JP2019074350A - Analyzer and analysis method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、周期信号の高調波を解析する解析装置および解析方法に関するものである。 The present invention relates to an analysis apparatus and an analysis method for analyzing harmonics of a periodic signal.
この種の装置として、下記特許文献1において出願人が開示した交流信号測定装置が知られている。この交流信号測定装置は、入力部、フィルタ部、検出信号生成部、周波数測定部、周波数算出部、クロック生成部、A/D変換部および信号処理部を備え、入力した交流信号(周期信号)についての特性データを測定する。この場合、フィルタ部は、入力部を介して入力した交流信号に含まれているノイズ成分を除去し、検出信号生成部は、交流信号のゼロクロスを検出して検出信号を出力する。周波数測定部は、交流信号の各周期の期首(開始時刻)を示す検出信号から期末(終了時刻)を示す検出信号までの時間を計測し、その時間に基づいて交流信号の周波数を測定して周波数データを出力する。周波数算出部は、周波数データに基づいてサンプリング周波数を算出してサンプリング周波数を示す設定データを出力する。クロック生成部は、設定データで示される周波数のサンプリングクロックを生成する。A/D変換部は、サンプリングクロックに同期して交流信号をサンプリングして交流信号の瞬時値を示すデジタルデータを出力する。信号処理部は、デジタルデータをFFT演算処理することにより、交流信号の解析(交流信号の特性の算出)を行う。
As an apparatus of this type, an AC signal measuring apparatus disclosed by the applicant in
ところが、上記の交流信号測定装置には、改善すべき以下の課題がある。具体的には、上記の交流信号測定装置では、交流信号をサンプリングして得たデジタルデータをFFT演算処理することにより、交流信号の解析を行っている。この場合、FFT演算による交流信号の解析を正確に行うには、交流信号の1基本周期における瞬時値の数が2のべき乗の数であるのが好ましい。このため、この種の装置では、サンプリングによって得た交流信号の1基本周期分の瞬時値に基づいて交流信号の波形を表す補間式を特定し、その補間式から2のべき乗の数の瞬時値を求める補間処理を行っている。しかしながら、交流信号の基本周波数が高い(基本周期が短い)ほど、あるいは解析対象とする高調波が高次になるほど、1周期あたりのサンプリングポイント数が減少し、補間処理の精度が低下する。このため、上記の交流信号測定装置には、周波数が高い交流信号において補間処理の精度が低下することにより、周波数が高い交流信号の解析精度が低下するという課題が存在し、その改善が望まれている。 However, the above-mentioned AC signal measuring apparatus has the following problems to be improved. Specifically, in the above-described alternating current signal measuring apparatus, analysis of the alternating current signal is performed by subjecting digital data obtained by sampling the alternating current signal to FFT arithmetic processing. In this case, it is preferable that the number of instantaneous values in one basic period of the alternating current signal be the number of powers of 2 in order to accurately analyze the alternating current signal by the FFT operation. For this reason, in this type of device, an interpolation equation representing the waveform of the AC signal is specified based on the instantaneous value of one fundamental cycle of the AC signal obtained by sampling, and the instantaneous value of the number of powers of 2 is determined from the interpolation equation. The interpolation process is performed to obtain However, the higher the fundamental frequency of the AC signal (the shorter the basic cycle) or the higher the harmonic to be analyzed, the lower the number of sampling points per cycle, and the lower the accuracy of the interpolation process. For this reason, in the above-mentioned AC signal measuring apparatus, there is a problem that the analysis accuracy of the AC signal having a high frequency is lowered by the accuracy of the interpolation processing being lowered in the AC signal having a high frequency. ing.
本発明は、かかる改善すべき課題に鑑みてなされたものであり、周波数が高い周期信号の高調波を高精度で解析し得る解析装置および解析方法を提供することを主目的とする。 The present invention has been made in view of the problem to be improved, and has as its main object to provide an analysis apparatus and analysis method capable of analyzing harmonics of a high frequency periodic signal with high accuracy.
上記目的を達成すべく請求項1記載の解析装置は、周期信号の瞬時値を予め決められたサンプリング周期のサンプリングポイントで取得するサンプリング部と、複数の前記サンプリングポイントにおける前記瞬時値に基づいて前記周期信号の高調波を解析する解析処理を実行する解析部とを備えた解析装置であって、前記周期信号のゼロクロスを検出する検出部と、前記ゼロクロスの検出結果に基づいて前記周期信号の基本周期を特定する基本周期特定部と、時間的に隣接する2つの前記サンプリングポイントの各時刻の第1の時刻間隔が前記サンプリング周期よりも短縮されるように複数の前記基本周期に含まれる前記各サンプリングポイントを1つの前記基本周期に集約して各サンプリングポイントにおける前記瞬時値を示す集約データを生成する集約処理を実行する処理部とを備え、前記解析部は、前記解析処理において、前記集約処理によって集約された前記各サンプリングポイントにおける前記瞬時値に基づいて前記周期信号をフーリエ級数に展開して当該フーリエ級数における各項のフーリエ係数を数値積分によって算出する処理と、当該フーリエ係数の絶対値および偏角の値を前記高調波の解析結果として算出する処理とを実行する。
In order to achieve the above object, the analysis device according to
また、請求項2記載の解析装置は、請求項1記載の解析装置において、前記処理部は、前記複数の基本周期の各開始時刻と当該各基本周期にそれぞれ含まれる前記各サンプリングポイントの時刻との第2の時刻間隔を特定して当該第2の時刻間隔の長さ順で当該各サンプリングポイントを並べて前記集約データを生成する処理を前記集約処理として実行する。 According to a second aspect of the invention, in the analysis device according to the first aspect, the processing unit is configured to calculate start times of the plurality of basic periods and times of the respective sampling points included in the respective basic periods. The second time interval is specified, and the process of generating the consolidated data by arranging the sampling points in order of the length of the second time interval is executed as the aggregation process.
