数Ｆｎ以上の帯域ではスイープサイン法を適用する、本実施形態に係る制御装置１０の機能構成について説明した。
次に、本実施形態に係る周波数特性測定部２００が、負荷を接続したモータの周波数特性（周波数応答）を測定する動作について説明する。図５Ａから図５Ｃは、負荷を接続したモータの周波数特性（周波数応答）を測定する動作を説明するフローチャートである。
図５Ａを参照すると、ステップＳ１０において、周波数特性測定部２００は、入力信号及び出力信号を標本化（サンプリング）するためのサンプリング周波数Ｆｓに基づいて、ナイキスト周波数Ｆｎを算出する。
ステップＳ１１において、周波数特性測定部２００は、測定対象となる周波数範囲（周波数帯域）の下限周波数Ｆｍｉｎと上限周波数Ｆｍａｘの設定値を取得する。
ステップＳ１２において、周波数特性測定部２００は、ステップＳ１において算出したナイキスト周波数Ｆｎと上限周波数Ｆｍａｘと比較する。
具体的には、Ｆｍａｘ≦Ｆｎを満たすか否かを判定する。Ｆｍａｘ≦Ｆｎを満たす場合（Ｙｅｓの場合）、ステップＳ１３に移る。Ｆｎ＜Ｆｍａｘを満たす場合（Ｎｏの場合）、ステップＳ２０に移る。
ステップＳ１３において、周波数特性測定部２００は、（マルチサイン信号生成部２１３により）測定対象範囲に含まれる複数の周波数の正弦波からなるマルチサイン信号を生成し、（入力信号切替部２１５を介して）速度フィードバックループに入力する。
ステップＳ１４において、周波数特性測定部２００（具体的には、データ取得部２５１）は、速度フィードバックループに入力された入力信号のサンプリングデータと、速度フィードバックループから出力される出力信号のサンプリングデータと、をサンプリング周波数Ｆｓで取得する。
ステップＳ１５において、周波数特性測定部２００（具体的には、特性計算部２５２）は、マルチサイン法により、測定対象となる周波数帯域における、速度フィードバックループ入出力信号の利得と位相を含む周波数特性を算出し、表示する。以上で、Ｆｍａｘ≦Ｆｎを満たす場合の周波数特性算出処理を終了する。
次に、図５Ｂを参照すると、ステップＳ２０において、周波数特性測定部２００は、ステップＳ１において算出したナイキスト周波数Ｆｎと下限周波数Ｆｍｉｎと比較する。
具体的には、Ｆｎ≦Ｆｍｉｎを満たすか否かを判定する。Ｆｎ≦Ｆｍｉｎを満たす場合（Ｙｅｓの場合）、ステップＳ２１に移る。Ｆｎ＞Ｆｍｉｎを満たす場合（Ｎｏの場合）、ステップＳ３０に移る。
ステップＳ２１において、周波数特性測定部２００は、（掃引正弦波生成部２１４により）所定の位相を初期位相として下限周波数Ｆｍｉｎから上限周波数Ｆｍａｘまで上昇させながら生成する掃引正弦波と、当該初期位相を一定量だけシフトした掃引正弦波と、からなる複数の掃引正弦波を生成し、（入力信号切替部２１５を介して）速度フィードバックループに入力する。
ステップＳ２２において、周波数特性測定部２００（具体的には、データ取得部２５１）は、速度フィードバックループに入力された入力信号のサンプリングデータと、速度フィードバックループから出力される出力信号のサンプリングデータと、をサンプリング周波数Ｆｓで取得する。
ステップＳ２３において、周波数特性測定部２００（具体的には、特性計算部２５２）は、スイープサイン法により、測定対象となる周波数帯域における、速度フィードバックループ入出力信号の利得と位相を含む周波数特性を算出し、表示する。以上で、Ｆｎ≦Ｆｍｉｎを満たす場合の周波数特性算出処理を終了する。
最後に図５Ｃを参照すると、ステップＳ３０において、周波数特性測定部２００は、（マルチサイン信号生成部２１３により）下限周波数Ｆｍｉｎからナイキスト周波数Ｆｎまでの複数の周波数の正弦波からなるマルチサイン信号を生成し、（入力信号切替部２１５を介して）速度フィードバックループに入力する。
ステップＳ３１において、周波数特性測定部２００（具体的には、データ取得部２５１）は、速度フィードバックループに入力された入力信号のサンプリングデータと、速度フィードバックループから出力される出力信号のサンプリングデータと、をサンプリング周波数Ｆｓで取得する。
ステップＳ３２において、周波数特性測定部２００（具体的には、特性計算部２５２）は、下限周波数Ｆｍｉｎからナイキスト周波数Ｆｎまでの周波数帯域について、マルチサイン法により、速度フィードバックループ入出力信号の利得と位相を含む周波数特性を算出する。
