JPH0634481A

JPH0634481A - 振動制御装置

Info

Publication number: JPH0634481A
Application number: JP4058062A
Authority: JP
Inventors: Kazuyoshi Ueno; 和良上野; Yoshitsuna Ishikawa; 吉綱石川; Kazuhiko Matsuo; 和彦松尾; Koji Horiuchi; 孝二堀内
Original assignee: I M V KK; IMV KK
Current assignee: I M V KK; IMV KK
Priority date: 1992-03-16
Filing date: 1992-03-16
Publication date: 1994-02-08
Anticipated expiration: 2010-01-30
Also published as: JPH076866B2

Abstract

(57)【要約】【目的】定格変位値の小さな振動発生器でも、低周波領
域に大きな目標スペクトル成分を有する振動試験を行う
ことが出来る。【構成】Ａ／Ｄ変換器８は供試体４の振動データをディ
ジタル信号に変換し、このディジタル信号からフーリエ
変換手段10は、応答スペクトルを演算する。制御演算手
段12は応答スペクトルと目標スペクトルを比較し、ドラ
イブスペクトルを演算する。ドライブスペクトルは逆フ
ーリエ変換手段14により、逆フーリエ変換が行われ、さ
らに窓操作手段16によってドライブ信号のスペクトル構
造が連続化され、Ｄ／Ａ変換器18によってアナログ信号
に変換される。低周波出力信号除去手段19は、窓操作を
行うことによって発生した「しみ出し」のうち不要な低
周波出力信号を除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、振動環境をシミュレ
ートするために用いる振動制御装置に関するものであ
り、特に振動発生器に悪影響のある低周波出力信号の除
去に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】輸送中や稼働中に製品に与えられる不規
則振動により、製品が故障に至ることは一般によく知ら
れている。そこで、試作や量産の各段階において、シミ
ュレータにより、製品に不規則振動を与えて耐振動性を
試験することが行われており、これを振動試験と呼んで
いる。このような振動試験において振動発生器を制御す
るのが、振動制御装置である。

【０００３】現実の稼働環境や輸送環境におかれた機器
に加わる振動は、一般的に不規則な波形をしており、た
とえば正弦波にみられるような明瞭な規則性は見出され
ない。このような不規則な波形そのものを、機器に加え
ることは困難である。そこで、現実に加わる不規則波形
パワースペクトル密度を算出し、当該目標とするパワー
スペクトル密度（目標スペクトルという）を有する波形
を機器に加えるようにしている。

【０００４】ここで、考慮すべきことは、振動発生器自
体も周波数特性を有するということである。したがっ
て、単に、目標スペクトル有するドライブ信号を振動発
生器に与えるだけでは、目標とするスペクトルを有する
振動を機器に与えることはできない。そこで、振動発生
器の周波数応答性を考慮した上で、目標スペクトルを補
正し、これをドライブスペクトルとして持つ時系列信号
を生成し、これを振動発生器に与えるようにしている。

【０００５】つぎに、特開平2-98717公報に開示されて
いる振動制御装置20の構成および振動制御方法を図５を
用いて説明する。振動制御装置20に接続されている振動
発生器２は、入力された電気信号に基づいて、振動を発
生するものである。振動試験を行う対象である機器は、
供試体４として振動発生器２に固定される。供試体４に
は、加速度ピックアップ６が取り付けられている。供試
体４の振動は加速度ピックアップ６により電気信号に変
換される。この電気信号は、ローパスフィルタ９によ
り、高周波信号が除去されたのち、Ａ／Ｄ変換器８に与
えられる。したがって、供試体４の振動状況を表わすア
ナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器８によってディジタル信号
に変換される。このディジタル信号はフーリエ変換手段
10に入力され、位相角の捨てられた絶対値としてのパワ
ースペクトル密度が演算される。このパワースペクトル
密度を応答スペクトルという。なお、このような演算を
計算機上で実行するためには、変換の離散化が必要であ
り、実際には、離散フーリエ変換を行う。