また、請求項3記載の解析装置は、請求項1または2記載の解析装置において、前記処理部は、前記1つの基本周期に集約する前記サンプリングポイントの数が予め決められた上限数および下限数の範囲内となる前記基本周期の数を処理対象数として規定し、当該処理対象数の前記基本周期に含まれる前記各サンプリングポイントを対象として前記集約処理を実行する。
In the analysis device according to claim 3, in the analysis device according to
また、請求項4記載の解析装置は、請求項3記載の解析装置において、前記処理部は、前記解析処理において前記解析部が前記フーリエ係数を算出する際の処理効率から予め決められた数を前記上限数とすると共に、前記解析処理において前記解析部が解析可能な最大周波数の前記高調波に対応する前記フーリエ係数の算出に必要とする前記サンプリングポイントの数に基づいて予め決められた数を前記下限数として前記処理対象数を規定する。 In the analysis device according to a fourth aspect of the present invention, in the analysis device according to the third aspect, the processing unit determines a predetermined number based on processing efficiency when the analysis unit calculates the Fourier coefficient in the analysis processing. The upper limit number is a number determined in advance based on the number of sampling points required to calculate the Fourier coefficient corresponding to the harmonic of the maximum frequency that can be analyzed by the analysis unit in the analysis process. The processing target number is defined as the lower limit number.
また、請求項5記載の解析装置は、請求項3または4記載の解析装置において、前記処理部は、1つの前記基本周期に含まれる前記各サンプリングポイントのうちの当該基本周期の終了時刻に最も近いサンプリングポイントの時刻と当該終了時刻との第3の時刻間隔を算出する処理を前記処理対象数よりも多い数の基本周期について実行し、前記第3の時刻間隔の長さ順で並べた前記各基本周期の中から前記処理対象数の基本周期を選択し、当該処理対象数の基本周期に含まれる前記各サンプリングポイントを対象として前記集約処理を実行する。 Further, in the analysis device according to claim 5, in the analysis device according to claim 3 or 4, the processing unit is the one at the end time of the basic period among the sampling points included in one basic period. The process of calculating the third time interval between the time of the close sampling point and the end time is executed for a number of basic cycles greater than the number to be processed, and arranged in order of the length of the third time interval The basic cycles of the number to be processed are selected from the basic cycles, and the aggregation process is performed on each of the sampling points included in the basic cycles of the number to be processed.
また、請求項6記載の解析装置は、請求項5記載の解析装置において、前記処理部は、前記第3の時刻間隔の長さ順で並べた前記各基本周期の中から前記処理対象数の基本周期を予め規定された規定数置きに選択する。 In the analysis apparatus according to claim 6, in the analysis apparatus according to claim 5, the processing unit is configured to calculate the number of the processing targets among the basic cycles arranged in order of the length of the third time interval. The basic cycle is selected every predetermined number defined in advance.
また、請求項7記載の解析装置は、請求項3または4記載の解析装置において、前記処理部は、時系列で連続する前記処理対象数の前記基本周期に含まれる前記各サンプリングポイントを対象として前記集約処理を実行する。
Further, in the analysis device according to
また、請求項8記載の解析方法は、周期信号の瞬時値を予め決められたサンプリング周期のサンプリングポイントで取得し、複数の前記サンプリングポイントにおける前記瞬時値に基づいて前記周期信号の高調波を解析する解析処理を実行する解析方法であって、
前記周期信号のゼロクロスを検出し、当該ゼロクロスの検出結果に基づいて前記周期信号の基本周期を特定し、時間的に隣接する2つの前記サンプリングポイントの各時刻の第1の時刻間隔が前記サンプリング周期よりも短縮されるように複数の前記基本周期に含まれる前記各サンプリングポイントを1つの前記基本周期に集約して各サンプリングポイントにおける前記瞬時値を示す集約データを生成する集約処理を実行し、前記解析処理において、前記集約処理によって集約した前記各サンプリングポイントにおける前記瞬時値に基づいて前記周期信号をフーリエ級数に展開して当該フーリエ級数における各項のフーリエ係数を数値積分によって算出する処理と、当該フーリエ係数の絶対値および偏角の値を前記高調波の解析結果として算出する処理とを実行する。
In the analysis method according to claim 8, an instantaneous value of the periodic signal is acquired at a sampling point of a predetermined sampling period, and harmonics of the periodic signal are analyzed based on the instantaneous values at a plurality of the sampling points. Analysis method for executing the analysis processing
The zero crossing of the periodic signal is detected, the basic period of the periodic signal is specified based on the detection result of the zero crossing, and the first time interval of each time of two adjacent sampling points in time is the sampling period. The aggregation process is performed to aggregate each of the sampling points included in a plurality of the basic cycles into one basic cycle so as to be shorter than the basic cycle and generate aggregated data indicating the instantaneous value at each sampling point, A process of expanding the periodic signal into a Fourier series based on the instantaneous value at each of the sampling points aggregated by the aggregation process and calculating a Fourier coefficient of each term in the Fourier series by numerical integration in the analysis process; Calculate the absolute value of the Fourier coefficient and the value of the argument as the analysis result of the harmonic The processing and to be executed.
請求項1記載の解析装置、および請求項8記載の解析方法では、周期信号における複数の基本周期に含まれる各サンプリングポイントを1つの基本周期に集約して各サンプリングポイントにおける瞬時値を示す集約データを生成する集約処理を実行し、集約処理によって集約された各サンプリングポイントにおける瞬時値に基づいて周期信号をフーリエ級数に展開し、フーリエ級数における各項のフーリエ係数を数値積分によって算出する処理と、フーリエ係数の絶対値および偏角の値を周期信号の高調波の解析結果として算出する処理とを実行する。このため、この解析装置および解析方法によれば、周期信号の基本周波数が高い(基本周期が短い)場合においても、集約処理を実行することによって1つの基本周期に十分に多くのサンプリングポイントを含めることができる結果、それらのサンプリングポイントにおける瞬時値を用いて周期信号の高調波を十分に高い精度で解析することができる。また、この解析装置および解析方法によれば、各サンプリングポイントにおける瞬時値に基づいて周期信号をフーリエ級数に展開し、数値積分によって算出したフーリエ係数の絶対値および偏角の値を周期信号の高調波の解析結果として算出することにより、各サンプリングポイントが不等間隔のときに演算精度が低下するFFT演算処理とは異なり、集約処理によって各サンプリングポイントが不等間隔となる場合においても、フーリエ係数を正確に算出して高調波の解析を高精度で行うことができる。
In the analysis device according to
また、請求項2記載の解析装置では、複数の基本周期の各開始時刻と各基本周期にそれぞれ含まれる各サンプリングポイントの時刻との第2の時刻間隔を特定して第2の時刻間隔の長さ順で各サンプリングポイントを並べて集約データを生成する処理を集約処理として実行する。このため、この解析装置によれば、複数の基本周期におけるサンプリングポイントを単純な処理で1つの基本周期に集約することができる結果、集約処理の処理効率を十分に向上させることができる。
Further, in the analysis device according to
また、請求項3記載の解析装置では、1つの基本周期に集約するサンプリングポイントの数が予め決められた上限数および下限数の範囲内となる基本周期の数を処理対象数として規定し、処理対象数の基本周期に含まれる各サンプリングポイントを対象として集約処理を実行する。このため、この解析装置によれば、上限数および下限数を適正数に予め決めることで、フーリエ係数を正確かつ効率的に算出することができる。 Further, in the analysis device according to claim 3, the number of basic cycles in which the number of sampling points to be collected in one basic cycle falls within the range of the upper limit number and the lower limit number determined in advance is defined as the processing target number An aggregation process is performed on each sampling point included in the basic cycle of the target number. For this reason, according to this analysis apparatus, it is possible to calculate Fourier coefficients accurately and efficiently by determining the upper limit number and the lower limit number in advance as appropriate numbers.
