JPS63156202A - デイジタルサ−ボ系の周波数応答特性測定方法 - Google Patents

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】 〔概　要〕 積分部、コントロール部および比較部を有するプロセッ
サユニットと、該プロセッサユニットによりサーボ制御
される制御対象とからなるディジタルサーボ系であって
、アナログ外部信号をディジタル信号に変換して前記積
分部の入力側に与え、一方、前記比較部の出力側に現れ
る制御偏差をアナログ信号に変換して、前記アナログ外
部信号に対するアナログの応答信号を得、これらアナロ
グ外部信号とアナログの応答信号とに基づいて周波数応
答特性を測定するようにし、これによりディジタルサー
ボ系が正常である限り、所要周波数帯域内で完全に平坦
な周波数応答特性を測定可能とする。

〔産業上の利用分野〕

本発明はディジタルサーボ系の周波数応答特性の測定方
法に関する。

ロボットあるいはＮＣ装置等の高速かつ高精度が要求さ
れるディジタルサーボ系ではその性能評価のために周波
数応答特性の測定を行う必要がある。この性能評価とし
ては例えば制御対象の機械的、電気的な共振の有無やサ
ーボ制御を行う部分の制御パラメータの適否が挙げられ
る。いずれにしても、その性能評゛価においては、制御
対象にいかなる外乱が加わっても低周波域（低速動作詩
）から高周波域（高速動作時）まで常に一定の応答特性
（平坦な特性）が得られているか否かを見極める必要が
ある。これが周波数応答特性の測定を必要とする理由で
ある。

〔従来の技術〕

第８図は従来の測定方法を実施する場合のディジタルサ
ーボ系の構成例を示す図である。本図において、ディジ
タルサーボ系１０は、サーボ制御される制御対象１１と
、制御対象１１をサーボ制御するプロセッサユニット１
２とからなる。そして、このサーボ系１０の周波数応答
特性は、周波数応答測定器１３によって測定される。こ
の測定器１３は例えば市販のスペクトルアナライザで良
い。

制御対象１１は、パワーアンプ１１１とこれより駆動電
流ｉが供給されるモータおよび負荷１１２とからなる。

一方、プロセッサユニット１２は、積分部１２１とコン
トロール部１２２と比較部１２３とを形成する。なお、
これらの部分（１２１、１２２、１２３）はプログラム
によりソフトウェア処理で実現される。

モータおよび負荷１１２に取り付けられたエンコーダ（
図示せず）等により検出された現在値（現在の位置）ｙ
は、比較部１２３にて予め定めた目標値ｒと差分がとら
れ、制御偏差ｅ　（＝ｒ−ｙ）が生成される。なお、ｙ
も、ｒも、ｅも全てディジタル値である。制御偏差ｅは
積分部１２１にて積算され積分量Ｗとして出力される。

この積分ｉ１ｗと制御偏差ｅの２つの情報がコントロー
ル部１２２に入力され、例えばＰ　（ｐｒｏｐｏｒｔｉ
ｏｎａｌ）　−Ｉ　（ｉｎｔｅｇｒａｌ）−Ｄ　（ｄｉ
ｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御のための演算がなされ最適
な操作信号Ｖが、アナログ信号としてプロセッサユニッ
ト１２の外部へ出力される。なお、速度偏差ハコントロ
ール部１２２内のオブザーバで推定して生成する。この
操作信号Ｖに従ってパワーアンプ１１１が駆動され、目
標値ｒに向ってサーボ制御される。

上記のディジタルサーボ系１０において、その性能評価
のために周波数応答特性が測定される。

そこでまず、周波数応答特性測定器１３の端子ＧＥＮよ
り既知のアナログ外部信号ＥＸを発生する。この信号Ｅ
Ｘは制御対象１１に対する外乱として加えられるもので
あり、例えば正弦波状の電気信号である。これは加算部
１４を通してパワーアンプ１１１に加えられ、当該サー
ボ系１０の閉ループを一巡して、操作信号Ｖの中に該外
乱に対する応答信号として現れる。

周波数応答特性測定器１３は、その第１チヤネルＣＨＩ
に外乱をなすアナログ外部信号ＥＸを受信し、その第２
チヤネルＣＨ２には前記の応答信号を信号Ｖとして受信
する。そしてこれらの受信信号をもとにして周波数解析
し、いわゆるボード線図を描く。

第９図は第８図のディジタルサーボ系１０を測定器１３
によって測定して得られるボード線図を示す。本図にお
いて、横軸は周波数（Ｈ２）　、縦軸はゲイン（出力／
入力）　（ｄＢ）である。一般にこのゲインを上げて閉
ループ系としての周波数帯域をできるだけ広くシ（平坦
な特性部分を伸ばす）。

