JPH04348401A

JPH04348401A - 伝達特性測定装置

Info

Publication number: JPH04348401A
Application number: JP3006516A
Authority: JP
Inventors: Kiyoharu Inao; 稲生　清春; Seiji Fujita; 藤田　聖二
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1991-01-23
Filing date: 1991-01-23
Publication date: 1992-12-03

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、帰還経路をもつ制御系
（例えばスイッチング電源）の負荷の値を急変させた時
のこの制御系の伝達特性を実際の動作に近い状態で測定
できる装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】技術革新の激しい時代にあって、製品設
計の短縮化が強く求められており、スイッチング電源も
その例にもれない。中でも制御系部分の設計工数が占め
る割合は高く、制御系部分の設計に欠かせない制御系の
伝達特性の測定を容易化することは、電源設計の短縮化
に大きな効果がある。

【０００３】図４にスイッチング電源を示す。スイッチ
ング電源は、交流電圧源９から加えられた交流電圧ＶＡ
を整流平滑回路１０で直流電圧に変換し、この電圧を制
御系２０に加える。制御系２０は、加えられた直流電圧
を別の値の直流電圧Ｖｏに変換して、負荷Ｒに出力する
。制御系２０は、コンバータ２１と、コントローラ２３
と、設定電圧Ｖｒ等から構成される。また、コンバータ
２１は、トランスＴと、このトランスＴの１次巻線に直
列に接続されたスイッチング素子ＳＷと、トランスＴの
２次側に接続された整流平滑回路２２により構成される
。

【０００４】このような図４装置において、整流平滑回
路１０の直流出力電圧は、コンバータ２１内にあるトラ
ンスＴの１次巻線に加えられる。スイッチング素子ＳＷ
がオン・オフとすると、トランスＴの２次側に交流電圧
が発生する。この２次側の交流電圧は、整流平滑回路２
２により直流出力電圧Ｖｏとされる。また、この直流出
力電圧Ｖｏは、コントローラ２３の一方の入力端子に導
かれる。コントローラ２３は、この直流出力電圧Ｖｏと
設定電圧Ｖｒを比較し、ＶｏとＶｒと等しくなるように
、スイッチング素子ＳＷのオン・オフ周期を制御する。以上の結果、直流出力電圧Ｖｏは、設定電圧Ｖｒと等し
い値に制御され、負荷Ｒへ供給される。

【０００５】このようなスイッチング電源は、負荷Ｒを
急変させると、その制御系の伝達特性により出力電圧Ｖ
ｏにオーバシュートが現われ、設定された出力電圧値に
再び安定するまで或る整定時間がかかる。このオーバシ
ュート量及び整定時間は、スイッチング電源の仕様で規
定されるものである。従って、仕様を満足するスイッチ
ング電源を設計するには、電源の制御系の伝達特性を測
定する必要がある。

【０００６】制御系２０の伝達特性を測定する従来方法
として次の２つの方法が知られている。（１）　負荷変動法この方法は、制御系２０の動的な安定性を測定するのに
用いられる。図４において、負荷抵抗Ｒの値を変えて負
荷電流Ｉｏをステップ状に変化させたとき（例えば５０
％〜１００　％の電流幅で変動させる）の出力電圧Ｖｏ
の応答波形を例えばメモリレコーダ等で記録し、この波
形から制御系２０の安定性を判定する方法である。この
時の負荷電流Ｉｏと、出力電圧Ｖｏの波形例を図５に示
す。即ち、負荷変動法で得られるデータは、時間領域で
の波形特性である。この負荷変動法によれば、負荷変動に対して出力電圧Ｖ
ｏのオーバシュート、整定時間等から制御系の仕様に対
する適合度を知ることができる。一般に、電源の仕様は
、この測定法に基づいて定められる。