また、請求項4記載の解析装置によれば、解析処理においてフーリエ係数を算出する際の処理効率から予め決められた数を上限数とすると共に、解析処理において解析可能な最大周波数の高調波に対応するフーリエ係数の算出に必要とするサンプリングポイントの数に基づいて予め決められた数を下限数として処理対象数を規定することにより、解析処理における解析可能な全周波数の高調波についてのフーリエ係数を確実に算出することができる。 Further, according to the analysis device of the fourth aspect, the number determined in advance from the processing efficiency at the time of calculating the Fourier coefficient in the analysis processing is the upper limit number, and the harmonic of the maximum frequency that can be analyzed in the analysis processing By defining the number of processing targets with the lower limit number determined in advance based on the number of sampling points required to calculate the corresponding Fourier coefficient, the Fourier coefficients for harmonics of all frequencies that can be analyzed in analysis processing Can be calculated reliably.
また、請求項5記載の解析装置では、基本周期の終了時刻に最も近いサンプリングポイントの時刻と終了時刻との第3の時刻間隔を算出する処理を処理対象数よりも多い数の基本周期について実行し、第3の時刻間隔の長さ順で並べた各基本周期の中から処理対象数の基本周期を選択し、処理対象数の基本周期に含まれる各サンプリングポイントを対象として集約処理を実行する。このため、この解析装置によれば、例えば、時系列で連続する処理対象数の基本周期に含まれる各サンプリングポイントを対象として集約処理を実行したときには、集約後の各サンプリングポイントが基本周期内において均一に分散されずに高調波の正確な分析が困難となる場合であっても、集約後の各サンプリングポイントが基本周期内において均一となるように処理対象数の基本周期を選択することで、高調波を正確に分析することができる。 Also, in the analysis device according to claim 5, the processing of calculating the third time interval between the time of the sampling point closest to the end time of the basic cycle and the end time is executed for a number of basic cycles larger than the number to be processed. Select the basic cycles of the number to be processed from among the basic cycles arranged in order of the third time interval length, and execute the aggregation process on each sampling point included in the basic cycles of the number to be processed . For this reason, according to this analysis apparatus, for example, when the aggregation process is performed on each sampling point included in the basic cycles of the number of continuous processing targets in time series, each sampling point after consolidation is within the basic cycle. Even if it is difficult to accurately analyze the harmonics without being uniformly distributed, by selecting the number of basic cycles to be processed so that each sampling point after aggregation becomes uniform within the basic cycle, The harmonics can be analyzed accurately.
また、請求項6記載の解析装置によれば、第3の時刻間隔の長さ順で並べた各基本周期の中から処理対象数の基本周期を予め規定された規定数置きに選択することにより、規定数を適正な数に規定することで、集約後の各サンプリングポイントが基本周期内において均一となるように処理対象数の基本周期を簡易な処理で効率的に選択することができる。 Further, according to the analysis device of the sixth aspect, by selecting the basic cycles of the number of processing targets from among the basic cycles arranged in the order of the length of the third time interval, every predetermined number defined in advance. By defining the defined number to an appropriate number, the basic cycles of the number of processing targets can be efficiently selected by a simple process so that each sampling point after aggregation becomes uniform within the basic cycle.
また、請求項7記載の解析装置によれば、時系列で連続する処理対象数の基本周期に含まれる各サンプリングポイントを対象として集約処理を実行することにより、処理対象数よりも多い数の基本周期の中から処理対象数の基本周期を選択する処理が不要なため、その分、集約処理の処理効率をさらに向上させることができる。 Further, according to the analysis device of the seventh aspect, by executing the aggregation process on each sampling point included in the basic cycle of the number of continuous processing targets in time series, the number of basics greater in number than the number of processing targets Since the process of selecting the number of basic cycles to be processed from the cycles is unnecessary, the processing efficiency of the aggregation process can be further improved.
以下、解析装置および解析方法の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of an analysis device and an analysis method will be described with reference to the attached drawings.