ステップＳ３３において、周波数特性測定部２００は、（具体的には、掃引正弦波生成部２１４により）所定の位相を初期位相としてナイキスト周波数Ｆｎから上限周波数Ｆｍａｘまで上昇させながら生成する掃引正弦波と、当該初期位相を一定量だけシフトした掃引正弦波と、からなる複数の掃引正弦波を生成し、（入力信号切替部２１５を介して）速度フィードバックループに入力する。
ステップＳ３４において、周波数特性測定部２００（具体的には、データ取得部２５１）は、速度フィードバックループに入力された入力信号のサンプリングデータと、速度フィードバックループから出力される出力信号のサンプリングデータと、をサンプリング周波数Ｆｓで取得する。
ステップＳ３５において、周波数特性測定部２００（具体的には、特性計算部２５２）は、ナイキスト周波数Ｆｎから上限周波数Ｆｍａｘまでの周波数帯域について、スイープサイン法により、速度フィードバックループ入出力信号の利得と位相を含む周波数特性を算出する。
ステップＳ３６において、周波数特性測定部２００（具体的には、特性計算部２５２）は、ステップＳ３２において算出した、下限周波数Ｆｍｉｎからナイキスト周波数Ｆｎまでの周波数帯域の周波数特性と、ステップＳ３５において算出した、ナイキスト周波数Ｆｎから上限周波数Ｆｍａｘまでの周波数帯域の周波数特性と、を合併して、測定対象となる周波数範囲の周波数特性を算出して表示する。以上で、Ｆｍｉｎ＜Ｆｎ＜Ｆｍａｘを満たす場合の周波数特性算出処理を終了する。
本実施形態にかかる周波数特性測定部２００は、低周波数帯域（具体的には、ナイキスト周波数以下の帯域）における周波数特性の測定に際しては、短時間で測定可能なマルチサイン信号を入力する方式をとり、高周波数帯域（具体的には、ナイキスト周波数以上の帯域）における周波数特性の測定に際しては、複数の掃引正弦波を入力する方式をとる。
これにより、測定する周波数帯域の値に関わらず、高い測定精度を提供するとともに、測定時間を短縮することができる。
上記の制御装置に含まれる各構成部は、（電子回路等を含む）ハードウェア、ソフトウェア又はこれらの組み合わせにより実現することができる。また、上記の制御装置に含まれる各構成部のそれぞれの協働により行なわれるサーボ制御方法も、ハードウェア、ソフトウェア又はこれらの組み合わせにより実現することができる。ここで、ソフトウェアによって実現されるとは、コンピュータがプログラムを読み込んで実行することにより実現されることを意味する。また、ハードウェアで構成する場合、上記の制御装置に含まれる各構成部の機能の一部または全部を、例えば、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ゲートアレイ、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、ＣＰＬＤ（Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）等の集積回路（ＩＣ）で構成することができる。
プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えば、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば、光磁気ディスク）、ＣＤ－ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ－Ｒ、ＣＤ－Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（random access memory）を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。
以上、一実施形態について説明したが、周波数特性測定部２００は、上述の実施形態に限定されるものではなく、目的を達成できる範囲での変形、改良等が含まれる。
＜変形例１＞
上述の実施形態では、制御装置において負荷を接続したモータを例として、制御信号（速度指令）の周波数特性（周波数応答）を測定する場合を例示して説明したが、周波数特性測定部の周波数測定対象はこれに限られない。
