(57)【要約】【課題】外乱を受けても広い周波数範囲にわたって周波数応答を精度よく求めることができる周波数応答測定装置を得る。【解決手段】周波数応答測定装置１００は、複数の異なる加振周期を設定する加振周期設定部１と、異なる加振周期の加振信号でサーボ系３を複数回加振する加振実行部２と、複数回の加振がなされたサーボ系３から、複数回の加振ごとに同定入力信号３ａと同定出力信号３ｂの組を取得し、複数回の加振ごとの加振周期と、複数回の加振ごとの同定入力信号３ａと同定出力信号３ｂの組とに基づいて、周波数応答を演算する周波数応答演算部４と、複数回の加振周期ごとの周波数応答を合成して、サーボ系３の周波数応答を演算する周波数応答合成部５と、を備える。【選択図】図１
2016010287.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械系をフィードバック制御するサーボ系の周波数応答を測定する周波数応答測定装置において、
複数の異なる加振周期を設定する加振周期設定部と、
前記異なる加振周期の加振信号で前記サーボ系を複数回加振する加振実行部と、
前記複数回の加振がなされた前記サーボ系から、前記複数回の加振ごとに同定入力信号と同定出力信号の組を取得し、前記複数回の加振ごとの前記加振周期と、前記複数回の加振ごとの前記同定入力信号と前記同定出力信号の組とに基づいて、前記周波数応答を演算する周波数応答演算部と、
前記複数回の加振周期ごとの周波数応答を合成して、前記サーボ系の周波数応答を演算する周波数応答合成部と、
を備えることを特徴とする周波数応答測定装置。
【請求項２】
前記周波数応答合成部は、前記加振周期の逆数である加振周波数に基づいて、前記複数回の加振周期ごとに異なる周波数範囲を設定し、前記複数回の加振周期ごとの周波数応答の中から、前記複数回の加振周期ごとに異なる周波数範囲に対応する応答を抽出して合成することを特徴とする請求項１に記載の周波数応答測定装置。
【請求項３】
前記周波数応答合成部に設定される前記複数回の加振周期ごとに異なる周波数範囲は、前記加振周波数が高いほど高い周波数範囲となることを特徴とする請求項２に記載の周波数応答測定装置。
【請求項４】
前記機械系は、複数の可動軸を有し、
前記加振実行部は、前記複数の可動軸を同時に互いに異なる加振周期で加振することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の周波数応答測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業用機械において周波数応答を測定する周波数応答測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
産業用機械では、機械系の状態を診断しあるいは振動特性を把握するため、機械系の周波数応答を測定することが行われる。また、サーボ系の調整を行なう際に、速度ループおよび位置ループといった制御ループの周波数応答を測定することも行われる。周波数応答は、特定の周波数の入力信号を与えた場合の出力信号に対して、入力信号と出力信号との振幅の比と位相の比であり、周波数と振幅比（ゲイン）および周波数と位相の関係で表現される。
【０００３】
周波数応答の測定に際しては、従来は正弦波状の入力信号を与え、入力する正弦波の周波数を順次変更して周波数ごとのゲインおよび位相の測定を行っていたが、入力信号の周波数を徐々に変えて出力信号を測定していく方法であり、周波数応答の測定に多大な時間を要するという問題があった。
【０００４】
このような問題を解決するため、下記特許文献１に代表される従来技術には、ホワイトノイズを入力信号とし、速度指令であるホワイトノイズを与えたときの速度をサンプリングし、サンプリングして得られた速度データと速度指令とをフーリエ変換することによって、速度指令から速度までの周波数応答特性を求めることが開示されている。理想的なホワイトノイズはすべての周波数成分を含む信号であるため、短い測定時間ですべての周波数領域における周波数応答を測定することが可能となる。ホワイトノイズにはＭ系列信号と呼ばれる擬似ランダム信号が用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２７８９９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、すべての周波数成分を含むホワイトノイズを印加して機械系を加振したときの機械系の応答波形、例えば速度フィードバックデータを測定する。ところが、機械系に外乱要因である摩擦が存在する場合、ホワイトノイズを与えても機械系が加振されず、周波数応答を正しく求めることができないという問題がある。特に、機械系の摩擦の影響によって低周波数領域の応答性が悪くなってしまい、低い周波数領域における周波数応答を正しく求めることができない。