ロボット等を高速かつ高精度で動かすことが求められて
いる。ところがこの周波数帯域を広げようとすると、制
御対象１１の機械的、電気的な共振等が逆に問題となっ
てくる。このため、ディジタルサーボ系１０の周波数応
答特性を正確に把握することが必要不可欠となる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

第９図のボード線図は制御対象１１の伝達特性が１／Ｓ
”（Ｓはラプラス演算子）で閉ループ帯域１００　Ｈｚ
で、既述のオブザーバ（コントロール部１２２内にある
）の閉ループ帯域も１００　Ｈｚに設定している場合を
例示しているが、このボード線図で特に折点周波数１０
０　Ｈｚ近傍でゲインの上昇部Ｇが生じてしまうことが
判明した。この上昇部Ｇは従来の測定方法において不可
避的に現れるものである。

そうすると、ボード線図をもとにサーボ系１０の評価を
しようとする場合、その上昇部Ｇが、既述した機械的、
電気的な共振に起因して現れたものなのか（あるいはコ
ントロール部１２２内で予め設定された制御パラメータ
に設定ミスがあって現れたものなのか）、すなわちサー
ボ系１０そのものの本質に起因して現れたものであるの
か、従来の測定方法において不可避的に現れた上昇部な
のか全く区別ができない、したがって、サーボ系１０の
動特性を正しく評価するのは不可能である、という問題
が生ずる。

本発明は上記の点に鑑みなされたもので、既述の上昇部
Ｇを伴うことなく、サーボ系ｌＯが正常でありさえすれ
ば、必ず平坦な周波数応答特性が得られる測定方法を提
案する。

〔問題点を解決するための手段〕

第１図は本発明の測定方法を実施する場合のディジタル
サーボ系の構成例を示す図である。本図に示すとおり、
本発明においては、第８図の従来例に比して、アナログ
演算の加算部１４（第８図）は積分部１２１の入力側ｉ
ｎに移設し、しかもディジタル演算の加算部２４とする
。さらに加算部２４に対し、アナログ／ディジタル変換
器（Ａ／Ｄ）２２を介してディジタル信号（ｎ）にした
アナログ外部信号ＥＸ（外乱）を与える。なお、加算部
２４では制御偏差ｅも通過する。一方、比較部１２３の
出力側ｏｕｔに現れたディジタルの制御偏差ｅはディジ
タル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器２３を介してアナログ
制御偏差ＥＲとなり、周波数応答特性測定器１３の第２
チヤネルＣＨ２に印加される。

〔作　用〕

第１図に示すとおり、本発明の測定方法においては、ア
ナログ外部信号（外乱）ＥＸの入力点を積分部１２１の
入力側ｉｎに設定し、その応答信号を取り出すための出
力点を比較部１２３の出力側ｏｕｔに設定し、すべてデ
ィジタル系内で処理する。

このため、アナログ外部信号ＥＸはアナログ／ディジタ
ル変換した後、前記入力点に加え、一方、前記出力点か
らの信号はディジタル／アナログ変換した後、測定器１
３に戻す。測定器１３の第１チヤネルＣＨＩの受信信号
および第２チヤネルＣＨ２の受信信号をもとに周波数応
答特性を測定する。すなわちボード線図を描く、このと
きのゲインはＣＨ２／ＣＨ１である。かくして平坦な（
上昇部Ｇのない）周波数応答特性を得る。なお、第１図
のように組まれた測定系によって平坦な周波数応答特性
が得られることは理論的に解析可能であり、後に詳述す
る。