例えば、図６に示すように、速度指令作成部によって作成された速度指令値に、周波数生成部２１０によって生成される正弦波外乱を入力したときの周波数応答を測定するようにしてもよい。そうすることで、例えば速度制御ゲインを調整することができる。
＜変形例２＞
上述の実施形態では、１つの制御対象として負荷を接続したモータを例として、速度指令の周波数特性（周波数応答）を測定する場合を例示して説明したが、周波数特性測定部の周波数測定対象は速度指令に限られない。任意の制御対象を被測定対象として、入力信号の周波数特性（周波数応答）を測定するようにしてもよい。
速度指令以外の入力信号（例えば、トルク指令）を被測定対象として、入力信号の周波数特性（周波数応答）を測定するようにしてもよい。
＜変形例３＞
上述の実施形態では、制御装置１０が周波数特性測定部２００を含む構成としたが、これに限られない。
例えば、周波数特性測定部２００を独立した周波数特性測定装置として設けてもよく、１つの装置としてもよい。また、周波数特性測定部２００をサーボ制御部１００の内に設けてもよい。また、周波数特性測定部２００を構成する周波数生成部２１０及び周波数特性算出部２５０のうちの１つを制御装置１０又はサーボ制御部１００の内に設けてもよい。また、独立した装置として設けてもよく、１つの装置としてもよい。
以上を換言すると、本開示の制御装置は、次のような構成を有する各種各様の実施形態を取ることができる。
（１）本開示の周波数特性測定装置としての周波数特性測定部２００の一態様は、正弦波信号を被測定対象に供給し、被測定対象の周波数特性を測定する周波数特性測定部２００であって、複数の周波数の正弦波からなるマルチサイン信号を生成するマルチサイン信号生成部２１３と、周波数を上昇させながら掃引正弦波を生成する掃引正弦波生成部２１４であって、所定の位相を初期位相とする掃引正弦波と、初期位相を一定量だけシフトした掃引正弦波と、からなる複数の掃引正弦波を生成する掃引正弦波生成部２１４と、マルチサイン信号生成部により生成されるマルチサイン信号、又は掃引正弦波生成部２１４により生成される複数の掃引正弦波のいずれかを選択して、被測定対象としての制御対象の制御ループに入力する入力信号切替部２１５と、制御ループに入力された入力信号のサンプリングデータと、制御ループから出力される出力信号のサンプリングデータと、を所定のサンプリング周波数で取得するデータ取得部２５１と、データ取得部２５１により取得された入力信号のサンプリングデータと出力信号のサンプリングデータとから、制御ループにおける入出力信号の利得と位相を含む周波数特性を算出する特性計算部２５２と、を備える。
この周波数特性測定部２００によれば、低周波数帯域における周波数特性の測定に際しては、短時間で測定可能なマルチサイン信号を入力する方式をとり、高周波数帯域における周波数特性の測定に際しては、複数の掃引正弦波を入力する方式をとることができる。そうすることで、高い測定精度を提供するとともに、測定時間を短縮することができる。
（２） （１）の周波数特性測定装置としての周波数特性測定部２００において、掃引正弦波生成部２１４は、初期位相を２π／ｎずつシフトしたｎ個の掃引正弦波を生成するようにしてもよい。
（３） （２）の周波数特性測定装置としての周波数特性測定部２００において、掃引正弦波生成部２１４は、さらに、初期位相を２π／３シフトした掃引正弦波と、初期位相を－２π／３シフトした掃引正弦波と、を生成するようにしてもよい。
（４） （１）から（３）の周波数特性測定装置としての周波数特性測定部２００は、サンプリング周波数からナイキスト周波数を算出するナイキスト周波数算出部２１１と、特性計算部２５２により周波数特性を算出する周波数の下限周波数と上限周波数とを取得する周波数帯域取得部２１２と、を備え、入力信号切替部２１５は、ナイキスト周波数が上限周波数以上の場合、マルチサイン信号生成部２１３により生成される下限周波数から上限周波数までの複数の周波数の正弦波からなるマルチサイン信号を被測定対象としての制御ループに入力し、ナイキスト周波数が下限周波数以下の場合、掃引正弦波生成部２１４により生成される、所