【０００６】この際、演算速度の速い高速フーリエ変換
ＦＦＴアルゴリズムを用いるのが一般的である。上記の
様に離散フーリエ変換を行うことから、得られる応答ス
ペクトルは線スペクトルとなる。

【０００７】このようにして演算された応答スペクトル
は、制御演算手段12において、目標スペクトルと比較さ
れる。比較の結果、次に与えるべきスペクトルが演算さ
れる。これをドライブスペクトルといい、やはり線スペ
クトルである。逆フーリエ変換手段14は、このドライブ
スペクトルにランダムな位相を与え、逆フーリエ変換を
行う。すなわち、時間関数のディジタルデータに再変換
される。このディジタルデータはＤ／Ａ変換器18によっ
てアナログ信号に変換された後、ローパスフィルタ21で
高周波成分を除去し振動発生器２に与えられる。

【０００８】上記の動作が繰り返され、供試体４に、目
標スペクトルを有する振動が加えられる。

【０００９】ところで、逆フーリエ変換手段14によって
時間関数に変換されたデータは、ディジタルデータであ
るので、供試体４には、離散化されたスペクトルを有す
る振動が与えられることとなる。そこで、振動制御装置
20においては、実際に存在する振動に近づけるために、
窓操作手段16によって、離散化されたスペクトルをなめ
らかに連続させるようにしている。

【００１０】窓操作手段16の具体的なデータ変換動作を
説明する。まず、フーリエ変換手段10に入力されたＴ秒
分のデータ（１フレームと呼ぶ）のデータを循環メモリ
に記憶し、読出先頭位置を変えることにより、複数フレ
ームのデータを作成する。つぎに、フレームとフレーム
の間のデータに連続性を持たせるため、窓操作が行われ
る。この窓操作を図６、および図７を用いて説明する。
図６は１つのフレームを基に作成された２つのフレーム
101、102を表わしたものである。実際にはこれらのデー
タはディジタル信号であるが、理解を容易にするためア
ナログ信号の形式で表示している。これらの各信号101、
102に、正弦半波（1/2波長分の正弦関数）またはHannin
g関数等による適切な窓関数を掛合わせ、図７に示す波
形201、202を得る。この各波形201、202を時間軸上でずら
せながら重ね合せ、出力信号300を得ている。

【００１１】このような処理を施して得られたデータを
スペクトル成分で見ると、図８Ａの各スペクトルライン
上の線スペクトル線分73が図８Ｂに示すように、元の成
分周波数を中心にして広がりをもつ連続スペクトル成分
74に変化する。各スペクトルラインごとに生じるこのよ
うな「しみ出し」の効果が重なり合って、全体のスペク
トル75が形成される。すなわち、窓操作手段16によって
窓操作を行なうことにより、離散化されたスペクトルを
もつデータを連続スペクトルをもつデータに変換させる
ことができる。

【００１２】「しみ出し」の効果が重なり合って形成さ
れる全体のスペクトル75について同図を用いて詳細に説
明する。なお同図Ａ、Ｂとも横軸は、周波数軸であり、
縦軸はパワースペクトル密度を表わしており、また周波
数の分解能Δｆは2.5Hzである。

【００１３】仮に、同図Ａに示すようなドライブスペク
トル73が得られているとする。ドライブスペクトル73
は、周波数10Hz以上の領域にパワースペクトル密度が存
在し、周波数10Hz以下の領域においてはパワースペクト
ル密度は０である目標スペクトルを実現するために必要
なスペクトルである。なお、この例では簡単のため、被
制御系の伝達特性はフラットであると仮定している。

