JP2015520368A - 位相特性を合致させるように遅延を使用する変換器加速度補償 - Google Patents

Abstract

位相補償を提供するように遅延（２１、４８）を変換器（１０）の先導信号に印加することによって、周波数の関数として変換器（１０）の慣性誤差を補正するための方法およびシステム。システムは、変換器と、変換器に動作可能に連結されたセンサであって、センサは、加速度に直接的または間接的に関係する信号を提供する、センサと、変換器およびセンサからの出力信号のうちの少なくとも１つに基づいて、少なくとも１つの信号を受信するように接続された補償器であって、補償器は、位相補償を提供するために少なくとも１つの信号を遅延させる遅延モジュールを含む、補償器とを備える。

Description

（本発明の背景）
以下の議論は、一般的な背景情報のために提供されるにすぎず、請求された主題の範囲を決定する補助として使用されることを目的としていない。

本発明は、概して、力または圧力変換器等の変換器に関する。より具体的には、本発明は、変換器のための改良型加速度補償に関する。

加速度補償は、力または圧力変換器等の変換器で多くの場合に使用される技法である。そのような変換器が加速されるとき、この運動が測定における誤差（慣性誤差）を引き起こし得る。変換器は、感知要素、および感知要素に取り付けられる付加的な質量から成る。付加的な質量は、固定質量、または変換器の構造による質量であり得る。変換器の能動側として知られているものに取り付けられる、付加的な質量（試験用ユニットの一部ではない）は、質量が加速されるときに感知要素上に力を誘導するであろう。しかしながら、この慣性力は、力が試験用ユニットから変換器に印加される力の結果としてではなく、代わりに、変換器自体の固定具および／または部品の質量を加速するために必要とされる力の結果であるため、誤差を含むと見なされる。

従来、力または圧力の動的測定は、加速度計が、変換器誤差が存在する運動の方向への加速度を感知するように、変換器に連結された、または変換器に近接近して配置された加速度計を用いて、慣性的に誘導された誤差について補正される。力の誤差が加速度に比例するため、測定された加速度を乗算したスカラー値が、慣性誤差に対する補償信号を生じさせる。スカラー値は、感知要素の能動側の変換器の固定具または部品の質量を表す。

上記の補償技法は、変換器の精度を有意に向上させることができる補償信号を提供するが、いくつかの状況では、さらなる精度が所望される。

（本発明の要約）
本概要は、発明を実施するための形態において以下でさらに説明される簡略化形態で、いくつかの概念を導入するために提供される。本概要は、請求された主題の主要特徴または必須特徴を識別することを目的としておらず、また、請求された主題の範囲を決定する補助として使用されることも目的としていない。

効果的な質量結合のために周波数の関数として変換器の慣性誤差を補正するための方法およびシステムが、提供される。本発明の一側面として、システムは、変換器と、変換器に動作可能に連結される、センサであって、加速度に直接的または間接的に関係する信号を提供する、センサとを含む。

ここで、ならびに本説明および図面の間で、加速度に直接的または間接的に関係する信号を提供するセンサは、最も純粋な意味での加速度計を意味することができるか、あるいは計算および／または操作を通して加速度が導出される、代替的な運動センサ（例えば、変位変換器、速度センサ）と置換することができる。

補償器は、変換器またはセンサからの出力信号に基づいて、少なくとも１つの信号を受信するように接続される。補償器は、遅延の印加によって位相補償を提供して、信号を補償する。

本発明の別の側面として、補償情報を生成する方法は、励起運動を変換器およびセンサに印加し、そこから応答信号を取得することを含む。センサは、加速度に直接的または間接的に関係する信号を提供するように変換器に動作可能に連結される。補償情報が、応答信号に基づいて生成される。補償情報は、遅延モジュールを使用して位相補償を提供するように構成され、その周期は、変換器の運動の位相対周波数に基づく。具体的には、本明細書で説明される技法は、効果的な補償を達成するための力および加速度信号の間の位相補正の方法である。一実施形態では、全ての周波数にわたって位相特性を合致させようとするよりもむしろ、本方法は、システムの力学を下回る周波数での位相特性、例えば、機械的共鳴モードまたはフィルタ周波数を概算しようとする。これらのシステムの力学は、一般的に、モード周波数と称されるものとする。多くの場合において、これは、閉ループ制御およびデータ収集の目的で効果的な加速度補償を達成するために十分である。