最初に、図1に示す解析装置1の構成について説明する。解析装置1は、解析装置の一例であって、入力した周期信号(一例として、図2に示す周期信号S)の高調波を解析(高調波のレベルおよび位相を特定)可能に構成されている。具体的には、解析装置1は、図1に示すように、信号入力部11、サンプリング部12、記憶部13、ゼロクロス検出部14、基本周期特定部15、処理部16、解析部17および表示部18を備えて構成されている。
First, the configuration of the
信号入力部11は、信号ケーブルを介して入力した周期信号Sに含まれているノイズ成分を除去する処理(アンチエイリアシングフィルタ処理)を実行する。
The
サンプリング部12は、サンプリングクロック生成回路およびサンプリング回路(いずれも図示せず)を備えて構成され、サンプリング処理(固定サンプリング処理)を実行する。この場合、サンプリングクロック生成回路は、予め決められたサンプリング周期Ta(図3参照)のサンプリングクロックを生成する。また、サンプリング回路は、サンプリングクロックに同期してサンプリング周期TaのサンプリングポイントP(同図参照)で周期信号Sの瞬時値Vi(同図参照)を取得し、瞬時値Viを示すサンプリングデータDsを出力する。なお、同図では、サンプリング周期Taを実際よりも長く(実際の長さの104倍程度の長さに)図示し、同図および後述する図5〜図8では、サンプリングポイントPの数を実際よりも少なく(実際の数の10−4倍程度の数で)図示している。
The
記憶部13は、処理部16の制御に従い、サンプリング部12から出力されたサンプリングデータDs、および処理部16によって生成される後述する集約データDaを記憶する。
The
ゼロクロス検出部14は、サンプリングデータDsによって特定される波形をローパスフィルタ処理し、ローパスフィルタ処理後の波形がゼロクロスした(0Vと交差した)時刻(図3に示す開始時刻Tsおよび終了時刻Tt)を検出する。
The zero
基本周期特定部15は、ゼロクロス検出部14によって検出されたゼロクロスの時刻(ゼロクロスの検出結果)に基づいて周期信号Sの基本周期T(図3参照)を特定する。
The basic
処理部16は、サンプリング部12から出力されたサンプリングデータDsを記憶部13に記憶させる。また、処理部16は、周期信号Sの時間軸方向(図3に示す左右方向)に隣接する(つまり、時間的に隣接する)2つのサンプリングポイントPの時刻の時刻間隔Ia(第1の時刻間隔:図13参照)がサンプリング周期Taよりも短縮されるように、複数の基本周期Tに含まれる各サンプリングポイントPを1つの基本周期Tに集約する集約処理50(図4参照)を実行する。
The
解析部17は、複数のサンプリングポイントPにおける周期信号Sの瞬時値Viに基づいて周期信号Sに含まれる高調波を解析する解析処理60(図14参照)を実行する。この場合、解析部17は、解析処理60において、処理部16によって実行される集約処理50によって集約された各サンプリングポイントPにおける周期信号Sの各瞬時値Viに基づいて周期信号Sをフーリエ級数に展開し、フーリエ級数における各項のフーリエ係数(高調波の各次数に対応するフーリエ係数)を数値積分によって算出する処理と、各フーリエ係数の絶対値(各高調波のレベル)および偏角の値(各高調波の位相)を高調波の解析結果として算出する処理とを実行する。また、解析部17は、算出した各フーリエ係数の絶対値および偏角の値を表示部18に表示させる。
The
次に、解析装置1を用いた解析方法、およびその際の解析装置1の動作について図面を参照して説明する。
Next, an analysis method using the
この解析装置1では、図外の操作部に対して解析開始を指示する操作が行われたときに、信号入力部11が、信号ケーブルを介して入力した周期信号Sのノイズ成分を除去する処理を開始し、処理後の周期信号Sをサンプリング部12に出力する。
In this
次いで、サンプリング部12がサンプリング処理を実行する。このサンプリング処理では、サンプリング部12のサンプリングクロック生成回路が、予め決められたサンプリング周期Ta(図3参照)のサンプリングクロックを生成する。また、サンプリング部12のサンプリング回路が、サンプリングクロックに同期してサンプリング周期TaのサンプリングポイントPで周期信号Sの瞬時値Viを取得し(同図参照)、瞬時値Viを示すサンプリングデータDsを出力する。
Next, the
続いて、処理部16が、サンプリング部12から出力されたサンプリングデータDsを記憶部13に記憶させる。
Subsequently, the
次いで、ゼロクロス検出部14が、サンプリングデータDsによって特定される波形をローパスフィルタ処理し、ローパスフィルタ処理後の波形がゼロクロスした時刻(例えば、図3に示す開始時刻Tsおよび終了時刻Tt)を特定する。
Next, the zero
続いて、基本周期特定部15が、ゼロクロス検出部14によって検出されたゼロクロスの時刻に基づいて周期信号Sの基本周期T(図3参照)を特定する。具体的には、基本周期特定部15は、例えば、立ち上がりのゼロクロスの時刻(同図に示す開始時刻Ts)から次の立ち下がりのゼロクロスの時刻(同図に示す終了時刻Tt)までの時間を基本周期Tとして特定する。
Subsequently, the basic
次いで、処理部16が、図4に示す集約処理50を実行する。この集約処理50では、処理部16は、後述する解析処理60(図14参照)を正確かつ効率的に実行するのに必要な数のサンプリングポイントPを得るために、周期信号Sの時間軸方向(図13に示す左右方向)で隣接する(つまり、時間的に隣接する)2つのサンプリングポイントPの各時刻の時刻間隔Ia(第1の時刻間隔)がサンプリング周期Taよりも短縮されるように複数の基本周期Tに含まれる各サンプリングポイントPを1つの基本周期Tに集約する。
Next, the
具体的には、処理部16は、図4に示すように、まず、集約処理50の対象とする基本周期Tの数(以下、この数を「処理対象数B」ともいう)を規定する(ステップ51)。この場合、処理部16は、1つの基本周期Tに集約する(集約処理50の対象とする)サンプリングポイントPの数(この数を「規定数N」ともいう)が予め決められた上限数Nmaxおよび下限数Nminの範囲内となる基本周期Tの数を処理対象数Bとして規定する。また、この解析装置1では、処理部16は、解析部17が解析処理60において後述するフーリエ係数Cを算出する際の処理効率から予め決められた数を上記の上限数Nmaxとすると共に、解析部17が解析可能な最大周波数fmaxの高調波に対応するフーリエ係数Cを正確に算出するのに必要とするサンプリングポイントPの数に基づいて予め決められた数を上記の下限数Nminとして、上記の処理対象数Bを規定する。
Specifically, as shown in FIG. 4, the
一例として、サンプリング周波数が5MHz(サンプリング周期Taが5MS/s)であるとして、基本周波数f(基本周期Tの逆数)が300kHzの周期信号Sの8次高調波である2.4MHzの高調波を最大周波数fmaxの高調波として解析するものとする。この場合、フーリエ級数展開において処理の対象とするサンプリングポイントPが多すぎると演算処理時間が長くなる(処理効率が低下する)ため、許容される演算処理時間の制約から、上限数Nmaxを480個とする。また、この場合には、2.4MHzの波形を5MHzでサンプリングするため、1波形当たりのサンプリングポイントPが2個から3個となる。一方、高調波の解析を正確に行うには、1波形当たりのサンプリングポイントPが10個以上であるのが好ましいとすると、2.4MHzの1波形当たりのサンプリングポイントPを10個以上とするには、少なくとも5波分のサンプリングポイントPを1波の波形データとして集約する必要がある。このため、下限数Nminは、300kHzの波形の5波分のサンプリングポイントPの数である5M/300k×5≒84となる。したがって、この例において、演算処理時間の制約を満たしつつ、演算精度(解析の精度)を十分に高くするためには、5M/300k×5≒84(下限数Nmin)<N(規定数)<480(上限数Nmax)の条件を満たす例えば450個を規定数Nとして規定することができ、450/(5M/300k)で算出される27個を処理対象数Bとして規定することができる。なお、発明の理解を容易とするため、処理対象数Bを4個に規定した例について以下説明する。 