【０００７】
具体的には、トルクから速度フィードバックまでの周波数応答を測定する場合、機械系が剛体系で近似できる場合であれば、低い周波数領域の周波数応答は、ゲイン線図が−２０ｄＢ／ｄｅｃの直線状となり、位相線図が−９０°で一定となるはずである。これに対して、摩擦の影響によって低い周波数領域が加振されない場合、入力に対して出力が応答していないとみなされるため、その領域ではゲインが、本来の値よりも小さくなってしまい、位相が０°に近い値となってしまう。
【０００８】
このように周波数応答測定結果を正しく求めることができなければ、低周波数領域のゲインの値を読み取って機械系のイナーシャを推定する場合、大きな推定誤差が生じる。また、ゲイン曲線のピークや位相曲線の変化を読み取って機械系の共振周波数や減衰比を推定するといった場合、誤った値を推定してしまう。さらに制御系の調整のために周波数応答を測定する場合、低い周波数領域のゲインが本来の値よりも小さい値が測定されてしまうと、制御系の帯域を正しく求めることができず、制御系のゲインチューニングの適切な調整ができないという問題が生じる。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、外乱を受けても広い周波数範囲にわたって周波数応答を精度よく求めることができる周波数応答測定装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、機械系をフィードバック制御するサーボ系の周波数応答を測定する周波数応答測定装置において、複数の異なる加振周期を設定する加振周期設定部と、前記異なる加振周期の加振信号で前記サーボ系を複数回加振する加振実行部と、前記複数回の加振がなされた前記サーボ系から、前記複数回の加振ごとに同定入力信号と同定出力信号の組を取得し、前記複数回の加振ごとの前記加振周期と、前記複数回の加振ごとの前記同定入力信号と前記同定出力信号の組とに基づいて、前記周波数応答を演算する周波数応答演算部と、前記複数回の加振周期ごとの周波数応答を合成して、前記サーボ系の周波数応答を演算する周波数応答合成部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、複数の異なる加振周期を用いて周波数応答を演算することにより、外乱を受けても広い周波数範囲にわたって周波数応答を精度よく求めることができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る周波数応答測定装置の構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１に係る周波数応答測定装置が適用されるサーボ系の構成図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１に係る周波数応答測定装置の測定対象である機械系の構成図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態２に係る周波数応答測定装置の構成図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態３に係る周波数応答測定装置の測定対象である機械系の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明に係る周波数応答測定装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１４】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る周波数応答測定装置１００の構成図、図２は本発明の実施の形態１に係る周波数応答測定装置１００が適用されるサーボ系３の構成図、図３は本発明の実施の形態１に係る周波数応答測定装置１００の測定対象である機械系３５の構成図である。