第１のモード周波数を下回る周波数では、力と加速度との間の位相特性は、線形位相対線形周波数スケール上で視認するときに極めて線形である。遅延を先導信号に導入することによって、２つの信号の間の線形位相対周波数の差異を容易に排除できることが分かっている。遅延は、信号の規模を変化させないであろうが、位相対周波数の傾斜を変化させるであろう。非補償型システムの位相特性の傾斜を測定するために開始および終了周波数を選択することによって、加速度補償を所望の周波数範囲にわたって最適化することができる。

たとえ変換器信号で見られる周波数のモード周波数が、データおよび制御のための目的とする周波数範囲を十分に上回り得たとしても、これらのモードは、モード周波数を十分に下回る力および加速度信号の間の軽微な位相差を生成する。位相補正がないと、軽微な位相差は、より低い周波数でさえも加速度補償の有効性を制限する。本明細書で提供される補償装置および方法の利点は、遅延補償が、実装する簡単な技法であるが、より低い周波数で加速度補償の有効性を多いに向上させることである。

以下の特徴または側面のうちの１つ以上は、所望であれば、前述のシステムおよび方法と組み合わせるか、またはそれらで使用することができる。

変換器は、力変換器、圧力変換器、および／またはトルク変換器を備えることができる。

補償器は、利得および位相補償の両方を提供することができる。補償器によって提供される位相補償は、周波数に加えて別の要因に基づくことができる。例えば、別の要因は、印加された外部負荷に基づくことができる。

遅延は、周波数の選択された範囲のために、例えば、１つの特定の使用実施形態では、第１のモード周波数より小さい周波数のために構成することができる。

図１は、遅延を追加することによって位相補償を提供する補償器を有する、変換器システムの概略ブロック図である。 図２は、遅延を追加することによって位相補償を提供する補償器を有する、第２の変換器システムの概略ブロック図である。 図３は、補償量を確認する方法のフローチャートである。 図４は、本システムの位相対周波数のプロットおよび概算である。 図５は、本システムの位相対周波数のプロット、およびより狭い周波数範囲にわたる図４の概算である。 図６は、信号処理のブロック図である。

（例示的な実施形態の詳細な説明）
本発明は、質量のスカラー表現（従来の加速度補償）の関数としてだけでなく、遅延の使用によって概算される周波数の関数としても、変換器の慣性誤差を補正する技法を導入する。具体的には、本発明の一側面として、本発明の技法から生成される補償信号は、遅延の印加によって、周波数の関数として位相補償を提供する。

別の側面として、本技法はまた、この形態の位相補正により、既知のアプローチとは異なる。図１は、出力信号１０Ａ、および加速度を確認するために直接的または間接的に使用することができる信号１２Ａを提供することが可能なセンサ１２を提供する、変換器１０（例えば、力、トルク、または圧力）を概略的に図示する。図示される実施形態では、センサは、加速度信号を直接的に提供する加速度計であるが、これは一実施形態にすぎない。所望であれば、センサ１２は、絶対的または相対的位置、あるいは別様に進行した距離を示す、出力信号を提供する変位センサ等のセンサであり得る。変換器１０が、以下で議論される補償器２０の示されていないタイマまたはその他の部分から位置を変化させるために要する時間も考慮して、変位センサからの出力信号は、加速度、すなわち、この状況では導出された加速度を示す、信号を提供するように処理することができる。