定の位相を初期位相として下限周波数から上限周波数まで上昇させながら生成される掃引正弦波と、初期位相を一定量だけシフトした掃引正弦波とからなる複数の掃引正弦波を制御ループに入力し、ナイキスト周波数が、下限周波数より大きく、上限周波数未満の場合、マルチサイン信号生成部２１３により生成される下限周波数からナイキスト周波数までの複数の周波数の正弦波からなるマルチサイン信号を制御ループに入力し、掃引正弦波生成部２１４により生成される、所定の位相を初期位相としてナイキスト周波数から上限周波数まで上昇させながら生成される掃引正弦波と、初期位相を一定量だけシフトした掃引正弦波と、からなる複数の掃引正弦波を制御ループに入力するようにしてもよい。
この周波数特性測定部２００によれば、ナイキスト周波数以下の帯域における周波数特性の測定に際しては、短時間で測定可能なマルチサイン信号を入力する方式をとり、ナイキスト周波数以上の帯域における周波数特性の測定に際しては、複数の掃引正弦波を入力する方式をとることができる。これにより、測定する周波数帯域の値に関わらず、高い測定精度を提供するとともに、測定時間を短縮することができる。
（５）本開示の制御装置１０の一態様は、（１）から（４）のいずれかに記載の周波数特性測定部２００を備えてもよい。
そうすることで、制御装置１０は、（１）から（４）と同様の効果を奏することができる。
（６）本開示の周波数特性測定方法の一態様は、正弦波信号を被測定対象に供給し、前記被測定対象の周波数特性を測定する周波数特性測定方法であって、コンピュータにより、複数の周波数の正弦波からなるマルチサイン信号を生成するマルチサイン信号生成ステップと、周波数を上昇させながら掃引正弦波を生成する掃引正弦波生成部であって、所定の位相を初期位相とする掃引正弦波と、前記初期位相を一定量だけシフトした掃引正弦波と、からなる複数の掃引正弦波を生成する掃引正弦波生成ステップと、前記マルチサイン信号生成ステップにおいて生成される前記マルチサイン信号、又は前記掃引正弦波生成ステップにおいて生成される前記複数の掃引正弦波のいずれかを選択して、前記被測定対象に入力する入力信号切替ステップと、前記被測定対象に入力された入力信号のサンプリングデータと、前記被測定対象から出力される出力信号のサンプリングデータと、を所定のサンプリング周波数で取得するデータ取得ステップと、前記データ取得ステップにおいて取得された入力信号のサンプリングデータと出力信号のサンプリングデータとから、前記被測定対象における入出力信号の利得と位相を含む周波数特性を算出する特性計算ステップと、を備える。
そうすることで、周波数特性測定方法は、（１）の周波数特性測定装置と同様の効果を奏する。
１０ 制御装置
１００ サーボ制御部
１１０ 減算器
１２０ 速度制御部
１３０ フィルタ
１４０ 電流制御部
１５０ サーボモータ
２００ 周波数特性測定部
２１０ 周波数生成部
２１１ ナイキスト周波数算出部
２１２ 周波数帯域取得部
２１３ マルチサイン信号生成部
２１４ 掃引正弦波生成部
２１５ 入力信号切替部
２５０ 周波数特性算出部
２５１ データ取得部
２５２ 特性計算部
２５３ 特性表示部

Claims (7)

  1. 正弦波信号を被測定対象に供給し、前記被測定対象の周波数特性を測定する周波数特性測定装置であって、
    複数の周波数の正弦波からなるマルチサイン信号を生成するマルチサイン信号生成部と、
    周波数を上昇させながら掃引正弦波を生成する掃引正弦波生成部であって、所定の位相を初期位相とする掃引正弦波と、前記初期位相を一定量だけシフトした掃引正弦波と、からなる複数の掃引正弦波を生成する掃引正弦波生成部と、
    周波数が予め設定される所定の周波数よりも低い場合、前記マルチサイン信号生成部により生成される前記マルチサイン信号を選択し、周波数が前記所定の周波数よりも高い場合、前記掃引正弦波生成部により生成される前記複数の掃引正弦波を選択して、前記被測定対象に入力する入力信号切替部と、
    前記被測定対象に入力された入力信号のサンプリングデータと、前記被測定対象から出力される出力信号のサンプリングデータと、を所定のサンプリング周波数で取得するデータ取得部と、