【００１５】
図１に示される周波数応答測定装置１００は、サーボ系３の周波数応答を測定する装置であり、加振周期設定部１、加振実行部２、周波数応答演算部４、および周波数応答合成部５を備える。
【００１６】
加振周期設定部１は、加振実行部２における加振信号Ｖｉｎの加振周期Ｔを設定する。加振実行部２は、加振周期設定部１で設定された加振周期Ｔに対応する加振信号Ｖｉｎを出力する。
【００１７】
加振実行部２から出力された加振信号Ｖｉｎはサーボ系３に入力され、後述する構成のサーボ系３において加振が実行される。加振時におけるサーボ系３内部の同定入力信号３ａと同定出力信号３ｂとが周波数応答演算部４に送られる。
【００１８】
周波数応答演算部４は、同定入力信号３ａと同定出力信号３ｂの間の周波数応答を演算する。具体的には、周波数応答演算部４の内部では、複数回行われる加振ごとに入力された同定入力信号３ａと同定出力信号３ｂによって各回の周波数応答が演算される。演算された各回の周波数応答は、周波数応答合成部５に入力される。
【００１９】
周波数応答合成部５には、周波数応答演算部４で演算された各回の周波数応答と、加振周期設定部１からの加振周期Ｔとが入力される。周波数応答合成部５は、各回の加振周期Ｔに対応した周波数応答を合成し、合成した周波数応答を出力する。
【００２０】
図２に示されるサーボ系３は、減算部３１、位置制御部３２、加減算部３３、速度制御部３４、機械系３５を備える。機械系３５は主にサーボモータ３６および負荷３７で構成され、サーボモータ３６には負荷３７が接続されている。機械系３５の詳細は後述する。加減算部３３、速度制御部３４、サーボモータ３６は速度制御ループを構成し、減算部３１、位置制御部３２、加減算部３３、速度制御部３４、およびサーボモータ３６は位置制御ループを構成する。
【００２１】
位置指令６は、図示しない数値制御装置によって指令され、通常はＮＣプログラムで仕様するＧコード（ＥＩＡコード）に従って時々刻々に更新される。ただし加振信号Ｖｉｎを与えて加振を行う際には、一定値の位置指令６が与えられているものとする。
【００２２】
減算部３１では、位置指令６とモータ位置θとの偏差３１ａが演算され、偏差３１ａは位置制御部３２に入力される。加減算部３３では、位置制御部３２の出力信号３２ａと加振信号Ｖｉｎとの和からモータ速度ｖを減算することで速度偏差ｅが演算される。
【００２３】
速度偏差ｅは速度制御部３４に入力され、速度制御部３４ではトルク指令τが演算され、サーボモータ３６は、トルク指令τに従って駆動制御される。なお、実際には速度制御ループの内部にトルク制御部および電力変換部が存在するが、その応答は非常に速く、その応答遅れは無視できるため図２では記載を省略している。また位置制御部３２の位置制御には比例制御を用い、速度制御部３４の速度制御には比例積分制御を用いる。
【００２４】
図３には機械系３５の構成例が示される。トルク指令τを受けて回転トルクを発生するサーボモータ３６には、シャフト３９を介して負荷イナーシャである負荷３７が接続されている。さらにサーボモータ３６には、位置検出器であるロータリーエンコーダ３８が取り付けられており、ロータリーエンコーダ３８は、サーボモータ３６の位置である回転角度を検出し、回転角度を微分演算することにより、モータ速度ｖを得る。
【００２５】
次に実施の形態１に係る周波数応答測定装置１００における周波数応答測定動作を説明する。加振周期設定部１は、２種類の加振周期Ｔ１，Ｔ２を設定する。実施の形態１では加振周期Ｔ２が加振周期Ｔ１より長い値であるものとする。具体的には、加振周期Ｔ１はサーボ制御系のサンプリング周期と同一とし、加振周期Ｔ２は加振周期Ｔ１の数倍程度、一例としては４倍から８倍とする。
【００２６】
加振実行部２は、加振周期Ｔ１に対応した１回目の加振信号Ｖｉｎ１と、加振周期Ｔ２に対応した２回目の加振信号Ｖｉｎ２とを生成する。なお、加振信号Ｖｉｎは、それぞれ擬似ランダム信号であるＭ系列信号の生成アルゴリズムに従って設定された点数に対応する−１と＋１の２値信号を生成した後に、２値信号に加振振幅が乗算されたものである。
【００２７】