以下の説明では、「力」という用語は、「力」、「トルク」、または「圧力」のいずれか一方を示唆するものであることに留意されたい。

位相偏移および／または規模減衰あるいは増幅が、周波数の関数として信号１０Ａおよび１２Ａの間に存在し得る。加えて、位相偏移および／または規模減衰あるいは増幅、またはその少なくとも一部分もまた、それぞれ、出力信号１０Ａおよび１２Ａを受信して処理する、処理回路１４および１６によるものであり得る。例えば、ある位相偏移および／または規模減衰あるいは増幅が、再度、周波数の関数として変化し得る、遅延、または異なる遅延を導入し得る、異なる調節器、フィルタ、サンプラ等により起こり得る。

本明細書で説明される本発明の側面は、補償の形態を達成するための力および加速度信号の間の位相補正の方法である。全ての周波数にわたって位相特性を合致させようとするよりもむしろ、本方法は、周波数範囲、例えば、１つの有利な実施形態では、モード周波数を下回る、好ましくは、第１のモード周波数を下回る等の選択された周波数での位相特性を概算する。いくつかの用途では、これは、閉ループ制御およびデータ収集の目的で効果的な加速度補償を達成するために十分である。

第１のモード周波数を下回る周波数では、力と加速度との間の位相特性は、線形位相対線形周波数スケール上で視認するときに極めて線形であることが分かっている。具体的には、遅延を先導信号に導入することによって、２つの信号の間の線形位相対周波数の差異を容易に排除できることが分かっている。遅延は、信号の規模を変化させないであろうが、位相対周波数の傾斜を変化させるであろう。非補償型システムの位相特性の傾斜を測定するために開始および終了周波数を選択することによって、加速度補償を所望の周波数範囲にわたって最適化することができる。

本発明の一側面では、補償器デバイス２０（例えば、デジタル遅延）は、出力信号１０Ａ、１２Ａ（または図２で図示されるように回路１４、１６によって先に処理された場合は、その関数１０Ａ’、１２Ａ’）の一方または両方を受信し（本明細書では両方を受信するものとして例示される）、最終的な補償された出力信号１８を提供するために、遅延モジュール２１として本明細書で概略的に図示される、遅延周期の適用または導入によって、出力信号１０Ａ、１２Ａのうちの１つに周波数の関数として位相補償を提供するように適合される。図１では、遅延モジュール２１は、それが信号１２Ａ’または１０Ａ’のうちの１つに適用されるであろうことを示すように、鎖線で図示されている。

当業者によって理解されるように、補償器デバイス２０は、図２で図示されるように、回路１４および／または１６に先立って出力信号１０Ａおよび／または１２Ａを受信することができる。典型的には、補償器デバイス２０が、回路１４、１６に先立って出力信号１０Ａ、１２Ａの両方を受信する場合には、補償器デバイス２０は、２つの出力信号を提供するであろう。そのような場合において、典型的には、回路１４、１６のそれぞれは、信号１０Ａ’および１２Ａ’の間の感知できる位相差に単独で寄与しないであろう。換言すると、補償器デバイス２０の場所が、必要な位相補償を信号１０Ａまたは１２Ａのうちの１つに提供する一方で、回路１４、１６のそれぞれは、ごくわずかな位相誤差に寄与する。

遅延モジュール２１を伴う補償器デバイス２０は、ハードウェア（アナログおよび／またはデジタル回路網）で、および／または同様に回路網であるデジタル信号プロセッサ等の好適なコンピュータデバイス上で動作可能なソフトウェアで具現化されてもよい。回路網はさらに、限定ではないが、論理アレイと、単一のチップ基板上で、デジタル信号、アナログ信号、および／または混合デジタルおよびアナログ信号を処理する、コンピュータまたは他の電子システムの全てではないにしてもいくつかの回路網および構成要素を統合する、チップ実装上のシステムとを含むことができる。出力信号１０Ａ、１２Ａは、信号が分析中にオフラインである補償デバイス２０を用いて補償される、試験環境に起因してもよく、および／またはデバイスを制御するために出力信号１８（図１）が使用され得る、制御ループにおいてリアルタイムで動作してもよい。

