JP5173590B2 - 振動絶縁システムにおける周波数応答補正のための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般的に、アナログ・センサ信号を送出する振動信号送信器と、センサ信号をアクチュエータを制御するアクチュエータ制御信号に加工し、その信号によって振動を抑制するアクチュエータを有する振動絶縁システム（ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）の制御および調整に関し、具体的には、振動信号送信器によって送出されたセンサ信号の周波数応答補正のための方法および装置に関する。

欧州特許第０ ９２７ ３８０号明細書から、振動絶縁システム内に発生する振動、または低い周波数範囲へ抑制しようとする振動を制限する方法および装置を知ることができる。

さらに、可動コイル原理による、受振器（ｇｅｏｐｈｏｎｅ）とも呼ばれる速度センサが、振動絶縁のために、とりわけ、振動センサとして使用されている。速度センサは、広い帯域および振動に対する高い感度を提供し、ハードウェアのコストの低下に寄与している。これらセンサの感度は、ある低いカットオフ周波数からスタートする、どちらかと言えば線形であるが、このカットオフ周波数から始まる低い周波数で著しく落ち込む。振動絶縁システムで使用される一般的な受振器では、このカットオフ周波数は概ね約４Ｈｚにある。しかし、制御帯域幅は一般的に少なくとも０．１Ｈｚに等しくあるべきなので、受振器の感度曲線を４Ｈｚより下方で持ち上げる必要がある。

この目的のために構成され、０．５Ｈｚと４Ｈｚの間で周波数応答補正を達成することができるアナログ回路が知られている。低い周波数では、線形性を達成するために非常に高い増幅が必要である。これは、アナログで実施するとセンサ信号内に非常に高いノイズを生成する。さらに、周波数応答補正のためのアナログ電子素子はコストが大きく、大きな寸法を有する。寸法が大きいと、ダンパの近くでは一般的に利用可能なスペースが殆ど無いので、例えば周波数応答補正のための構成部品をセンサの近傍に配置できる可能性が制限される。
欧州特許第０ ９２７ ３８０号明細書

本発明の１つの課題は、したがって、振動絶縁システムで振動信号送信器のための改良型周波数応答補正を達成する方策を提起することである。

この問題は、請求項１による方法および請求項７による補正装置によっても解決される。有利な実施形態および改良形態が関連する従属請求項で述べられている。

従って、振動絶縁システムを制御するための本発明による方法は、少なくとも１つの振動信号送信器を用いて振動を表すアナログ・センサ信号を発生し、振動信号送信器の周波数に依存する感度を補正するためにセンサ信号を周波数に依存して増幅し、増幅されたセンサ信号を処理して少なくとも１つのアクチュエータ制御信号を発生し、そして振動を打ち消すためにアクチュエータ制御信号で少なくとも１つのアクチュエータを制御することを含み、センサ信号の増幅が、アナログ増幅ステージを用いる第１の増幅およびディジタル増幅ステージを用いる第２の増幅を含み、アナログおよびディジタル増幅ステージが直列に接続されている。相応しくは、信号はＡ／Ｄコンバータを用いてディジタル増幅ステージの上流でディジタル化される。ディジタル増幅ステージは、したがってアナログ増幅ステージの下流で好ましく接続される。

したがって本発明は、振動絶縁システムで使用するためのハイブリッド式周波数応答補正を提供し、この補正はアナログの部分およびディジタルの部分から成る。周波数応答補正は、振動信号送信器の感度を低い周波数で持ち上げ、それによって具体的にはある与えられた周波数の範囲にわたって振動信号送信器の感度を基本的に線形にすることを達成するために使用され、その与えられた周波数範囲が０．１Ｈｚを超えない下限値を有することが好ましい。

振動信号送信器の感度は、カットオフ周波数の上方では十分に線形である感度を有しているのが一般的であるので、本方法はセンサ信号を基本的にはこのカットオフ信号（好ましくは約４Ｈｚにある）の下方だけで有利に増幅する。

本方法は、振動絶縁のための制御システムが純粋にディジタル構成（これが事例の圧倒的多数である）を有する場合、特に有利な方式で適用することができる。ここでは、ディジタル増幅は、制御システム内部でセンサ信号がディジタル化されるとその直後に有利に実行される。

本方法の２つの基本的な実施形態を認識することができるであろう。第１の実施形態では、アナログ周波数応答補正のための構成部品およびディジタル周波数応答補正のための構成部品は、全周波数範囲にわたって動作し、各部分が必要な補正の半分を実施する。したがって第１および第２の増幅は基本的に同じ周波数依存をもって実施される。