このとき、Ｍ系列信号は離散的に変化する信号となり、その変化のタイミング、すなわち２値信号が一方の値から他方の値に変化してから次に変化が生じるまでの時間間隔は、設定された基準周期の整数倍となる。基準周期は、１回目の加振信号Ｖｉｎ１では加振周期Ｔ１であり、２回目の加振信号Ｖｉｎ２では加振周期Ｔ２である。加振周期Ｔ２は加振周期Ｔ１より長いため、２回目の加振信号Ｖｉｎ２は１回目の加振信号Ｖｉｎ１よりも値の変化の頻度が少なくなる。なお、Ｍ系列信号の生成方法は信号処理の分野では公知であるので、ここでは説明を省略する。
【００２８】
サーボ系３では、まず１回目の加振信号Ｖｉｎ１が加振信号Ｖｉｎとして印加され、１回目の加振が行われる。加振の際、位置指令６は一定値とする。すなわち加振信号Ｖｉｎによって機械系３５の加振が行われる。実施の形態１では、周波数応答測定装置１００を用いて機械系３５の周波数応答、すなわちトルク指令τからモータ速度ｖまでの周波数応答を求めるものとする。そのため、周波数応答演算部４は、加振中のトルク指令τである１回目の同定入力信号３ａと、加振中のモータ速度ｖである１回目の同定出力信号３ｂとを取得する。
【００２９】
周波数応答演算部４では、１回目の同定入力信号３ａと１回目の同定出力信号３ｂに基づいて、トルク指令τからモータ速度ｖまでの周波数応答が演算される。同定入力信号３ａと同定出力信号３ｂとから入出力間の周波数応答を求める方法については、ペリオドグラムＦＦＴ法やＡＲＸモデル同定、部分空間法など公知の手法を用いることができる。それらの手法の詳細の一例は「ＭＡＴＬＡＢによる制御のためのシステム同定」（東京電機出版）Ｒ．Ｐｉｎｔｅｌｏｎ，Ｊ．Ｓｃｈｏｕｋｅｎｓ著「Ｓｙｓｔｅｍ  Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ」（ＩＥＥＥ  Ｐｒｅｓｓ）に記載されているので、ここでは説明を省略する。１回目の加振における周波数応答をＧ１（ｊ２πｆ）とする。ｆは、周波数でありその単位はＨｚである。Ｇ１（ｊ２πｆ）の絶対値がゲインとなり、Ｇ１（ｊ２πｆ）の複素領域での偏角が位相となる。
【００３０】
２回目の加振信号Ｖｉｎ２による加振も、１回目の加振と同様に行われる。２回目の加振において得られた周波数応答をＧ２（ｊ２πｆ）とする。
【００３１】
次に、周波数応答合成部５における周波数応答の演算手順を説明する。周波数応答合成部５は、１回目の加振周期Ｔ１の逆数を１回目の加振周波数Ｆ１に設定し、２回目の加振周期Ｔ２の逆数を２回目の加振周波数Ｆ２に設定する。加振周期Ｔ２は加振周期Ｔ１よりも長いため、加振周波数Ｆ２は加振周波数Ｆ１よりも低い値となる。ここで２回目の加振周波数Ｆ２の１／２よりも低い周波数を境界周波数Ｆｂとしたとき、境界周波数Ｆｂの一例としては加振周波数Ｆ２の１／４とする。周波数応答合成部５は、１回目の加振における周波数応答Ｇ１（ｊ２πｆ）の境界周波数Ｆｂ以上の周波数領域の応答と、２回目の加振における周波数応答Ｇ２（ｊ２πｆ）の境界周波数Ｆｂ未満の領域における応答とを合成し、合成した周波数応答、すなわちトルク指令τから速度までの周波数応答Ｇ（ｊ２πｆ）を出力する。以上の合成演算は次式で表すことができる。
【００３２】
【数１】
2016010287.tif 000003
【００３３】
ホワイトノイズの一例であるＭ系列信号で加振を行う場合、ナイキストの定理により、基準周波数の１／２以上の周波数成分は加振信号に含まれない。また、基準周波数よりも相対的に低い周波数領域では、信号のＳ／Ｎ比または摩擦といった外乱の影響の関係から、当該領域の成分が加振信号に含まれにくくなる。従って、単一の加振周期で加振した場合には、低周波数領域および高周波数領域の周波数応答を正しく求めることができなくなる。
【００３４】
実施の形態１の周波数応答測定装置１００は、複数の加振周期Ｔ１，Ｔ２を設定して、低周波数領域では、加振周期Ｔ１よりも長い加振周期Ｔ２、すなわち加振周波数Ｆ１よりも低い加振周波数Ｆ２で加振した場合の周波数応答を用い、高周波数領域では、加振周期Ｔ２よりも短い加振周期Ｔ１、すなわち加振周波数Ｆ２よりも高い加振周波数Ｆ１で加振した場合の周波数応答を用いるようにしたので、広い周波数範囲にわたって周波数応答を精度よく求めることができる。
【００３５】