図３は、選択された周波数を介して計算される先導信号への遅延の印加による、位相補償を使用して効果的な加速度補償を達成するための方法４０を図示する。ステップ４２で、変換器および加速度計の両方が、例えば、振動台によって振動または加速され、二重の矢印４４によって図１で概略的に図示される。動的変位／運動４４の特性は、慣性誤差を生成する方向へ連続的または離散的のいずれか一方で変化させられる、複数の周波数にあるか、それにわたることである。例えば、運動４４の特性は、ホワイトノイズ、ピンクノイズ、インパルス、ステップ、または正弦掃引であり得るが、それらに限定されない。運動励起４４の印加中に、回路１４、１６による処理前および／または後の出力信号１０Ａ、１２Ａが取得される。

ステップ４２は、典型的には、既知の外部較正負荷を用いて、またはそれにおいて行われることに留意されたい。例えば、変換器１０が力変換器である場合、ステップ４２は、ゼロの外部較正負荷を用いて行うことができ、すなわち、いかなる力も印加されない。同様に、既知の外部較正負荷は、ある正または負の負荷にあり得、または以下で議論されるように、ステップ４２は、複数の既知の外部較正負荷において行うことができる。

ステップ４６では、補償量が、補償デバイス２０による使用のために好適な様式で計算されるか、または別様に生成される、例えば、加速度計出力信号１２Ａに対する変換器出力信号１０Ａの周波数応答関数が取得される。図４が、５０において例示的なプロットの形態で変換器および加速度計の位相対周波数データを図示する一方で、提案補償量は、５２で示される。図５は、線５０および５２が効果的に同一であり、提案補償量５２が良好な適合であることを示す、より狭い周波数範囲にわたる図４と同一のプロットを図示する。再び図３を参照すると、概して、加速度補償を最適化する周波数範囲が選択される。周波数範囲は、典型的には、本システムの最低モード周波数を下回るべきである。

遅延値は、４８で計算される。加速度補償遅延は、選択された周波数範囲にわたる位相の傾斜から計算することができる。例えば、周波数がヘルツ（Ｈｚ）単位であり、位相が度数の単位である場合には、補償の相対的遅延（秒単位）の値は、傾斜／３６０である。図４および５でプロットとして示される、選択された周波数範囲のデータは、遅延の値を確認するために使用される。次いで、先導信号（力または加速度）が、遅延モジュール２１を使用して、相対的遅延の絶対値だけ遅延させられる。

加えて、利得補正もまた、一般的に４９で計算されるであろう。例えば、利得補正は、伝達関数のＤＣ値、または周波数範囲にわたる平均値であり得る。利得補正は、所望であれば、周波数に依存し得ることに留意されたい。

図６は、信号１０Ａおよび１２Ａがアナログ・デジタル変換器５４および５６に由来する、デジタル信号プロセッサに適用されるような補償量の適用をブロック図として図示する。補償信号５８は、ステップ４９で計算された利得補正で加速度信号（またはステップ４８で判定されるような遅延加速度信号）を乗算することによって計算される。補償された力信号は、補償信号５８を力信号（またはステップ４８で判定されるような遅延力信号）に加算する（加算器６０）ことによって取得される。

概して、位相補正は、通常動作中に測定された力の出力に適用することができる。この補正は、加速度信号に適用し、次いで、拡大縮小し、次いで、補償されていない力信号に追加することができ、または代替として、補正は、力信号に適用し、次いで、拡大縮小された加速度信号に追加することができ、あるいは両方の組み合わせである。力信号の位相遅れが、目的とする周波数範囲内の加速度信号の位相に遅れを取った場合は、第１の提案方法からの変動が望ましくあり得る。