    前記データ取得部により取得された入力信号のサンプリングデータと出力信号のサンプリングデータとから、前記被測定対象における入出力信号の利得と位相を含む周波数特性を算出する特性計算部と、
    を備える周波数特性測定装置。
  2. 前記掃引正弦波生成部は、初期位相を２π／ｎずつシフトしたｎ個の掃引正弦波を生成する、請求項１に記載の周波数特性測定装置。
  3. 前記掃引正弦波生成部は、初期位相を２π／３シフトした掃引正弦波と、初期位相を－２π／３シフトした掃引正弦波と、を生成する、請求項２に記載の周波数特性測定装置。
  4. サンプリング周波数からナイキスト周波数を算出するナイキスト周波数算出部と、
    前記特性計算部により周波数特性を算出する前記被測定対象における周波数帯域の下限周波数と上限周波数とを取得する周波数帯域取得部と、
    を備え、
    前記ナイキスト周波数を前記所定の周波数として設定し、
    前記入力信号切替部は、
    前記ナイキスト周波数が前記上限周波数以上の場合、
    前記マルチサイン信号生成部により生成される前記下限周波数から前記上限周波数までの複数の周波数の正弦波からなるマルチサイン信号を前記被測定対象に入力し、
    前記ナイキスト周波数が前記下限周波数以下の場合、
    前記掃引正弦波生成部により生成される、所定の位相を初期位相として前記下限周波数から前記上限周波数まで上昇させながら生成される掃引正弦波と、前記初期位相を一定量だけシフトした掃引正弦波とからなる複数の掃引正弦波を前記被測定対象に入力し、
    前記ナイキスト周波数が、前記下限周波数より大きく、前記上限周波数未満の場合、
    前記マルチサイン信号生成部により生成される前記下限周波数から前記ナイキスト周波数までの複数の周波数の正弦波からなるマルチサイン信号を前記被測定対象に入力し、
    前記掃引正弦波生成部により生成される、所定の位相を初期位相として前記ナイキスト周波数から前記上限周波数まで上昇させながら生成される掃引正弦波と、前記初期位相を一定量だけシフトした掃引正弦波と、からなる複数の掃引正弦波を前記被測定対象に入力する、
    請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の周波数特性測定装置。
  5. 前記被測定対象が、制御装置における、少なくとも１つの制御対象を制御する制御ループである、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の周波数特性測定装置。
  6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の周波数特性測定装置を備える制御装置。
  7. 正弦波信号を被測定対象に供給し、前記被測定対象の周波数特性を測定する周波数特性測定方法であって、
    コンピュータにより、
    複数の周波数の正弦波からなるマルチサイン信号を生成するマルチサイン信号生成ステップと、
    周波数を上昇させながら掃引正弦波を生成する掃引正弦波生成部であって、所定の位相を初期位相とする掃引正弦波と、前記初期位相を一定量だけシフトした掃引正弦波と、からなる複数の掃引正弦波を生成する掃引正弦波生成ステップと、
    周波数が予め設定される所定の周波数よりも低い場合、前記マルチサイン信号生成ステップにおいて生成される前記マルチサイン信号を選択し、周波数が前記所定の周波数よりも高い場合、前記掃引正弦波生成ステップにおいて生成される前記複数の掃引正弦波を選択して、前記被測定対象に入力する入力信号切替ステップと、
    前記被測定対象に入力された入力信号のサンプリングデータと、前記被測定対象から出力される出力信号のサンプリングデータと、を所定のサンプリング周波数で取得するデータ取得ステップと、
    前記データ取得ステップにおいて取得された入力信号のサンプリングデータと出力信号のサンプリングデータとから、前記被測定対象における入出力信号の利得と位相を含む周波数特性を算出する特性計算ステップと、
    を備える周波数特性測定方法。
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