なお実施の形態１では、機械系３５の周波数応答を取得するため、同定入力信号３ａであるトルク指令τと同定出力信号３ｂであるモータ速度ｖとを用いたが、サーボ系３の内部のその他の信号を用いてもよい。具体的には、速度開ループの周波数応答を測定する場合、速度偏差ｅを同定入力信号３ａに用い、モータ速度ｖを同定出力信号３ｂに用いればよい。また、速度閉ループの周波数応答を測定する場合、位置制御部３２の出力信号３２ａを同定入力信号３ａに用い、モータ速度ｖを同定出力信号３ｂに用いればよい。
【００３６】
実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２に係る周波数応答測定装置１００の構成図である。実施の形態１との相違点は、加振周期設定部１において３種類の加振周期Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３が設定されている点である。以下、実施の形態１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００３７】
実施の形態２では、加振周期Ｔ２が加振周期Ｔ１より長い値であり、加振周期Ｔ３が加振周期Ｔ２より長い値であるものとする。具体的には、加振周期Ｔ１はサーボ制御系のサンプリング周期と同一とし、加振周期Ｔ２は加振周期Ｔ１の数倍程度、一例としては４倍から８倍とする。加振周期Ｔ３は加振周期Ｔ２の数倍程度、一例としては４倍から８倍とする。
【００３８】
加振実行部２は、加振周期Ｔ１に対応した１回目の加振信号Ｖｉｎ１と、加振周期Ｔ２に対応した２回目の加振信号Ｖｉｎ２と、加振周期Ｔ３に対応した３回目の加振信号Ｖｉｎ３とを生成する。各加振周期ごとの加振信号Ｖｉｎの生成方法は実施の形態１と同様である。また加振実行部２は、実施の形態１と同様に加振を行い、１回目の加振における周波数応答をＧ１（ｊ２πｆ）、２回目の加振において得られた周波数応答をＧ２（ｊ２πｆ）、３回目の加振において得られた周波数応答をＧ３（ｊ２πｆ）とする。
【００３９】
次に、周波数応答合成部５における周波数応答の演算手順を説明する。１回目の加振周期Ｔ１の逆数を１回目の加振周波数Ｆ１、２回目の加振周期Ｔ２の逆数を２回目の加振周波数Ｆ２、３回目の加振周期Ｔ３の逆数を３回目の加振周波数Ｆ３とする。Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の大小関係により、加振周波数Ｆ３は加振周波数Ｆ２よりも低い値となり、加振周波数Ｆ２は加振周波数Ｆ１よりも低い値となる。２回目の加振周波数Ｆ２の１／２よりも低い周波数を第１の境界周波数Ｆｂ１とする。第１の境界周波数Ｆｂ１の一例としては加振周波数Ｆ２の１／４とする。また、３回目の加振周波数Ｆ３の１／２よりも低い周波数を第２の境界周波数Ｆｂ２とする。第２の境界周波数Ｆｂ２の一例としては加振周波数Ｆ３の１／４とする。
【００４０】
周波数応答合成部５は、１回目の加振における周波数応答Ｇ１（ｊ２πｆ）の中の第１の境界周波数Ｆｂ１以上の周波数領域の応答と、２回目の加振における周波数応答Ｇ２（ｊ２πｆ）の中の第２の境界周波数Ｆｂ２以上かつ第１の境界周波数Ｆｂ１未満の領域における応答と、３回目の加振における周波数応答Ｇ３（ｊ２πｆ）の境界周波数Ｆｂ２未満の領域における応答とを合成し、合成した周波数応答、すなわちトルク指令τから速度までの周波数応答Ｇ（ｊ２πｆ）を出力する。
【００４１】
【数２】
2016010287.tif 000004
【００４２】
実施の形態２に係る周波数応答測定装置１００は、３種類の加振周期Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３を設定して、低周波数領域では、加振周期Ｔ２よりも長い加振周期Ｔ３、すなわち加振周波数Ｆ２よりも低い加振周波数Ｆ３で加振した場合の周波数応答を用い、中周波数領域では、加振周期Ｔ３よりも短く加振周期Ｔ１よりも長い加振周期Ｔ２、すなわち加振周波数Ｆ１よりも低く加振周波数Ｆ３よりも高い加振周波数Ｆ２で加振した場合の周波数応答を用い、高周波数領域では、加振周期Ｔ２よりも短い加振周期Ｔ１、すなわち加振周波数Ｆ２よりも高い加振周波数Ｆ１で加振した場合の周波数応答を用いるため、より広い周波数範囲にわたって周波数応答を精度よく求めることができる。
【００４３】
実施の形態３．