上記のようなその上さらなる実施形態では、ステップ４２は、複数の既知の外部較正負荷において行うことができる。したがって、周波数の関数に基づくことに加えて、変換器１２への印加された外部負荷にも基づくよう、補償量を計算または生成することができる。このようにして、補償量は、多次元であり得、変換器出力信号１０Ａおよび／または加速度計出力信号１２Ａの補償は、１つ以上の周波数範囲、ならびに外部印加負荷、それに接続された変換器またはデバイスの変位、温度等の環境要因等の１つ以上の他の要因に基づくことができる。

さらに別の実施形態では、既知の外部較正負荷は、ある周波数成分を有することができ、負荷は、信頼できる（すなわち、正確な）変換器によって測定されてもよく、その出力はさらに、補償量を生成または微調整するために使用される。

本主題は、構造特徴および／または方法論的行為に特有の用語で説明されているが、添付の請求項で定義される本主題は、法廷で審議されているように、上記で説明される特定の特徴または行為に必ずしも限定されるわけではないことを理解されたい。むしろ、上記で説明される特定の特徴および行為は、請求項を実装する例示的形態として開示される。

Claims (19)

1. システムであって、前記システムは、
   変換器と、
   前記変換器に動作可能に連結されたセンサであって、前記センサは、加速度に直接的または間接的に関係する信号を提供する、センサと、
   前記変換器および前記センサからの出力信号のうちの少なくとも１つに基づいて、少なくとも１つの信号を受信するように接続された補償器であって、前記補償器は、位相補償を提供するために前記少なくとも１つの信号を遅延させる遅延モジュールを含む、補償器と
   を備える、システム。
2. 前記変換器は、力変換器を備える、請求項１に記載のシステム。
3. 前記変換器は、圧力変換器を備える、先行請求項のいずれかに記載のシステム。
4. 前記変換器は、トルク変換器を備える、先行請求項のいずれかに記載のシステム。
5. 前記補償器は、利得および位相補償の両方を提供する、先行請求項のいずれかに記載のシステム。
6. 前記補償器は、周波数に加えて別の要因に基づいて、位相補償を提供する、先行請求項のいずれかに記載のシステム。
7. 前記別の要因は、印加された外部負荷である、請求項６に記載のシステム。
8. 前記遅延は、周波数の選択された範囲のために構成される、先行請求項のいずれかに記載のシステム。
9. 前記遅延は、第１のモード周波数より小さい周波数のために構成される、先行請求項のいずれかに記載のシステム。
10. 前記センサは、加速度計を備える、先行請求項のいずれかに記載のシステム。
11. 前記センサは、変位センサを備える、先行請求項のいずれかに記載のシステム。
12. 前記センサは、速度センサを備える、先行請求項のいずれかに記載のシステム。
13. 加速度補償を変換器に提供する方法であって、前記方法は、
    励起運動を変換器およびセンサに印加し、前記変換器および前記センサから応答信号を取得することであって、前記センサは、加速度に直接的または間接的に関係する対応する応答信号を提供するように前記変換器に動作可能に連結される、ことと、
    前記応答信号に基づいて遅延値を計算することと、
    回路網を使用して前記遅延値だけ前記変換器の先導信号を遅延させることと
    を含む、方法。
14. 外部負荷を前記変換器に印加することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記変換器への外部較正負荷は、ゼロである、請求項１４に記載の方法。
16. 励起運動を変換器およびセンサに印加し、前記変換器および前記センサから応答信号を取得することは、複数の外部較正負荷を前記変換器に印加することを含む、請求項１３〜１５のいずれかに記載の方法。
17. 励起運動を印加することは、第１のモード周波数より小さい１つ以上の周波数を伴う励起運動を印加することを含む、請求項１３〜１６のいずれかに記載の方法。
18. 前記センサは、加速度計、速度センサ、または変位センサのうちの１つを備える、請求項１３〜１７のいずれかに記載の方法。
19. 前記センサは、加速度計を備えず、前記遅延値を計算することは、導出された加速度信号を取得するように、前記応答信号を処理することを含む、請求項１３〜１７のいずれかに記載の方法。