As an example, assuming that the sampling frequency is 5 MHz (sampling period Ta is 5 MS / s), the fundamental frequency f (reciprocal of basic period T) is a 2.4 MHz harmonic which is the eighth harmonic of the periodic signal S of 300 kHz. It shall analyze as a harmonic of maximum frequency fmax. In this case, if the number of sampling points P to be processed in the Fourier series expansion is too large, the operation processing time will be longer (processing efficiency will be reduced). I assume. Also, in this case, since the 2.4 MHz waveform is sampled at 5 MHz, the number of sampling points P per waveform is two to three. On the other hand, assuming that it is preferable that the number of sampling points P per waveform is 10 or more in order to accurately analyze the harmonics, the number of sampling points P per waveform at 2.4 MHz should be 10 or more. It is necessary to integrate at least five waves of sampling points P as waveform data of one wave. Therefore, the lower limit number Nmin is 5M / 300k × 5 ≒ 84, which is the number of sampling points P for five waves of the 300 kHz waveform. Therefore, in this example, 5M / 300 k × 5 ≒ 84 (lower limit number Nmin) <N (specified number) <N (specified number) in order to sufficiently increase the calculation accuracy (the accuracy of analysis) while satisfying the restriction of the calculation processing time. For example, 450 pieces satisfying the condition 480 (upper limit number Nmax) can be defined as the specified number N, and 27 pieces calculated by 450 / (5M / 300k) can be defined as the number B to be processed. In order to facilitate understanding of the invention, an example in which the number of processing targets B is defined to four will be described below.
続いて、処理部16は、記憶部13からサンプリングデータDsを読み出す(ステップ52)。次いで、処理部16は、サンプリングデータDsを用いて時刻間隔特定処理を実行する(ステップ53)。この時刻間隔特定処理では、処理部16は、1つの基本周期Tに含まれる各サンプリングポイントPのうちの、その基本周期Tの終了時刻Tt(図5参照)に最も近いサンプリングポイントPの時刻と終了時刻Ttとの時刻間隔Ic(第3の時刻間隔:同図参照)を算出する処理を処理対象数Bよりも多い数(例えば、処理対象数Bである4個の2倍の数であって、この例では8個)の基本周期T(以下、各基本周期Tを時系列で「基本周期Ta〜Th」ともいう)について実行する。
Subsequently, the
続いて、処理部16は、並べ替え処理を実行する(ステップ54)。この並べ替え処理では、処理部16は、図6に示すように、上記の時刻間隔特定処理において対象とした8個の基本周期Ta〜Thを時刻間隔Icの昇順(長さ順の一例)で並べ替える。この場合、この例では、処理部16は、同図に示すように、基本周期Td,Th,Ta,Te,Tb,Tf,Tc,Tgの順に各基本周期Tを並べ替える。
Subsequently, the
次いで、処理部16は、選択処理を実行する(ステップ55)。この選択処理では、処理部16は、図7に示すように、上記の並べ替え処理で並べ替えた各基本周期Tの中から、処理対象数B(この例では、4個)の基本周期Tを選択する。この場合、処理部16は、一例として、同図に示すように、先頭の基本周期Tdを含んで、1つ置き(予め規定された規定数置き)に4個の基本周期Td,Ta,Tb,Tcを選択する。なお、同図では、選択した基本周期Td,Ta,Tb,Tcを実線で図示している。
Next, the
続いて、処理部16は、上記の選択処理で選択した4個の基本周期Td,Ta,Tb,Tcに含まれる各サンプリングポイントPを1つの基本周期Tに集約する(ステップ56)。この場合、処理部16は、図8〜図11に示すように、基本周期Td,Ta,Tb,Tcにおける各々の開始時刻Tsと基本周期Td,Ta,Tb,Tcにそれぞれ含まれる各サンプリングポイントPの時刻との時刻間隔Ib(第2の時刻間隔)を特定し、時刻間隔Ibの昇順(長さ順の一例)で各サンプリングポイントPを並べる処理を行う。
Subsequently, the
この処理を行うことにより、図12,13に概念的に示すように、基本周期Td,Ta,Tb,Tcの各開始時刻Tsが一致するように基本周期Td,Ta,Tb,Tc分の各部分波形が重ね合わされ、これによって基本周期Td,Ta,Tb,Tcにそれぞれ含まれる各サンプリングポイントPが1つの基本周期Tに集約される。また、このように複数の基本周期Tに含まれる各サンプリングポイントPを1つの基本周期Tに集約することにより、図13に示すように、周期信号Sにおける時間的に隣接する2つのサンプリングポイントPの時刻の時刻間隔Ia(第1の時刻間隔)がサンプリング周期Taよりも短縮される。 By performing this process, as shown conceptually in FIGS. 12 and 13, each basic cycle Td, Ta, Tb, and Tc is obtained such that the start times Ts of the basic cycles Td, Ta, Tb, and Tc coincide with each other. The partial waveforms are superimposed, whereby each sampling point P included in each of the basic periods Td, Ta, Tb, and Tc is aggregated into one basic period T. Further, by consolidating each sampling point P included in a plurality of basic cycles T into one basic cycle T in this manner, as shown in FIG. The time interval Ia (first time interval) of the time is shorter than the sampling period Ta.