図５は本発明の実施の形態３に係る周波数応答測定装置１００の測定対象である機械系の構成図である。実施の形態３の周波数応答測定装置１００はその構成が実施の形態１と同一であるが、実施の形態３では測定対象である機械系の構造が異なり、図５にはその機械系の一例である２軸機械４０が示されている。
【００４４】
２軸機械４０は、可動軸である第１軸４１および第２軸４５で構成されている。第１軸４１は第１軸モータ４２、第１軸位置検出器４３、および第１軸負荷４４で構成される。第１軸負荷４４は、第１軸４４ａと第１テーブル４４ｂとで構成され、第１軸モータ４２の回転運動をボールねじである第１軸４４ａにより直線運動に変換し、第１テーブル４４ｂを直線移動させる。第２軸４５は第２軸モータ４６、第２軸位置検出器４７、および第２軸負荷４８で構成される。第２軸負荷４８は、第２軸４８ａおよび第２テーブル４８ｂで構成され、第２軸モータ４６の回転運動をボールねじである第２軸４８ａにより直線運動に変換し、第２テーブル４８ｂを直線移動させる。第１軸モータ４２および第２軸モータ４６に対しては実施の形態１と同様に独立したサーボ制御が行われる。
【００４５】
次に実施の形態３に係る周波数応答測定装置１００における周波数応答測定動作を説明する。加振周期設定部１は、２種類の加振周期Ｔ１，Ｔ２を設定する。前述した第１軸４１を第１軸とし、第２軸４５を第２軸としたとき、サーボ系３では、加振周期Ｔ１による第１軸の加振と加振周期Ｔ２による第２軸の加振とが同時に行われる。周波数応答演算部４では、第１軸の加振周期Ｔ１における周波数応答Ｇ１ｘ（ｊ２πｆ）と、第２軸の加振周期Ｔ２における周波数応答Ｇ２ｙ（ｊ２πｆ）とが同時に演算される。
【００４６】
続いてサーボ系３では、加振周期Ｔ２による第１軸の加振と加振周期Ｔ１による第２軸の加振とが同時に行われる。周波数応答演算部４では、第１軸の加振周期Ｔ２における周波数応答Ｇ２ｘ（ｊ２πｆ）と、第２軸の加振周期Ｔ１における周波数応答Ｇ１ｙ（ｊ２πｆ）とが同時に演算される。
【００４７】
１回目の加振周期Ｔ１の逆数を高域の加振周波数Ｆ１とし、２回目の加振周期Ｔ２の逆数を低域の加振周波数Ｆ２とする。低域の加振周波数Ｆ２の１／２よりも低い周波数を境界周波数Ｆｂとする。境界周波数Ｆｂの一例としてはＦ２の１／４とする。周波数応答合成部５は、第１軸と第２軸の各々について、加振周期Ｔ１における周波数応答の境界周波数Ｆｂ以上の周波数領域の応答と、加振周期Ｔ２における周波数応答の境界周波数Ｆｂ未満の領域における応答とを合成し、合成した周波数応答、すなわちトルク指令τから速度までの周波数応答を出力する。第１軸のトルク指令τからモータ速度ｖまでの周波数応答をＧｘ（ｊ２πｆ）とし、第２軸のトルク指令τからモータ速度ｖまでの周波数応答をＧｙ（ｊ２πｆ）としたとき、以上の合成演算は次式で表すことができる。
【００４８】
【数３】
2016010287.tif 000005
【数４】
2016010287.tif 000006
【００４９】
複数の軸の周波数応答を測定する場合、１軸ずつ加振して測定すると測定時間が長くなってしまうため、複数の軸を同時に加振することで測定時間の短縮を図ることができる。ところが上記特許文献１に代表される従来技術では、すべての周波数成分を含むホワイトノイズを印加して機械系を加振するため、複数の軸を同時に加振したときに、軸間の干渉により周波数応答の測定が正しく行えないという問題があった。すなわち、Ｘ軸とＹ軸を有する機械において、Ｘ軸である第１軸とＹ軸である第２軸に対して同時にホワイトノイズを印加して加振した場合、例えばＸ軸の周波数応答には、Ｘ軸を加振したことに起因する応答成分とＹ軸を加振したことに起因する応答成分とが重畳されることになり、Ｘ軸単体の周波数応答を正しく求めることができなくなる。
【００５０】
これに対して実施の形態３に係る周波数応答測定装置１００では、第１軸と第２軸とを同時に加振するとき、第１軸と第２軸の加振周期を変えている。そのため、第１軸と第２軸との間の干渉の影響を回避しながら、短時間で周波数応答の測定を行うことができる。すなわち、ホワイトノイズの一例であるＭ系列信号で加振を行う場合、ナイキストの定理により、基準周波数の１／２以上の周波数成分は加振信号には含まれない。また、基準周波数よりも相対的に低い周波数領域では、信号のＳ／Ｎ比または摩擦といった外乱の影響の関係から、当該領域の成分が加振信号に含まれにくくなる。従って、長い周期で第１軸を加振して短い周期で第２軸を加振した場合、低周波数領域における第１軸の加振が第２軸の挙動に及ぼしても、同時に加振する第２軸は短い周期の加振であるため低周波数領域の成分は加振結果には含まれなくなり、第１軸の加振の影響を受けずに第２軸の高周波数領域の周波数応答を測定することができる。