〔実施例〕

第２Ａおよび２Ｂ図は本発明を通用した動作例を示すフ
ローチャートである。動作はＤＣモータの位置決め制御
を例にとったものである。

ステップ（イ）（第２Ａ図）二目標値ｒを零に設定する
。

ステップ（ロ）：現在値ｙをプロセッサユニット１２に
入力する。

ステップ（ハ）：制御偏差ｅを、ｒ−ｙより求める。

ステップ（ニ）：制御偏差ｅをディジタル／アナログ（
Ｄ／Ａ）変換する。

ステップ（ホ）：アナログ外部信号ＥＸをアナログ／デ
ィジタル（Ａ／Ｄ）変換してプロセッサユニット１２に
入力する。

ステップ（へ）（第２Ｂ図）：積分量Ｗを、ｗ＋ｅ＋ｎ
　（ｎはＡ／Ｄ変換後のＥＸ）により演算する。

ステップ（ト）：オブザーバにより速度偏差ｆを算出す
る。

ステップ（チ）　：操作信号Ｖを、ｖ＝に、　　・ｗ＋
に２　−　ｅ＋に、−ｆにより演算する。に１　。

ｋｔおよびに、はそれぞれ積分ゲイン、比例ゲインおよ
び微分ゲインである。

ステップ（す）　：操作信号Ｖを出力し、ステップ（イ
）へ戻る。

上記ステップ（イ）〜ステップ（す）を、所定のサンプ
リング周期で繰り返す。

ステップ（ヌ）ニステップ（ホ）に必要な外部信号ＥＸ
を送出する°とともにこれを測定器１３の第１チャネル
Ｃ，Ｈｌに戻し、またステップ（ニ）で得られた応答信
号（制御偏差ｅ）のディジタル値（ＥＲ）を測定器１３
の第２チヤネ°ルＣＨ２に入力し、周波数応答特性の解
析を行う。

ステップ（ル）：ここで求める測定結果をボード線図上
に表し、ディジタルサーボ系ｌＯの評価を行う。

第３図は本発明を適用した場合の実測例を示すボード線
図であり、本図中の右側のカーブがゲイン特性を示し、
左側のカーブは位相特性を、示す。

なお、この実測例は前述のフローチャート（第２Ａ、２
Ｂ図）を説明するのに用いたサーボ系より得たものであ
り、ＤＣモータの伝達特性をｇ／Ｓ”（ｇは制御対象（
ＤＣモータ）のゲイン）の形に固定してサーボ制御した
場合の測定結果である。

またディジタル系として必須なサンプリングを行う場合
の既述のサンプリング周期は１肥と非常に小さくするこ
とにより、アナログ系内に既述の入力点および出力点を
設定した場合（従来例）と差がでないようにする。かく
して、第３図に示すような理想的な平坦特性が得られ、
制御対象の機械的、電気的な共振、制御パラメータの設
定ミス等に起因する特性カーブの異常が確実にボート線
図上に表れる。つまり、従来例において不可避なゲイン
の上昇部Ｇ（第９図）は形成されない。

さらに、理論的な解析を以下に述べる。まず従来例の測
定方法による場合の閉ループ伝達関数は次のように解析
される。第８図の制御対象１１の伝達特性をｇ／Ｓ”と
し、積分部１２１およびコントロール部１２２　ニヨリ
Ｐ　−１−ＤＭｉ系ヲｔｌ［成する。

第４図は従来例におけるＰ−１−Ｄ制御系を構成した場
合のブロック線図である０本図中、ｇは制御対象１１全
体のゲインを表す。ｆｌ＋ｆ！＋ｆ’＋（既述のに、、
に、、に３と同じ）はそれぞれ積分ゲイン、比例ゲイン
、微分ゲインであり、この３個のフィードバックゲイン
を調整することにより所望の制御性能を得ることが可能
となる。ｕ、はフィードバック信号、ｕ、１は周波数測
定用の正弦波入力であり、したがってｕ　ｙ　、／　ｕ
　、が求めようとする閉ループ特性である。この第４図
を状態方程式で表現すると、 ｘ＝Ａｘ＋Ｂｕ ＝Ａｘ＋Ｂ　（ｕ、１−ｕｔ　） ＝　（Ａ−ＢＦ）ｘ＋Ｂｕ、　　　　　　（１）ｙ＝Ｃ
ｘ　　　　　　　　　　　　　　　（２）ここで、Ｘは
３次元状態ベクトル、ＸはＸ＝（ＸＩＩＸ！１Ｘ３）で
あり、Ａ、Ｂ、Ｆ’およびＣは、Ｃ＝Ｆ である。ｘｌ＋　Ｘ　ｔ＋　Ｘ　３は３次元状態ベクト
ルの個々の量である。伝達関数行列をＧ　（Ｓ）で表わ
すと（Ｓ＝ｊω）、 Ｇ　（Ｓ）＝　（Ｓ　Ｉ　−（Ａ−ＢＦ））−’　（Ｉ
は単位行列である） となる。

したがってｕ７に対するＶ＝ｕｔの伝達関数Ｇｌ（Ｓ’
）は、 Ｇｌ（Ｓ）＝Ｃ−Ｇ　（Ｓ）　　・Ｂ 今、閉ループの帯域幅をω。に設計する場合を考えるも
のとし、 ｇｆ）＝２ωｃ　　＋　　ｇｆｚ＝２ω％　　＋　　ｇ
ｆ＋”ωｃ’　　（５）とする。

すなわち、 となる。このａ、（Ｓ）をボード線図上に表す。第５図
は伝達関数Ｇ　＋　（Ｓ　）をボード線図上に表すグラ
フである。この第５図に示すとおり従来例では平坦な特
性が得られないことがわかる。