次いで、処理部16は、集約した各サンプリングポイントPにおける瞬時値Viを示す集約データDaを生成して記憶部13に記憶させて(ステップ57)、集約処理50を終了する。
Next, the
続いて、解析部17が、図14に示す解析処理60を実行する。この解析処理60では、解析部17は、集約データDaを記憶部13から読み出す(ステップ61)。次いで、解析部17は、読み出した集約データDaによって示される各サンプリングポイントPにおける瞬時値Viに基づいて周期信号Sをフーリエ級数展開する(ステップ62)。
Subsequently, the
ここで、解析対象の周期信号Sを時間tの関数χ(t)としたときに、χ(t)の複素フーリエ級数(複素指数関数型のフーリエ級数)は、次に示す式(1)で与えられる。
χ(t)=Σ[n=-∞,∞]Cn・exp(j・2πnf・t)・・・式(1)
なお、上記の式(1)で、n(nは1以上の整数)は高調波の次数、Cnはn次高調波のフーリエ係数C、jは虚数単位、fは基本周波数(基本周期Tの逆数)をそれぞれ表している(以下に説明する各式において同じ)。
Here, when the periodic signal S to be analyzed is a function χ (t) of time t, a complex Fourier series (complex exponential type Fourier series) of χ (t) is given by the following equation (1) Given.
χ (t) = Σ [n = −∞, ∞] C n · exp (j · 2πnf · t) (1)
In the above equation (1), n (n is an integer of 1 or more) is the harmonic order, C n is the Fourier coefficient C of the n-th harmonic, j is the imaginary unit, f is the fundamental frequency (basic period T (Reciprocal of) is respectively shown (the same in each of the formulas described below).
続いて、解析部17は、各n次高調波のフーリエ係数Cを算出する。この場合、上記の式(1)におけるCnは、次に示す式(2)で与えられる。
Cn=2/T・∫[0,T]χ(t)・exp(-j・2πnf・t)dt・・・式(2)
なお、上記の式(2)で、Tは基本周期Tを表している(以下に説明する式において同じ)。
Subsequently, the
C n = 2 / T · ∫ [0, T] χ (t) · exp (−j · 2πnf · t) dt (2)
In the above equation (2), T represents a basic cycle T (the same applies to the equations described below).
また、上記の式(2)の右辺(数値積分)は、次に示す式(3)の右辺で表される台形公式(台形積分)で近似することができる。
Cn=2/T・∫[0,T]χ(t)・exp(-j・2πnf・t)dt=1/TΣ[k=1,N]{χ(tk)・exp(-j・2πnf・tk)+χ(tk)・exp(-j・2πnf・tk+1)}・(tk+1-tk)・・・式(3)
なお、上記の式(3)で、Nは上記の集約処理50において説明したサンプリングポイントPの規定数Nを表している。
したがって、集約データDaに含まれる各サンプリングポイントPの各瞬時値Viを上記の式(3)のχ(tk)に代入して各フーリエ係数Cを算出すことができる。
Further, the right side (numerical integration) of the above equation (2) can be approximated by a trapezoidal formula (trapezoidal integration) represented by the right side of the following equation (3).
C n = 2 / T · ∫ [0, T] χ (t) · exp (−j · 2πnf · t) dt = 1 / TΣ [k = 1, N] {χ (t k ) · exp (−j · 2π n f · t k ) + χ (t k ) · exp (-j · 2 π n f · t k + 1 )} · (t k + 1- t k ) Formula (3)
In the above equation (3), N represents the specified number N of sampling points P described in the
Therefore, it is possible to calculate each Fourier coefficient C by substituting each instantaneous value Vi of each sampling point P included in the consolidated data Da into χ (t k ) of the above equation (3).
解析部17は、この算出方法によって各周期信号Sのn次高調波のフーリエ係数Cを算出する(ステップ63)。この場合、この解析装置1では、複数の基本周期Tに含まれる各サンプリングポイントPを1つの基本周期Tに集約することで、1つの基本周期Tに十分に多くのサンプリングポイントPを含ませている。このため、この解析装置1では、フーリエ係数Cを正確に算出することが可能となっている。
The
次いで、解析部17は、各n次高調波の解析結果としての各フーリエ係数Cの絶対値(n次高調波のレベル)および偏角(n次高調波の位相)の値を算出する(ステップ64)。この場合、フーリエ係数Cの実部をa、虚部をbとすると、C=a+bjであり、フーリエ係数Cの絶対値は、|C| =√(a2+b2)で算出され、フーリエ係数Cの偏角の値は、ArgC=arctan(b/a)(ただし、-π<ArgC<π)で算出される。
Next, the
この場合、周期信号Sの関数χ(t)をフーリエ級数展開し、各サンプリングポイントPの瞬時値Viに基づいてフーリエ級数中の各フーリエ係数Cを算出する方法では、各サンプリングポイントPの間隔が等間隔ではない場合(不等間隔の場合)においても、フーリエ係数Cを正確に算出することができる。このため、この解析装置1では、各サンプリングポイントPが不等間隔の場合に演算精度が低下するFFT演算処理とは異なり、集約処理によって各サンプリングポイントPが不等間隔となる場合においても、フーリエ係数Cを正確に算出して高精度での高調波の解析を行うことが可能となっている。
In this case, in the method of performing Fourier series expansion of the function χ (t) of the periodic signal S and calculating each Fourier coefficient C in the Fourier series based on the instantaneous value Vi of each sampling point P, the interval of each sampling point P is The Fourier coefficient C can be accurately calculated even when the intervals are not equal (in the case of unequal intervals). For this reason, in this
続いて、解析部17は、算出したフーリエ係数Cの絶対値および偏角の値を表示部18に表示させて(ステップ65)、解析処理60を終了する。
Subsequently, the