【００１４】このようなドライブスペクトル73をもつ周
波数領域データを造り、逆フーリエ変換を行い、窓操作
手段16によって、そのスペクトル構造を連続化し、Ｄ／
Ａ変換器18によってアナログ信号に変換し、振動発生器
２に与える。そして、供試体４の振動状況を表わすアナ
ログ信号を、ディジタル信号に変換し、応答スペクトル
を見てみると、図８Ｂに示すドライブスペクトル75に対
応して、各スペクトルラインごとに「しみ出し」が発生
している。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
振動制御装置20においては、つぎに述べるような問題が
あった。窓操作により生ずる「しみ出し」は、当然図８
Ｂに示すように、周波数10Hz以下の部分にも発生する。
その結果、このような低いスペクトル成分の「しみ出
し」を含むドライブ信号が、振動発生器２に与えられ
る。これにより、目標スペクトルには存在しない低いス
ペクトル成分の振動も、供試体４に与えられることとな
る。

【００１６】ここで、振動発生器２に発生する変位Ｄ
は、スペクトル成分の周波数ｆｓの２乗に反比例して大
きくなる。したがって、上記周波数ｆｓが数10Hz以上の
場合は、「しみ出し」による変位増加の絶対量は小さ
く、振動発生器２に対して悪影響を与えるという問題は
ない。しかし、周波数ｆｓが10Hz以下の低周波領域で
は、「しみ出し」による変位増加の絶対量が大きくな
り、振動発生器２に対して、定格（通常10〜25mm(0-P)
程度）をこえる変位を与えることとなる。

【００１７】このような問題を解決するため、従来は、
低周波領域（10Hz以下）に大きな目標スペクトル成分を
有する振動試験にあたっては、定格変位値の大きな振動
発生器を用いるか、もしくは周波数の分解能Δｆを小さ
くすることにより対処していた。しかし、低周波領域に
大きな目標スペクトル成分を有する振動試験において
は、定格変位値の大きな振動発生器を用いなければなら
ないすると、振動試験ができる振動発生器が限定され
る。また、周波数の分解能Δｆを小さくすることは、演
算速度の低下を招くと共に、より大きな記憶容量が必要
となる。

【００１８】この発明は、上記のような問題点を解決
し、定格変位値の小さな振動発生器でも、低周波領域に
大きな目標スペクトル成分を有する振動試験を行うこと
ができるとともに、演算速度の低下や記憶容量の増大を
防止することができる振動制御装置を提供することを目
的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】請求項１にかかる振動制
御装置は、窓操作手段が各フレームをずらしながら重ね
合わせることにより発生する不要な低周波出力信号を除
去する低周波出力信号除去手段を備えたことを特徴とす
る。

【００２０】請求項２にかかる振動制御装置は、さらに
低周波出力信号除去手段が除去する低周波は、１０Hz以
下であることを特徴とする。

【００２１】請求項３にかかる振動制御装置は、さらに
低周波出力信号除去手段が除去する低周波の領域が選択
可能であることを特徴とする。

【００２２】

【作用】請求項１および請求項２にかかる振動制御装置
においては、低周波出力信号除去手段が、窓操作手段が
各フレームをずらしながら重ね合わせることにより発生
する不要な低周波出力信号を除去する。したがって、振
動発生器にその定格をこえる変位を与えることを防止す
ることができる。

【００２３】請求項３にかかる振動制御装置は、さらに
低周波出力信号除去手段が除去する低周波の領域が選択
可能であることを特徴とする。したがって除去する低周
波出力信号を選択することができる。

【００２４】

【実施例】本発明の一実施例を図面に基づいて説明す
る。図１に、この発明に係る振動制御装置の一実施例を
ブロック図で示す。振動制御装置は、高周波入力信号除
去手段23、Ａ／Ｄ変換器８、フーリエ変換手段10、目標
スペクトル記憶手段11、制御演算手段12、逆フーリエ変
換手段14、窓操作手段16、Ｄ／Ａ変換器18、高周波出力
信号除去手段22、および低周波出力信号除去手段19を備
えている。

【００２５】振動制御装置に接続されている振動発生器
２は、入力された電気信号に基づいて、振動を発生する
ものである。振動試験を行う対象である機器は、供試体
４として振動発生器２に固定されている。また供試体４
には、加速度ピックアップ６が取り付けられている。