【００５１】
なお、実施の形態３では機械系の一例である２軸機械４０が用いられているが、実施の形態３の周波数応答測定装置１００の測定対象は２軸の可動軸を有する機械系に限定されるものではなく、３軸以上の２軸の可動軸を有する機械系であってもよい。
【００５２】
以上に説明したように実施の形態１から３に係る周波数応答測定装置１００は、複数の異なる加振周期を設定する加振周期設定部１と、異なる加振周期の加振信号でサーボ系３を複数回加振する加振実行部２と、複数回の加振がなされたサーボ系３から、複数回の加振ごとに同定入力信号３ａと同定出力信号３ｂの組を取得し、複数回の加振ごとの加振周期と、複数回の加振ごとの同定入力信号３ａと同定出力信号３ｂの組とに基づいて、周波数応答を演算する周波数応答演算部４と、複数回の加振周期ごとの周波数応答を合成して、サーボ系３の周波数応答を演算する周波数応答合成部５と、を備える。この構成により、単一の加振周期で加振した場合には低周波数領域および高周波数領域の周波数応答を正しく求めることができなくなるのに対し、実施の形態１から３に係る周波数応答測定装置１００では、周波数範囲ごとに適切な加振周期の加振信号を用いて加振することができるので、広い周波数範囲にわたって周波数応答を精度よく求めることができる。
【００５３】
また、実施の形態１から３に係る周波数応答合成部５は、加振周期の逆数である加振周波数に基づいて、複数回の加振周期ごとに異なる周波数範囲を設定し、複数回の加振周期ごとの周波数応答の中から、複数回の加振周期ごとに異なる周波数範囲に対応する応答を抽出して合成する。この構成により、測定対象である低周波数領域、中周波数領域、および高周波数領域を含む全ての周波数範囲が複数の周波数範囲に分割され、分割された各周波数範囲ごとに適切な加振周期の加振信号を用いて加振することができるので、全ての周波数範囲にわたって周波数応答を精度よく求めることができる。
【００５４】
また、実施の形態１から３に係る周波数応答合成部５に設定される複数回の加振周期ごとに異なる周波数範囲は、加振周期の逆数である加振周波数が高いほど高い周波数範囲となる。この構成により、低周波数領域では相対的に長い加振周期、すなわち相対的に低い加振周波数で加振した場合の周波数応答を用い、高周波数領域では短い加振周期すなわち高い加振周波数で加振した場合の周波数応答を用いることができるので、広い周波数範囲にわたって周波数応答を精度よく求めることができる。
【００５５】
また、実施の形態３に係る周波数応答測定装置１００は、機械系が複数の可動軸を有し、加振実行部２は複数の可動軸を同時に互いに異なる加振周期で加振する。複数の可動軸を同時に加振することにより測定時間を短縮でき、また、同時に加振しても軸間の干渉に影響されることなく各軸の周波数応答を精度よく測定できる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
以上のように、本発明は、産業用機械の状態を診断するために周波数応答を測定する周波数応答測定装置に有用である。
【符号の説明】
【００５７】
１  加振周期設定部、２  加振実行部、３  サーボ系、４  周波数応答演算部、５  周波数応答合成部、６  位置指令、３１  減算部、３２  位置制御部、３３  加減算部、３４  速度制御部、３５  機械系、３６  サーボモータ、３７  負荷、３８  ロータリーエンコーダ、３９  シャフト、４０  ２軸機械、４１  第１軸、４２  第１軸モータ、４３  第１軸位置検出器、４４  第１軸負荷、４５  第２軸、４６  第２軸モータ、４７  第２軸位置検出器、４８  第２軸負荷、１００  周波数応答測定装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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