【０００７】（２）　サイン波掃引法この方法は、制御系２０のループ上の所望点ＰＡから正
弦波信号を掃引しながら加え、この点ＰＡでの正弦波信
号の振幅，位相と、ループ上の別の点ＰＢにおける信号
の振幅，位相を測定するとともにこれの比を演算し、２
点ＰＡ，ＰＢ間における周波数伝達特性（振幅特性・位
相特性）を測定する方法である。即ち、サイン波掃引法
で得られるデータは、主としてボーデ線図による周波数
領域での特性である。このサイン波掃引法によれば、制
御系２０の周波数領域での安定余裕度（ゲイン余裕・位
相余裕）を知ることができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、以上に説明し
た従来の測定方法若しくはこの方法を用いた伝達測定測
定装置には、次の課題がある。（１）　負荷変動法：この方法は、短時間にデータが得
られる長所がある反面、得られるデータは、図５に示す
ような時間領域の波形であり、この波形を見て、スイッ
チング電源の制御系２０の設計へ生かすには、相当の熟
練を要する問題がある。つまり、負荷変動法で得られる
データは、制御系２０の設計に直接結び付けにくいと言
う問題がある。

【０００９】（２）　サイン波掃引法：この方法によれ
ば、制御系２０の設計に役立つデータを得ることができ
るが（ゲイン余裕・位相余裕を知ることができる）、測
定箇所に加える正弦波信号の大きさを適切に選ぶ必要が
あり、これに経験を必要とする問題がある。その理由は
、不適切な大きさの信号を加えると制御系を構成する素
子に飽和現象が発生して実動作と離れた特性を測定しま
うことになる。また、この方法は、正弦波を掃引させる
ので測定に時間がかかる問題もあり、測定箇所もＤＣ領
域に限られる問題もある。

【００１０】本発明の目的は、伝達特性を測定する際に
注入する信号の値を一義的に（熟練を要せず）定めるこ
とができ、電源の制御系の伝達特性がより実動作に近い
状態で測定でき、かつ従来のサイン波測定法に比べて短
時間に測定できる伝達特性測定装置を提供することであ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
め本発明は、帰還経路を持つ制御系のループに接続され
た負荷の値を急変させた時の制御系のループ上の或る点
（ＰＫ）の信号波形を取り込み、この信号波形を記憶す
る記憶手段と、前記制御系のループの所望点に挿入され
、一方の入力端子にループからの信号を、他方の入力端
子に外部信号を導入し、重畳した信号をループ内に出力
する加算器（３８）と、前記負荷の値を一定とした状態
で、前記記憶手段に記憶された信号波形と近似した波形
が、前記或る点（ＰＫ）に発生するよう前記加算器の他
方の入力端子へ信号を加える信号源と、前記加算器の一
方の入力端子と出力端子の２点の信号（Ｖｉｎ，Ｖｏｕ
ｔ　）　を導入し、この２点の信号にＦＦＴ演算を加え
て、制御系のループ一巡の伝達関数値の周波数特性を演
算するＦＦＴ演算器と、を備えるようにしたものである
。

【００１２】

【作用】記憶手段には、負荷の値を急変させた時のルー
プ上の或る点での信号波形が記憶される。信号源は、こ
の記憶手段に記憶された前記信号波形と近似した波形が
、前記負荷の値を一定とした状態で、前記或る点に発生
するように加算器の他方の入力端子に任意波形の信号を
加える。ＦＦＴ（Ｆａｓｔ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　Ｔｒａｎ
ｓｆｏｒｍ）　演算器は、加算器の一方の入力端子の信
号と、加算器の出力端子の信号を導入し、これにＦＦＴ
演算を加えているので、制御系のループ一巡の伝達特性
を得ることができる。

【００１３】つまり、加算器の出力端子の信号はループ
の信号と外部信号の重畳信号であり、これは制御系ルー
プの入力信号Ｖｉｎに相当する。また、加算器の一方の
入力端子の信号はループを一巡してきた信号であり、こ
れは制御系ループの出力信号Ｖｏｕｔ　に相当する。従
って、この２つの信号ＶｉｎとＶｏｕｔ　をＦＦＴ演算
することで制御系のループの一巡の伝達特性が得られる
。

【００１４】

【実施例】図１は本発明に係る伝達特性測定装置の構成
例とスイッチング電源を示す図、図２は図１の動作を説
明する波形図、図３は加算器３８の具体的構成例を示す
図である。

【００１５】図１において、交流電源９と、整流平滑回
路１０と、制御系２０は、図４で既に説明したものと同
様であるため、その再説明は省略する。本発明の伝達特
性測定装置は、図１のブロック３０と、加算器３８から
なる構成である。