【００２６】加速度ピックアップ６は、供試体４の振動
を検出し電気信号に変換する。この電気信号（アナログ
信号）は、高周波入力信号除去手段23により、高周波信
号が除去されたのち、Ａ／Ｄ変換器８に与えられ、ディ
ジタル信号に変換される。このディジタル信号から、フ
ーリエ変換手段10により、応答スペクトルが演算され
る。演算された応答スペクトルは、制御演算手段12にお
いて、目標スペクトルと比較される。比較の結果、ドラ
イブスペクトルが演算され、さらに逆フーリエ変換手段
14により、逆フーリエ変換が行われる。これにより、上
記ドライブスペクトルは、時間関数のディジタルデータ
に再変換される。再変換されたディジタルデータは、窓
操作手段16によって、スペクトルが連続化された数フレ
ーム分のディジタルデータに変換される。このディジタ
ルデータはＤ／Ａ変換器18によってアナログ信号に変換
され、高周波出力信号除去手段22によって高周波成分を
除去される。

【００２７】ところで、窓操作手段16によって窓操作を
行うことによって、上述の低周波領域における不要な
「しみ出し」が発生する。そこで、振動制御装置におい
ては、高周波出力信号除去手段22によって高周波成分を
除去した後、低周波出力信号除去手段19により、不要な
低周波出力信号を除去するようにしている。その後、不
要な低周波出力信号を除去した出力信号が、振動発生器
２に与えられる。このような動作が繰り返され、供試体
４に、目標スペクトルを有する振動が加えられる。図
２に、図１の各機能をＣＰＵを用いて実現したハードウ
ェアー構成の一例を示す。ＣＰＵ150は、ＲＯＭ154のプ
ログラムに従い、バスライン50を介して、各部を制御す
る。ＲＡＭ152には、試験実施の際にその実施状況によ
って決まるドライブスペクトルや目標スペクトル等が記
憶される。ＲＯＭ154には、ＣＰＵ150の制御プログラム
等が記憶される。

【００２８】この装置の動作を、第２図、および第３図
のフローチャートを参照して説明する。加速度ピックア
ップ６は、供試体４の振動を検出し電気信号に変換す
る。この電気信号（アナログ信号）は、ローパスフィル
タ９により、高周波信号が除去されたのち、Ａ／Ｄ変換
器８に与えられ、ディジタル信号に変換される。このデ
ィジタル信号は、ＲＡＭ152に記憶される。ＣＰＵ150
は、ＲＡＭ152に記憶されたデータを読み出し（図３ス
テップS1)、位相角の捨てられた絶対値としてのパワー
スペクトル密度を演算し、演算結果をＲＡＭ152に記憶
させる（ステップS2）。このパワースペクトル密度を応
答スペクトルという。なお、このような演算を計算機上
で実行するためには、変換の離散化が必要であるので、
本実施例においては、離散フーリエ変換を行い、その
際、演算速度の速い高速フーリエ変換ＦＦＴアルゴリズ
ムを用いた。このように離散フーリエ変換を行うことか
ら、得られる応答スペクトルは線スペクトルとなる。

【００２９】つぎに、ＣＰＵ150は、ＲＡＭ152にあらか
じめ記憶されている目標スペクトルと、前記応答スペク
トルとを比較し、次に与えるべきドライブスペクトルを
演算し、演算結果をＲＡＭ152に記憶させる（ステップS
3）。なおドライブスペクトルも線スペクトルである。
ＣＰＵ150は、ＲＡＭ152に記憶されているドライブスペ
クトルにランダムな位相を与え、逆フーリエ変換を行
い、時間関数のディジタルデータに再変換し、変換デー
タをＲＡＭ152に記憶する（ステップS4）。

【００３０】ＣＰＵ150は、ＲＡＭ152に記憶されている
変換データに対し、窓操作を行うよう窓操作手段16に指
令する。窓操作手段16は、高速処理可能なＤＳＰで構成
されており、１フレームのデータを循環メモリに記憶
し、読み出し先頭位置を変えることにより、連続スペク
トル化された複数フレームのデータを作成する（図７参
照）。