第２の実施形態では、アナログおよびディジタル周波数応答補正部分は、周波数範囲を分割し、ディジタル補正のための構成部品が低い周波数を補正し、アナログ補正のためのものが高い周波数を補正する。したがって、センサ信号は、第１の周波数範囲にわたって第１のアナログ増幅によって有利に増幅され、第２の周波数範囲では第２のディジタル増幅によって有利に増幅され、その第２の周波数範囲は第１のものと違っておりアナログ増幅がディジタル増幅より高い周波数で行われ好ましい。

こうして、第１の実施形態でアナログ周波数応答補正のためには、全アナログ周波数応答補正に比べ、やはり増幅の半分だけが必要であること、または第２の実施形態でアナログ周波数応答補正のための構成部品は、著しく高い周波数に対してだけチューニングをすればよいことが保証される。両方の実施形態とも、電子素子による雑音挿入を減少させ、構造形態の寸法も減少させる。しかし、周波数応答補正が少なくとも部分的にアナログであることの利点、例えばより高い正確さ、が得られる。

明らかに、アナログ周波数応答補正またはディジタル周波数応答補正が実行される周波数範囲はオーバーラップすることもできる。具体的には、アナログ増幅に適応しているディジタル増幅を実行し、ある与えられた周波数範囲全体にわたる周波数応答補正を達成することができる。

振動絶縁システムの振動信号送信器の周波数に依存する感度を補正する本発明による補正装置は、振動信号送信器によって生成されたセンサ信号を第１の周波数範囲内で周波数に依存して増幅するために構成されたアナログ増幅ステージと、ディジタル化された信号を第２の周波数範囲内で周波数に依存して増幅するために構成されたディジタル増幅ステージを含み、アナログおよびディジタル増幅ステージは直列に接続されている。アナログ増幅ステージを用いて増幅された信号は、Ａ／Ｄコンバータを用いてディジタル化され有利であり、ディジタル増幅ステージはＡ／Ｄコンバータの下流に好ましく直接接続されている。

補正装置は、基本的にはカットオフ周波数の下側、具体的には約４Ｈｚより下側で振動信号送信器の周波数に依存する感度を補正する目的で好ましく構成されている。

第１の好ましい実施形態では、第１および第２の増幅ステージは、基本的に同じ周波数依存で増幅するために構成されている。

第２の好ましい実施形態では、第１の増幅ステージは第１の周波数範囲にわたって増幅を行うよう構成され、第２の増幅ステージは第２の周波数範囲にわたって増幅を行うよう構成されており、その第２の周波数範囲は第１のものと異なっており、第１の周波数範囲は好ましくは第２の周波数範囲より高い周波数にある。

ディジタル増幅ステージは、振動絶縁システムのディジタル制御装置内に配置されることが好ましい。この実施形態では、周波数応答補正は２つのステップに分けられており、アナログ部分はやはりディジタル制御システムの外側に配置され、ディジタル部分は制御システム内で、センサ信号をディジタル化するためのＡ／Ｄコンバータの下流に配置される。

さらに、上記に説明するような補正装置を含む振動絶縁システムも本発明の範囲にある。

本発明は、受振器センサに対する周波数応答補正のためのハイブリッド設計を初めて提示するが、そのハイブリッド設計の結果ノイズを削減することができ、アナログ回路のための構造形態を小さくできる。

ディジタル方式の「後工程（ｐｏｓｔ−ｐｒｏｃｅｓｓ）」が必要になるのは、ディジタル制御システムを伴う振動絶縁システムには本来的に固有のものであり、追加費用は発生しない。

本発明は、好ましい実施形態および添付図面を参照に下記により詳細に説明される。ここに図面で同一の符号は同一のまたは同等の部品を表す。

図１は、振動絶縁システム１０の好ましい実施形態を示す。能動振動絶縁システムに適用するための、図１に非常に簡素化して表わされている制御装置は、原理的に知られている電子素子を用いて構成することができる。ここに示す実施形態では、少なくとも１つのセンサ１００が、アナログ・センサ信号を送出する振動信号送信器として、センサ信号をアクチュエータ制御信号に加工する制御システムに入力側で接続されている。制御システムは、出力側で少なくとも１つのアクチュエータ４００に接続されており、それによってアクチュエータ４００は、アクチュエータ制御信号を与えることによって検出された振動を打ち消すために制御可能である。一般的には、複数のセンサ１００および複数のアクチュエータ４００が設けられている。

振動絶縁システム１０を制御するために、センサ信号をアクチュエータ制御信号にディジタル方式で加工するのに必要な計算を実行するディジタル・コントローラ３６０が使用される。その加工に使用されるディジタル・プロセッサは、一般的にディジタル・シグナル・プロセッサ、つまりいわゆるＤＳＰを少なくとも１つ備える。