【００１６】以下、本発明で新たに設けた構成について
説明する。バッファアンプ３１（以下単にアンプ３１と
言う）は、制御系２０のループ上の或る点の信号（図１
では出力電圧Ｖｏ）を高インピーダンスで導入し、これ
を出力する。ＡＤ変換器３２は、このアンプ３１の出力
信号を次々とデジタル信号へ変換し、メモリ３３は、こ
のＡＤ変換器３２の出力を取り込みこれを保持する。即
ち、メモリ３３には、アンプ３１を介して導入した制御
系２０のループ上の或る点の信号波形が格納される。そ
してメモリ３３は、図１の如く複数個の信号波形データ
ＤＡ，ＤＢを記憶することができる。コントローラ３４
は、少なくとも高さ比較機能４１と幅比較機能４２を備
えたコンピュータで構成される。そして、この２つの機
能４１，４２を動作させ、メモリ３３から導入した２つ
の波形データＤＡ，ＤＢにつき、２つの波形データの対
応する位相位置の高さを比較し、この値が一致するよう
に信号源３５を制御することができる。信号源３５は、
例えば図２（１）　に示すような矩形波を出力して、加
算器３８の入力端子に加える。そして、コントローラ３
４からの制御信号により、図２（３）　，（５），（７
）　のように、その出力パルスの振幅を変化させたり、
パルスの傾斜を変化させることができる機能も持ってい
る。加算器３８は、制御系２０のループの所望点（例え
ばＰ１，Ｐ２点間）に挿入され、一方の入力端子にルー
プ上のＰ１点からの信号を、他方の入力端子に信号源の
出力信号を導入し、重畳した信号をループ上のＰ２点に
出力する。ＦＦＴ演算器３６は、加算器３８の一方の入
力端子Ｐ１の信号Ｖｏｕｔ　と、出力端子Ｐ２の信号Ｖ
ｉｎを導入し、この２点の信号にＦＦＴ演算を加えて、
制御系のループ一巡の伝達関数、例えばＶｏｕｔ　／Ｖ
ｉｎ値の周波数特性を演算するものであり、その構成は
公知のものである。表示器３７は、ＦＦＴ演算器３６の
演算で得られた特性を可視化するものであり、例えばＣ
ＲＴ　などで構成される。

【００１７】このように構成された図１の動作を図２を
参照しながら説明する。（ａ）　負荷変動による変動波形の取込交流電源９から
整流平滑回路１０を介して制御系２０へ所定の電圧を加
え、スイッチング電源を動作状態にする。従って、負荷
Ｒには設定電圧Ｖｒで値が決定される直流出力電圧Ｖｏ
が加えられる。なお、この（ａ）　の動作では、信号源
３５の出力は０であり、加算器３８は、出力電圧Ｖｏの
値をコントローラ２３に加えている。ここで、負荷Ｒの
値をステップ状に切り替えて、負荷電流Ｉｏの値を５０
〜１００　％の幅で変動させる。従って、負荷電流Ｉｏ
の波形は、図２（１）　のようになる。その結果、制御
系２０自身の特性に基づいて、出力電圧Ｖｏにオーバシ
ュートが現われ、設定された出力電圧値Ｖｏに再び安定
するまで或る整定時間がかかる。従って、負荷Ｒの値を
切り替えると、出力電圧Ｖｏ１　の波形は、図２（２）
　のようになる。この図２（２）　の波形Ｖｏ１　は、
アンプ３１とＡＤ変換器３２で逐次デジタル信号に変換
され、メモリ３３に時系列データＤＡとして取り込まれ
る。つまり、負荷Ｒを変動した時に出力端子に発生する
応答電圧波形（図２（２）　の波形）が、メモリ３３に
取り込まれる。

【００１８】（ｂ）　信号源３５から信号ＳＧの印加次
に負荷Ｒの値を或る一定の値に固定する（値を変動させ
ない）。そして、信号源３５から例えば図２（３）　に
示すような矩形波を加算器３８の他方の端子に加える。従って、加算器３８は、点Ｐ１の信号と図２（３）　に
示す信号ＳＧを重畳した信号をコントローラ２３に加え
るので、負荷Ｒの値を一定にしていても負荷Ｒに加えら
れる電圧（出力電圧）は、図２（４）　のＶｏ２　のよ
うな波形となる。この図２（４）　の波形も、（ａ）　
の場合と同様に、アンプ３１とＡＤ変換器３２で刻々と
デジタル信号に変換され、メモリ３３に時系列データＤ
Ｂとして取り込まれる。つまり、負荷Ｒの値を一定に保
った状態で、信号源３５から疑似信号ＳＧを加えた際に
出力端子に発生する応答電圧波形（図２（４）　の波形
）が、メモリ３３に取り込まれる。