このように、この解析装置1および解析方法では、周期信号Sにおける複数の基本周期Tに含まれる各サンプリングポイントPを1つの基本周期Tに集約して各サンプリングポイントPにおける瞬時値Viを示す集約データDaを生成する集約処理を実行し、集約処理によって集約された各サンプリングポイントPにおける瞬時値Viに基づいて周期信号Sをフーリエ級数に展開し、フーリエ級数における各項のフーリエ係数Cを数値積分によって算出する処理と、フーリエ係数Cの絶対値および偏角の値を周期信号Sの高調波の解析結果として算出する処理とを実行する。このため、この解析装置1および解析方法によれば、周期信号Sの基本周波数fが高い(基本周期Tが短い)場合においても、集約処理を実行することによって1つの基本周期Tに十分に多くのサンプリングポイントPを含めることができる結果、それらのサンプリングポイントPにおける瞬時値Viを用いて周期信号Sの高調波を十分に高い精度で解析することができる。また、この解析装置1および解析方法によれば、各サンプリングポイントPにおける瞬時値Viに基づいて周期信号Sをフーリエ級数に展開し、数値積分によって算出したフーリエ係数Cの絶対値および偏角の値を周期信号Sの高調波の解析結果として算出することにより、各サンプリングポイントPが不等間隔のときに演算精度が低下するFFT演算処理とは異なり、集約処理によって各サンプリングポイントPが不等間隔となる場合においても、フーリエ係数Cを正確に算出して高調波の解析を高精度で行うことができる。
Thus, in this
また、この解析装置1および解析方法では、複数の基本周期Tの各開始時刻Tsと各基本周期Tにそれぞれ含まれる各サンプリングポイントPの時刻との時刻間隔Ibを特定して時刻間隔Ibの昇順で各サンプリングポイントPを並べて集約データDaを生成する処理を集約処理として実行する。このため、この解析装置1および解析方法によれば、複数の基本周期TにおけるサンプリングポイントPを単純な処理で1つの基本周期Tに集約することができる結果、集約処理の処理効率を十分に向上させることができる。
Further, in this
また、この解析装置1および解析方法では、1つの基本周期Tに集約するサンプリングポイントPの数が予め決められた上限数Nmaxおよび下限数Nminの範囲内となる基本周期Tの数を処理対象数Bとして規定し、処理対象数Bの基本周期Tに含まれる各サンプリングポイントPを対象として集約処理を実行する。このため、この解析装置1によれば、上限数Nmaxおよび下限数Nminを適正数に予め決めることで、フーリエ係数Cを正確かつ効率的に算出することができる。
Further, in the
また、この解析装置1および解析方法によれば、解析処理においてフーリエ係数を算出する際の処理効率から決められた数を上限数Nmaxとすると共に、解析処理において解析可能な最大周波数fmaxの高調波に対応するフーリエ係数Cの算出に必要とするサンプリングポイントPの数に基づいて決められた数を下限数Nminとして処理対象数Bを規定することにより、解析処理における解析可能な全周波数fの高調波についてのフーリエ係数Cを確実に算出することができる。
Further, according to the
また、この解析装置1および解析方法では、基本周期Tの終了時刻Ttに最も近いサンプリングポイントPの時刻と終了時刻Ttとの時刻間隔Icを算出する処理を処理対象数Bよりも多い数の基本周期Tについて実行し、時刻間隔Icの昇順で並べた各基本周期Tの中から処理対象数Bの基本周期Tを選択し、処理対象数Bの基本周期Tに含まれる各サンプリングポイントPを対象として集約処理を実行する。このため、この解析装置1および解析方法によれば、例えば、時系列で連続する処理対象数Bの基本周期Tに含まれる各サンプリングポイントPを対象として集約処理を実行したときには、集約後の各サンプリングポイントPが基本周期T内において均一に分散されずに高調波の正確な分析が困難となる場合であっても、集約後の各サンプリングポイントPが基本周期T内において均一となるように処理対象数Bの基本周期Tを選択することで、高調波を正確に分析することができる。
Further, in this
また、この解析装置1および解析方法によれば、時刻間隔Icの昇順で並べた各基本周期Tの中から処理対象数Bの基本周期Tを予め規定された規定数置きに選択することにより、規定数を適正な数に規定することで、集約後の各サンプリングポイントPが基本周期T内において均一となるように処理対象数Bの基本周期Tを簡易な処理で効率的に選択することができる。
Further, according to the
なお、解析装置および解析方法は、上記の構成および方法に限定されない。例えば、基本周期Tの開始時刻TsとサンプリングポイントPの時刻との時刻間隔Ibの昇順で各サンプリングポイントPを並べる処理を集約処理として実行する例について上記したが、時刻間隔Ibの降順(長さ順の他の一例)で各サンプリングポイントPを並べる処理を集約処理として実行する構成および方法を採用することもできる。 The analysis device and the analysis method are not limited to the above configurations and methods. For example, although the above describes the example in which the processing of arranging the sampling points P in the ascending order of the time interval Ib between the start time Ts of the basic cycle T and the time of the sampling point P has been described above as an aggregation process It is also possible to adopt a configuration and method in which the process of arranging the sampling points P in another example of the order is executed as an aggregation process.
また、時刻間隔Icの昇順で並べた各基本周期Tの中から処理対象数Bの基本周期Tを選択する例について上記したが、時刻間隔Icの降順(長さ順の他の一例)で並べた各基本周期Tの中から処理対象数Bの基本周期Tを選択する構成および方法を採用することもできる。 Also, although an example of selecting the basic cycle T of the number to be processed B from among the basic cycles T arranged in ascending order of the time interval Ic has been described above, arranging in the descending order of the time interval Ic (another example in order of length) It is also possible to adopt a configuration and a method of selecting the number of basic cycles T to be processed from each basic cycle T.
また、処理対象数Bよりも多い数として、処理対象数Bの2倍の基本周期T(選択対象の基本周期T)の中から処理対象数Bの基本周期Tを選択する例について上記したが、選択対象の基本周期Tの数は、これに限定されず、処理対象数Bよりも1つ以上多い任意の数(例えば、処理対象数Bの3倍以上の数)に規定することができる。 In addition, although the basic cycle T of the number B to be processed is selected from the basic cycle T (basic cycle T to be selected) twice the number B to be processed as a number larger than the number B to be processed The number of basic cycles T to be selected is not limited to this, and can be defined to an arbitrary number one or more times the number B to be processed (for example, a number three or more times the number B to be processed) .