本発明によれば、センサ１００の感度は、低い周波数範囲、一般的には４Ｈｚより下方で周波数応答補正によって持ち上げられる。周波数応答補正は、アナログ増幅ステージ２５０および出力部に接続されているディジタル増幅ステージ３５０を用いて２つのステップで実行される。増幅ステージ２５０および３５０は複数のセンサの信号を好ましく増幅するように構成されている。

ここに示す実施形態では、ディジタル増幅ステージ３５０は、共通の制御装置３００内にディジタル・コントローラ３６０と一緒に配置されている。制御装置３００は、さらに、増幅ステージ２５０の少なくとも１つのアナログ出力信号をディジタル化する少なくとも１つのＡ／Ｄコンバータ３１０を入力側に備え、ならびに出力側Ｄ／Ａコンバータ３２０を少なくとも１つ備える。出力側Ｄ／Ａコンバータ３２０は、計算されたアクチュエータの信号を確実に電流／電圧信号に変換し、その電流／電圧信号は、必要であれば他の図示していない増幅器を用いてアクチュエータ４００に供給される。

本発明の１つの本質的な利点は、周波数応答補正を振動絶縁に適用する２つの異なる技術の組合せにある。アナログおよびディジタル周波数応答補正を連続させることに基づく両方の技術の利点が、全般的に最適な周波数応答補正、つまり最大限可能な周波数範囲にわたる線形なセンサの感度を可能にするために有利かつ効率的な方策で使用され、具体的には、信号が含む雑音およびアナログ周波数応答補正のための装置の構造寸法が、純粋なアナログ回路に比べて小さくなる。

減衰受振器の感度曲線５００の一般的なプロファイルが図２に示されている。感度は、約４Ｈｚの低いカットオフ周波数からスタートする線形プロファイルを有するが、このカットオフ周波数から始まる低い周波数で著しく下がることが明白である。

２つの好ましい実施形態に対するこの感度プロファイル５００の補正が、図３および４に示されている。

図３に示す実施形態では、アナログおよびディジタル周波数応答補正は基本的に等しい周波数依存をもって基本的に等しい部分で実行される。補正に寄与するアナログ増幅ステージ２５０の部分は符号６１０で表され、補正に寄与するディジタル増幅ステージ３５０の部分は符号６２０で表される。

図４に示す実施形態に対しては、アナログ増幅ステージ２５０が第１の周波数範囲にわたって周波数応答補正を実現させ、ディジタル増幅ステージ３５０が、第１のものとは異なる第２の周波数範囲にわたって周波数応答補正を実現させる。符合６２０で表されるように、アナログ周波数応答補正は高い周波数で実行され、一方ディジタル周波数応答補正は、符合７２０で表されるように、低い周波数で実行されている。

両方の実施形態で、振動信号送信器の使用中に基本的に線形である感度プロファイルが、アナログおよびディジタル周波数応答補正の組合せによってある与えられた周波数範囲にわたって達成される。明らかに、完全に一定なプロファイルは、特に恣意的に低い周波数までは実現することができず、補正によって達成しようとする、図３および４に破線として示す感度は、理想的な場合を示している。この点において図３および４は、動作の主な原理を図示しているものに過ぎない。

第２の実施形態に対しては、周波数応答補正に対するアナログ増幅ステージ２５０による寄与のプロファイル６３０およびディジタル増幅ステージ３５０による寄与のプロファイル７３０が図５に示されている。図５のプロファイルは、任意のユニットにおけるプロファイルの例を単に概略的に示しており、ここに示されている例ではアナログおよびディジタル周波数応答補正の周波数範囲は重なり合っている。各プロファイルから、この実施形態ではアナログ増幅ステージ２５０が高域通過特性を有し、ディジタル増幅ステージ３５０が低域通過特性を有することが明らかである。したがって増幅ステージ２５０および３５０は対応するフィルタ構成部品を有利にも含むことができる。

両方の増幅装置、即ちアナログ式の２５０およびディジタル式の３５０各々は、特定の周波数範囲内でセンサ信号の周波数応答補正を最適にするために有利に設計することができ、この実施形態は単に例に過ぎない。アナログおよびディジタル増幅装置のための周波数応答補正のその他いかなる分類も本発明の範囲内にある。