【００１９】（Ｃ）　信号源３５の信号ＳＧのレベル制
御コントローラ３４は、高さ比較機能４１を動作させ、
メモリ３３から導入した２つの波形データＤＡ，ＤＢに
つき、その高さを比較する。図２の例では、疑似信号Ｓ
Ｇに起因して発生する応答電圧波形（図２（４）　の波
形Ｖｏ２　）の方が、負荷変動波形Ｖｏ１と比べてその
振幅が小さいので、コントローラ３４は、信号源３５に
疑似信号ＳＧの振幅を増す制御信号を出力する。その結
果、出力端子には、に示すようにオーバシュートが負荷
変動波形Ｖｏ１　と一致した応答電圧波形Ｖｏ３　が出
力される（図２（６）参照）。この図２（６）　の波形
は、メモリ３３に書き込まれる。この際、メモリ３３に
既に書き込まれた、波形データＶｏ１　，Ｖｏ２　と別
のアドレスに書き込んでも良いし、先の波形データＶｏ
２　（ＤＢ）のデータと置き換えるようにしても良い。この明細書では、波形データＤＢのデータを新たに置き
換えるとして説明する。

【００２０】（ｄ）　信号源３５の波形制御次にコント
ローラ３４は、高さ比較機能４１と幅比較機能４２を動
作させ、メモリ３３から導入した２つの波形データＤＡ
，ＤＢにつき、２つの波形データの対応する位相位置の
高さを比較し、この値が一致するように信号源３５を制
御する。つまり、図２（８）　に示すように、幅比較機
能４２を動作させて、エッジから幅Ｔにおけるデータを
メモリ３３からそれぞれ取り出し、高さ比較機能４１に
より、２つの波形の高さの差△Ｖを知ることができる。この結果、図２（６）　で得られたデータＶｏ３は、波
形のスロープが、負荷変動による波形データＶｏ１　と
比較して直線的である。そこで、コントローラ３４は、図２（７）　に示すよう
な波形の疑似信号ＳＧを出力するように信号源３５を制
御する。その結果、図２（８）　の実線に示す応答電圧
波形Ｖｏ４　が負荷Ｒに加えられる。この図２（８）　
の応答電圧波形Ｖｏ４　は、ほぼ負荷変動による実際の
波形データＶｏ１　と一致した波形である。なお、出願
人の実験によれば、このように信号源３５からの疑似信
号ＳＧによる応答電圧波形Ｖｏ４　と、実際の負荷変動
による応答電圧波形Ｖｏ１　とは完全に一致させずとも
、本発明の装置で得られた伝達特性は、スイッチング電
源の制御系を解析し、設計に生かすに十分な効果がえら
れる。

【００２１】（ｅ）　制御系ループの伝達特性の測定Ｆ
ＦＴ演算器３６は、加算器３８の一方の入力端子の信号
と、加算器３８の出力端子の信号を導入し、これにＦＦ
Ｔ演算を加えているので、制御系のループ一巡の伝達特
性を得ることができる。つまり、加算器３８の出力端子
の信号はループの信号と外部信号の重畳信号であり、こ
れは制御系ループの入力信号Ｖｉｎに相当する。また、
加算器３８の一方の入力端子Ｐ１の信号はループを一巡
してきた信号であり、これは制御系ループの出力信号Ｖ
ｏｕｔ　に相当する。従って、この２つの信号Ｖｉｎと
Ｖｏｕｔ　をＦＦＴ演算することで制御系のループの一
巡の伝達特性が得られる。この伝達特性は、表示器３７
にて可視化される。なお、ＦＦＴ演算器３６にて、制御
系２０のループの任意の２点の信号をＶｉｎとＶｏｕｔ
　として導入すれば、この２点間の電子回路の伝達特性
を得ることができるのは明らかである。しかし、本発明
は、制御系のループ一巡の伝達特性を得ることができる
点に特徴があるから、加算器３８をループに挿入し、こ
の入力信号と、出力信号をＦＦＴ演算する例で発明の動
作説明を行った。