また、処理対象数Bよりも多い数の基本周期Tの中から1つ置き(予め規定された規定数置き)に処理対象数Bの基本周期Tを選択する例について上記したが、例えば、選択対象の基本周期Tの数が処理対象数Bの3倍以上のときには、選択対象の基本周期Tの中から2以上の数置きに処理対象数Bの基本周期Tを選択する構成および方法を採用することもできる。 Also, although the basic cycle T of the number of processing targets B is selected every other basic cycle T (number of predetermined numbers defined in advance) from among the basic cycles T of the number larger than the processing target number B, for example When the number of target basic cycles T is three or more times the number of processing targets B, a configuration and method are adopted to select the number of basic cycles T for processing target B every two or more from the basic cycles T to be selected. You can also
また、処理対象数Bよりも多い数の基本周期Tの中から処理対象数Bの基本周期Tを選択し、選択した各基本周期Tに含まれるサンプリングポイントPを対象として集約処理を実行する構成および方法に代えて、図15に示すように、時系列で連続する処理対象数B(この例では4個)の基本周期Ti〜Tlに含まれる各サンプリングポイントPを対象として、図16に示すように各サンプリングポイントPを1つの基本周期Tに集約する集約処理を実行する構成および方法を採用することもできる。この構成および方法によれば、処理対象数Bよりも多い数の基本周期Tの中から処理対象数Bの基本周期Tを選択する処理が不要なため、その分、集約処理の処理効率をさらに向上させることができる。 Further, the basic cycle T of the number to be processed B is selected from among the basic cycles T having a number larger than the number to be processed B, and the aggregation processing is performed on sampling points P included in each selected basic cycle T As shown in FIG. 15, the sampling points P included in the basic cycles Ti to Tl of the number B (four in this example) of consecutive processing targets in time series are shown in FIG. It is also possible to adopt a configuration and method of executing an aggregation process of aggregating each sampling point P into one basic cycle T. According to this configuration and method, the process of selecting the basic cycle T of the number B to be processed from the basic cycles T of the number larger than the number B to be processed is not necessary. It can be improved.
また、フーリエ係数Cを台形積分(台形公式)によって算出する例について上記したが、他の数値積分や近似公式(例えば、シンプソンの公式やガウス求積)によってフーリエ係数Cを算出する構成および方法を採用することもできる。 Also, although the above describes the example of calculating the Fourier coefficient C by trapezoidal integration (trapezoidal formula), the configuration and method of calculating the Fourier coefficient C by other numerical integration or approximation formula (for example, Simpson's formula or Gaussian quadrature) It can also be adopted.
1 解析装置
12 サンプリング部
14 ゼロクロス検出部
15 基本周期特定部
16 処理部
17 解析部
50 集約処理
60 解析処理
B 処理対象数
Ia 時刻間隔
Ib 時刻間隔
Ic 時刻間隔
Nmax 上限数
Nmin 下限数
P サンプリングポイント
S 周期信号
T,Ta〜Th,Ti〜Tl 基本周期
Ta サンプリング周期
Tt 終了時刻
Ts 開始時刻
Vi 瞬時値
Claims (8)
前記周期信号のゼロクロスを検出する検出部と、前記ゼロクロスの検出結果に基づいて前記周期信号の基本周期を特定する基本周期特定部と、時間的に隣接する2つの前記サンプリングポイントの各時刻の第1の時刻間隔が前記サンプリング周期よりも短縮されるように複数の前記基本周期に含まれる前記各サンプリングポイントを1つの前記基本周期に集約して各サンプリングポイントにおける前記瞬時値を示す集約データを生成する集約処理を実行する処理部とを備え、
前記解析部は、前記解析処理において、前記集約処理によって集約された前記各サンプリングポイントにおける前記瞬時値に基づいて前記周期信号をフーリエ級数に展開して当該フーリエ級数における各項のフーリエ係数を数値積分によって算出する処理と、当該フーリエ係数の絶対値および偏角の値を前記高調波の解析結果として算出する処理とを実行する解析装置。 A sampling unit that acquires an instantaneous value of a periodic signal at a sampling point of a predetermined sampling period, and an analysis unit that executes an analysis process that analyzes harmonics of the periodic signal based on the instantaneous values at a plurality of sampling points And an analyzer equipped with
A detection unit that detects a zero cross of the periodic signal, a basic period identification unit that specifies a basic period of the periodic signal based on the detection result of the zero cross, and a second of each of the two adjacent sampling points in time The sampling points included in the plurality of basic cycles are aggregated into one basic cycle so that one time interval is shorter than the sampling cycle, and consolidated data indicating the instantaneous value at each sampling point is generated. And a processing unit that executes an aggregation process to
The analysis unit expands the periodic signal into a Fourier series based on the instantaneous value at each of the sampling points aggregated by the aggregation process in the analysis process, and numerically integrates Fourier coefficients of respective terms in the Fourier series. An analysis apparatus that executes a process of calculating by the following equation and a process of calculating the absolute value of the Fourier coefficient and the value of the argument as an analysis result of the harmonic.
前記周期信号のゼロクロスを検出し、当該ゼロクロスの検出結果に基づいて前記周期信号の基本周期を特定し、
時間的に隣接する2つの前記サンプリングポイントの各時刻の第1の時刻間隔が前記サンプリング周期よりも短縮されるように複数の前記基本周期に含まれる前記各サンプリングポイントを1つの前記基本周期に集約して各サンプリングポイントにおける前記瞬時値を示す集約データを生成する集約処理を実行し、
前記解析処理において、前記集約処理によって集約した前記各サンプリングポイントにおける前記瞬時値に基づいて前記周期信号をフーリエ級数に展開して当該フーリエ級数における各項のフーリエ係数を数値積分によって算出する処理と、当該フーリエ係数の絶対値および偏角の値を前記高調波の解析結果として算出する処理とを実行する解析方法。 An analysis method for acquiring an instantaneous value of a periodic signal at a sampling point of a predetermined sampling period, and performing an analysis process of analyzing harmonics of the periodic signal based on the instantaneous values at a plurality of the sampling points. ,
The zero crossing of the periodic signal is detected, and the basic period of the periodic signal is specified based on the detection result of the zero crossing;
The sampling points included in a plurality of basic periods are aggregated into one basic period so that the first time interval of each time of two adjacent sampling points in time is shorter than the sampling period Execute an aggregation process to generate aggregated data indicating the instantaneous value at each sampling point,
A process of expanding the periodic signal into a Fourier series based on the instantaneous values at the sampling points aggregated by the aggregation process in the analysis process, and calculating Fourier coefficients of respective terms in the Fourier series by numerical integration; And a process of calculating the absolute value of the Fourier coefficient and the value of the argument as an analysis result of the harmonic.
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