実際的な具現化の一例として振動信号送信器、つまりセンサ１００は、絶縁しようとする物体に関して、およびそれらの方向感度に関しても適切にその用途に適している決められた方式で構成されている。アクチュエータ４００は、同様に物体に関して、前記物体をサポートし、その物体を周辺に対して振動から絶縁し、またはそれら振動を打ち消すために適切な方式で構成されている。さらに、一般的に、振動絶縁システムに対しては考慮しようとする自由度は６次であり、その６次の自由度内の振動は、いくつかのセンサを用いて記録される。一般的に、送出されたセンサ信号は互いに結合され、それによってセンサ信号は制御装置によって先ず分離された軸方向信号に加工され、その軸方向信号はアクチュエータで制御信号を生成するためにさらに加工される。例えば、アクチュエータが８個設けられている場合にはそれに応じてアクチュエータ制御信号も各制御装置に対して１個、合計８個が計算される。

振動絶縁システムの振動信号送信器の周波数に依存する感度を補正する補正装置の好ましい実施形態における振動絶縁システムの概略図である。 一般的な減衰受振器の感度曲線を示す図である。 振動信号送信器の感度のための、本発明による方法の第１の好ましい実施形態によるアナログおよびディジタル増幅によって達成された補正の概略図である。 振動信号送信器の感度のための、本発明による方法の第２の好ましい実施形態によるアナログおよびディジタル増幅によって達成された補正の概略図である。 図４に示す実施形態で周波数応答補正のためのアナログおよびディジタル増幅によってもたらされる寄与を示す概略図である。

Claims (16)

1. 少なくとも１つの振動信号送信器（１００）を用いて振動を表す少なくとも１つのアナログセンサ信号を生成するステップと、
   アナログ増幅ステージ（２５０）による第１の増幅と、前記アナログ増幅ステージに直列に接続されたディジタル増幅ステージ（３５０）による第２の増幅とを含む前記振動信号送信器（１００）の周波数に依存する感度を補正するために、前記センサ信号を周波数に依存して増幅するステップと、
   前記増幅されたセンサ信号を加工することによって少なくとも１つのアクチュエータ制御信号を生成するステップと、
   前記振動を打ち消すために前記アクチュエータ制御信号で少なくとも１つのアクチュエータ（４００）を制御するステップを含む振動絶縁システム（１０）を制御する方法。
2. 前記センサ信号が、基本的に前記振動信号送信器（１００）のカットオフ周波数の下方でのみ増幅される請求項１に記載の方法。
3. 前記カットオフ周波数が約４Ｈｚにある請求項２に記載の方法。
4. 前記第１および第２の増幅が基本的に等しい周波数依存をもって実行される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記センサ信号が第１の周波数範囲では前記第１の増幅によって増幅され、第１の周波数範囲とは異なる第２の周波数範囲では前記第２の増幅によって増幅される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記第１の周波数範囲が前記第２の周波数範囲より高い周波数にある請求項５に記載の方法。
7. 前記ディジタル増幅ステージ（３５０）が前記アナログ増幅ステージ（２５０）の下流で接続されている請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
8. 振動絶縁システム（１０）の振動信号送信器（１００）の周波数に依存する感度を補正する補正装置（２５０、３５０）であって、
   前記振動信号送信器（１００）によって生成されたセンサ信号を第１の周波数範囲で周波数に依存して増幅するよう構成されたアナログ増幅ステージ（２５０）と、
   ディジタル化された信号を第２の周波数範囲で周波数に依存して増幅するよう構成されたディジタル増幅ステージ（３５０）とを含み、前記アナログ増幅ステージ（２５０）および前記ディジタル増幅ステージ（３５０）が直列接続されている、補正装置。
9. 前記振動信号送信器（１００）の前記周波数に依存する感度が、基本的に前記振動信号送信器（１００）のカットオフ周波数の下方で補正されるように構成された請求項８に記載の補正装置。
10. 前記カットオフ周波数が約４Ｈｚにある請求項９に記載の補正装置。
11. 前記アナログ増幅ステージ（２５０）および前記ディジタル増幅ステージ（３５０）が、基本的に等しい周波数依存をもって増幅するために構成されている請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の補正装置。
12. 前記アナログ増幅ステージ（２５０）が第１の周波数範囲で増幅を実施するよう構成され、前記ディジタル増幅ステージ（３５０）が前記第１の周波数範囲と異なる第２の周波数範囲で増幅を実施するよう構成されている請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の補正装置。
13. 前記第１の周波数範囲が前記第２の周波数範囲より高い周波数にある請求項１２に記載の補正装置。
14. 前記ディジタル増幅ステージ（３５０）が前記アナログ増幅ステージ（２５０）の下流で接続されている請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の補正装置。
15. 前記ディジタル増幅ステージ（３５０）が前記振動絶縁システム（１０）のディジタル制御装置（３００）内に配置されている請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の補正装置。
16. 請求項８乃至１４のいずれか１項による補正装置（２５０、３５０）を含む振動絶縁システム（１０）。

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