【００３１】つぎに、このようにして得られた複数のフ
レームをＤ／Ａ変換器18によりアナログ信号に変換し、
ローパスフィルタ21によって高周波成分を除去する。

【００３２】高周波成分が除去されたアナログ信号は、
低周波出力信号除去手段19であるハイパスフィルタ29に
より、不要な低周波出力信号を除去される。これによ
り、窓操作を行うことによって発生する「しみ出し」の
うち不要な低周波出力信号を除去することができる。不
要な低周波出力信号を除去された出力信号が振動発生器
２に与えられ、このような動作が繰り返されることによ
り、供試体４に、目標スペクトルを有する振動が加えら
れる。

【００３３】このように、本実施例においては、窓操作
手段16の後にハイパスフィルタ29を設けている。したが
って、窓操作により発生する不要な低周波出力信号を除
去することができ、振動発生器２にその定格をこえる変
位を与えることを防止することができる。

【００３４】ハイパスフィルタ29の構造を図４に示す。
ハイパスフィルタ29は、コンデンサＣ・抵抗Ｒ₁、Ｒ₂、
Ｒ₃を組合わせた１次フィルタである。ハイパスフィル
タ29のカットオフ周波数ｆ_Cは、以下の式で表わされ
る。

【００３５】ｆ_C＝１／（２πＣ・Ｒ）したがって、所望のカットオフ周波数ｆ_Cにより、コン
デンサＣ、抵抗Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃を設定すればよい。本実
施例では、カットオフ周波数ｆ_Cを1Hz、2Hz、10Hzとし
たので、コンデンサＣを１μＦ、抵抗Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃を
それぞれ160KΩ、80KΩ16KΩとした。

【００３６】このように三種類の抵抗Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃を
設けるとともに、アナログスイッチＳ₁〜Ｓ₄を切替るこ
とにより、所望の目標スペクトルの周波数特性に応じ
て、ハイパスフィルタ29が除去する低周波出力信号を選
択することができる。

【００３７】また、所望の目標スペクトルの周波数特性
によっては、ハイパスフィルタ29が目標スペクトルに悪
影響を与える場合がある。したがって、ハイパスフィル
タ29においては、アナログスイッチＳ₁をオン状態、Ｓ₂
〜Ｓ₄をすべてオフ状態とすることにより、ハイパスフ
ィルタ29を使用しないとすることもできる。

【００３８】なお、ハイパスフィルタ29の特性はそれほ
ど急峻ではないため、必要な低周波出力信号をも除去し
てしまうおそれもある。しかし、振動制御装置１を含む
フィードバックループにより、除去された分を補ったデ
ータをドライブスペクトルとして与えることとなるの
で、目標スペクトルを再現することができる。

【００３９】また、ハイパスフィルタ29を２次フィルタ
としてもよく、さらに、ポジティブフィードバック形ま
たはネガティブフィードバック形のアクティブフィルタ
を用いてもよい。

【００４０】なお、図１に示す振動制御装置１において
は、Ｄ／Ａ変換器18によってアナログ信号に変換してか
ら、低周波出力信号除去手段19により、不要な低周波出
力信号を除去するようにしている。しかし、低周波出力
信号除去手段19としてディジタルハイパスフィルタを、
窓操作手段16とＤ／Ａ変換器18の間に設けてもよい。こ
の場合の動作としては、つぎの様になる。ディジタルハ
イパスフィルタによって、作成された複数フレームのデ
ータのうち、不要な低周波出力信号が除去される。その
後、Ｄ／Ａ変換器18によりアナログ信号に変換され、変
換されたアナログ信号は、高周波出力信号除去手段22に
よって高周波成分が除去され、振動発生器２に与えられ
る。

【００４１】また、ローパスフィルタ21とハイパスフィ
ルタ29を組合わせ、バンドパスフィルタとしてもよい。

【００４２】なお、本実施例においては、ハイパスフィ
ルタ29のカットオフ周波数を10Hz以下としている。しか
し、ハイパスフィルタ29のカットオフ周波数は、振動発
生器２の定格変位にあわせて決定すればよい。