【００２２】なお、本発明のように加算器３８をループ
に挿入し、信号源３５から負荷変動をあたかも発生させ
るような疑似信号ＳＧを加えないと、制御系ループの一
巡の伝達特性を得ることはできない。その理由は、例え
ば、図１において、加算器３８を短絡して制御系ループ
を形成した場合、点Ｐ１と点Ｐ２は同電位となるので、
この２点の電圧の比をとっても無意味なものとなるから
である。図３（２）　は、図３（１）　に示す加算器３
８の具体的構成例である。なお、増幅器Ｕ１，Ｕ２は、
この部分での信号の遅延が伝達特性に悪影響しないよう
に十分高速の増幅器で構成されている。図３において、
信号Ｙは点Ｐ１の信号であり、信号ＳＧは、信号源３５
の出力信号であり、信号Ｚは点Ｐ２の信号である。

【００２３】なお、上述では、出力端子ＰＫにおける負
荷変動の応答電圧波形Ｖｏ１　（実波形）をメモリ３３
に取り込んだ例で説明したが、この波形Ｖｏ１　の取り
込む場所は、制御系ループ上の点であれば出力端子に限
定しない。例えば、負荷Ｒを実際に変動させた時のコン
トローラ２３の出力端子Ｐ３における応答電圧波形をメ
モリ３３に取り込み、この応答電圧波形と等しくなるよ
うに、信号源３５から出力する疑似信号ＳＧの波形を定
めれば、上述と同様な効果が得られる。また、上述では
アンプ３１にて応答信号を検出する際、電圧信号である
として説明したが、電圧信号に限らず、負荷変動に対す
る応答が得られる信号であれば、例えば電流、磁気信号
でもよい。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、制
御系ループの一巡の伝達特性を測定できる。そして、制
御系の特性を測定する際の注入信号ＳＧのレベルを、ス
イッチング電源の仕様に基づいた負荷変動により得てい
るため、ループを構成する各素子を飽和させない（信号
を歪ませない）信号ＳＧのレベルを自動的に求めること
ができる。そして制御系２０を実動作に近い動作点で稼
動させるので、サイン波信号を与えて測定するよりも、
実際の状態に近い伝達特性が得られる。また、伝達特性
の測定にＦＦＴ演算を用いているため、サイン波で掃引
する従来例と比較して、格段に測定時間を短縮できる。更に、ＦＦＴ演算を用いているため、サイン波掃引法の
ように測定場所が直流領域に限定されることがなく、電
源の制御によく用いられるＰＷＭ　変調されたパルス領
域でさえ伝達特性の測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る伝達特性測定装置の構成例とスイ
ッチング電源を示す図

【図２】図１の動作を説明する波形図

【図３】加算器３８の具体的構成例を示す図

【図４】従
来例を説明する図

【図５】従来例を説明する図

【符号の説明】

２０　　制御系３０　　伝達特性測定装置３３　　メモリ３４　　コントローラ３５　　信号源３６　　ＦＦＴ演算器３８　　加算器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】帰還経路を持つ制御系のループに接続され
た負荷の値を急変させた時の制御系のループ上の或る点
（ＰＫ）の信号波形を取り込み、この信号波形を記憶す
る記憶手段と、前記制御系のループの所望点に挿入され
、一方の入力端子にループからの信号を、他方の入力端
子に外部信号を導入し、重畳した信号をループ内に出力
する加算器（３８）と、前記負荷の値を一定とした状態
で、前記記憶手段に記憶された信号波形と近似した波形
が、前記或る点（ＰＫ）に発生するよう前記加算器の他
方の入力端子へ信号を加える信号源と、前記加算器の一
方の入力端子と出力端子の２点の信号（Ｖｉｎ，Ｖｏｕ
ｔ　）　を導入し、この２点の信号にＦＦＴ演算を加え
て、制御系のループ一巡の伝達関数値の周波数特性を演
算するＦＦＴ演算器と、を備えたことを特徴とする伝達
特性測定装置。