次に本発明の測定方法のもとての閉ループ伝達関数を解
析する。

第６図は本発明によるＰ−１−Ｄ制御系を構成した場合
のブロック線図である０本図における状態方程式は、 ）Ｃ＝ＡＸ−Ｂｕｔ十丁ｕ＋１ ＝　（Ａ−ＢＦ）ｘ＋Ｂｕ、　　　　　　（７）となる
。

ここで、■＝　（１００）であり、またｙ＝Ｃｘ　、　
　Ｃ−（０１０）　　　　　　　（８）である。

伝達関数行列は、従来例と同様（３）式で与えられるか
ら、ｕｎに対するｙ＝ｘｔの伝達関数ａＸバターワース
パターンの場合、（５）式を（９）式に代入して、 となり、３次のバターワースパターンが得られる。

第７図は本発明により得られる特性図であり、平坦な特
性が確保されることが分かる。

ところで、実際のシステムでは、速度ｘ２をタコジェネ
レータまたはＦＶコンバータなどで測定せずに、閉ルー
プ内にオブザーバを構成することにより推定することが
よく行われる。このような場合には、状態方程式（１）
、　（２）式の次数が５次に上がることになるが、理論
展開は上記の３次の場合と全く同様に行うことができ、
本発明の有用性はそのまま保持される。第３図、第９図
はオブザーバを用いたシステムの場合の例であることは
既述のとおりである。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によればディジタルサーボ系
における周波数応答特性を正確に測定可能とし、ディジ
タルサーボ系を正しく評価することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の測定方法を実施する場合のディジタル
サーボ系の構成例を示す図、 第２Ａおよび２Ｂ図は本発明を適用した動作例を示すフ
ローチャート、 第３図は本発明を適用した場合の実測例を示すボード線
図、 第４図は従来例におけるＰ−Ｉ−Ｄ制御系を構成した場
合のブロック線図、 第５図は伝達関数ａｔ（Ｓ）をボード線図上に表すグラ
フ、 第６図は本発明によるＰ−１−Ｄ制御系を構成した場合
のブロック線図、 第７図は本発明により得られる特性図、第８図は従来の
測定方法を実施する場合のディジタルサーボ系の構成例
を示す図、 第９図は第８図のディジタルサーボ系１０を測定器１３
によって測定して得られるボード線図である。 １０・・・ディジタルサーボ系、 １１・・・制御対象、 １２・・・プロセッサユニット、 １３・・・周波数応答特性測定器、 ２２・・・アナログ／ディジタル変換器、２３・・・デ
ィジタル／アナログ変換器、２４・・・加算部、　　　
１２１・・・積分部、１２２・・・コントロール部、 １２３・・・比較部、　　　ｙ・・・現在値、■・・・
目標値、　　　　ｅ・・・制御偏差、ＥＸ・・・アナロ
グ外部信号、 Ｅ、Ｒ・・・アナログ制御偏差値。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、サーボ制御される制御対象（１１）と、該制御対象
   （１１）の現在値（ｙ）と予め定めた目標値（ｒ）との
   制御偏差（ｅ）を出力する比較部（１２３）、該制御偏
   差（ｅ）を積算し積分量（ｗ）を算出する積分部（１２
   １）および前記制御偏差（ｅ）と前記積分量（ｗ）を入
   力として最適な操作信号（ｖ）を生成し前記制御対象（
   １１）に供給するコントロール部（１２２）から構成さ
   れるプロセッサユニット（１２）とからなるディジタル
   サーボ系（１０）であって、該ディジタルサーボ系（１
   ０）内の入力点および出力点のうち該入力点から外乱を
   なす既知のアナログ外部信号（ＥＸ）を与えて該出力点
   より該アナログ外部信号（ＥＸ）に対する応答信号を得
   ることによって周波数応答特性を測定するディジタルサ
   ーボ系の周波数応答特性測定方法において、前記入力点
   を前記積分部（１２１）の入力側（ｉｎ）に設定し、前
   記出力点を前記比較部（１２３）の出力側（ｏｕｔ）に
   設定し、 該入力点には前記アナログ外部信号 （ＥＸ）をアナログ／ディジタル変換した後のディジタ
   ル信号（ｎ）を印加し、一方、前記出力点から前記制御
   偏差（ｅ）をディジタル／ア ナログ変換した後のアナログ制御偏差（ＥＲ）を前記応
   答信号として得、 前記アナログ外部信号（ＥＸ）および前記アナログ制御
   偏差（ＥＲ）から前記周波数応答特性を測定するように
   したことを特徴とするディジタルサーボ系の周波数応答
   特性測定方法。