【００４３】また、振動制御装置１においてはその機能
を実現する為に、ＣＰＵ150を用い、ソフトウェアによ
ってこれを実現している。しかし、その一部もしくは全
てを、ロジック回路によって実現してもよい。

【００４４】なお、ＲＯＭ154，ＲＡＭ152の代りに、メ
モリカード等他の記憶媒体を用いてもよい。

【００４５】

【発明の効果】請求項１および請求項２にかかる振動制
御装置においては、低周波出力信号除去手段は、窓操作
手段が各フレームをずらしながら重ね合わせることによ
り発生する不要な低周波出力信号を除去する。したがっ
て、振動発生器にその定格をこえる変位を与えることを
防止することができる。これにより、定格変位値の小さ
な振動発生器でも、低周波領域に大きな目標スペクトル
成分を有する振動試験を行うことができる。また、周波
数の分解能Δｆを必要以上に小さくしなくともよいた
め、演算速度の低下や記憶容量の増大を防止することが
できる。すなわち、安価でありながら、高精度の振動制
御装置を提供することができる。

【００４６】請求項３にかかる振動制御装置は、さらに
低周波出力信号除去手段が除去する低周波の領域が選択
可能であることを特徴とする。したがって目標スペクト
ルの周波数特性に応じて、除去する低周波出力信号を選
択することが可能な振動制御装置を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である振動制御装置の構成を
示すブロック図である。

【図２】振動制御装置の各機能をＣＰＵを用いて実現し
たハードウェアー構成の一例を示す図である。

【図３】ＣＰＵ150の動作を示すフローチャートであ
る。

【図４】ハイパスフィルタ29の構造を示す図である。

【図５】従来の振動制御装置20の構成を示す図である。

【図６】窓操作手段16の機能を説明するための図であ
る。

【図７】窓操作手段16の機能を説明するための図であ
る。

【図８】窓操作により生ずる「しみ出し」を説明するた
めの図である。

【符号の説明】

８・・・Ａ／Ｄ変換器 10・・・フーリエ変換手段 11・・・目標スペクトル記憶手段 12・・・制御演算手段 14・・・逆フーリエ変換手段 16・・・窓操作手段 18・・・Ｄ／Ａ変換器 19・・・低周波出力信号除去手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者堀内孝二兵庫県伊丹市天津藤の木51番地アイエムブイ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】供試体の加速度を測定する加速度ピックア
ップからの検出信号を、ディジタル信号に変換するＡ／
Ｄ変換器、前記ディジタル信号を周波数スペクトルに分析し、応答
スペクトルとして出力するフーリエ変換手段、目標スペクトルを記憶する目標スペクトル記憶手段、応答スペクトルと目標スペクトルとを比較し、ドライブ
スペクトルを求める制御演算手段、ドライブスペクトルにランダムな位相を与えた後、時間
関数のディジタル信号に変換する逆フーリエ変換手段、時間関数のディジタル信号の予め定められた数Ｎ個の語
を１フレームとし、この１フレームのディジタル信号を
循環作用を有する１フレーム記憶手段に記憶させ、取出
先頭位置を変えることにより、複数個のフレームを生成
するとともに、各フレームに窓関数データを掛け算した
後、各フレームをずらしながら重ね合わせる窓操作手
段、窓操作手段からの出力をアナログ信号に変換し、振動発
生器に与えるＤ／Ａ変換器、を備えた振動制御装置において、窓操作手段が各フレームをずらしながら重ね合わせるこ
とにより発生する不要な低周波出力信号を除去する低周
波出力信号除去手段、を備えたことを特徴とする振動制
御装置。
【請求項２】請求項１の振動制御装置において、低周波出力信号除去手段が除去する低周波は、１０Hz以
下であることを特徴とする振動制御装置。
【請求項３】請求項１または請求項２の振動制御装置に
おいて、低周波出力信号除去手段が除去する低周波の領域が選択
可能であることを特徴とする振動制御装置。