JPS62148817A - 高調波検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は高調波を検出するための高調波検出装置に関し
、さらには、回転体の振動スペクトラムを求める装置に
関するものである。

回転体の基本回転数に対する高調波成分あるいは分周波
成分を分析することにより、機械装置類の保守や、安全
性の確認をするのに好適な高調波検出装置を提供するも
のである。

［従来の技術］ 従来の高調波検出装置の回路構成を第４図に示し説明す
る。

第４図（ａ）において、１１は、回転体などの機械的動
作を電気信号に変換するセンサのアナログ出力が印加さ
れるアナログ入力端子、１２はサンプリング周波数に関
連した特定の必要な周波散逸の信号を通し、それ以上の
不要な周波数の信号を除去するための固定フィルタであ
る。１６は、この固定フィルタ１２からのアナログ信号
を、固定の周波数でクロックを発生する固定クロック発
生回路１５からのクロックによりサンプルして、ディジ
タル信号に変換（ＡＤ変換）するためのＡＤ変換回路で
ある。

ＡＤ変換回路１６の出力であるディジタル値は、データ
・メモリ１７に記憶される。

データ・メモリ１７に記憶された、アナログ入力端子１
１に印加されてＡＤ変換された信号は、高調波信号の成
分等を得るために高速フーリエ変換をするための高速フ
ーリエ変換器１８（ＦＦＴ１８と略す）に印加されて、
高調波などが求められて、それを出力端子２０に出力す
る。ここにおいて、高次までの高調波のスペクトラムが
求められる。

第４図（ｂ）においては、高次までの高調波のスペクト
ラムの精度を高めるために、第４図（ａ）における固定
フィルタ１２および固定クロック発生回路１５にかえて
、それぞれ、トラッキング・フィルタ１３および次数比
クロック発生回路１４が設けられている点で、異なって
いる。

第４図（ｂ）において、次数比クロック発生回路１４は
、アナログ入力端子１１がらの信号の基本周波数の整数
倍の周波数を有するクロックを発生し、このクロックは
ＡＤ変換回路１６に印加されてアナログ信号をサンプル
する。次数比クロック発生回路１４は、現在発生してい
るクロック周波数に関する情報をトラッキング・フィル
タ１３に送出している。

この情報を受けたローパス・フィルタであるトラッキン
グ・フィルタ１３は、その遮断周波数をクロック周波数
に見合った所定の周波数に追従せしめている。

［発明が解決しようとする問題点］ 第４図（ａ）に示した装置においては、非常に高次のス
ペクトラムまで求められるという特徴はあるものの、ア
ナログ入力端子１１に印加される入力信号の基本周波数
と何の関係もない周波数の固定クロックでＡＤ変換する
ために、このクロック周波数が入力信号の基本周波数の
整数倍となるとき以外には、高調波のスペクトラムの検
出精度は著しく悪くなる。従来のＦＦＴｌＢにおいては
、基本周波数におけるスペクトラムを得るために用いる
データ数（サンプリングの点数）は、高次のスペクトラ
ムを得るために用いるデータ数に等しく、ＦＦＴ１８が
その特性として示すディジタル的に形成されたバンドパ
ス・フィルタは、基本波においても、その高調波におい
ても同じ帯域幅を有するものとなっていた。

それは、このバンドパス・フィルタの帯域幅は、スペク
トラムを得るために用いるデータ数に逆比例するからで
ある。たとえば、サンプリング周波数が２５６０町のと
き、基本波のスペクトラムを求めるためのデータ数が、
たとえば５１２０個である場合にはバンドパス・フィル
タの帯域幅は、約０．５Ｈ程度、２５６０個の場合は約
１Ｈ７となる。

たとえば、１０倍（ｉ＝１０＞の高調波を得るために前
述の基本波の場合と同様に５１２０個のデータを用いる
ならば、その結果前られるバンドパス・フィルタの帯域
幅は同じく約０．５Ｈ２，２５６０個の場合は約１Ｈ２
となる。

そのために、高次の高調波になればなる程、バンドパス
・フィルタの中心周波数から、入力信号の周波数成分が
はずれた場合には、検出されるスペクトラムの精度は著
しく劣化する。

第４図（ａ）に示した装置においては、高調波のスペク
トラムを検出する場合においても、そのバンドパス・フ
ィルタの特性における帯域幅は、基本波のそれとは変ら
ず、そのために、入力信号をサンプルする周期が、入力
信号の基本波の周期に一致している場合には高調波にあ
ける各バンドパス・フィルタの中心周波数に入力信号の
高調波のスペクトラムが一致するから誤差とはならなか
った。しかし、サンプルする周期が、入力信号の基本波
の周期かられずかな周波数Δｆはずれていても、ｉ次の
高調波においては、そこに形成されるディジタル的バン
ドパス・フ４ルタの中心周波数からｉ・Δｆだけはずれ
たものとなる。それにもかかわらず、そのｉ次の高調波
におけるバンドパス・フィルタの帯域幅は基本波におけ
る帯域幅と変りはないから、前記ｉ・八ｆだけ、その中
心周波数からはずれた場合には、スペクトラムは著しく
精度がおちたものとなってしまう。

このような問題点を改善するために、第４図（ｂ）に示
すように、ＡＤ変換回路１６に、入力信号の基本周波数
、またはその整数倍の周波数のクロックを印加し、それ
に整合せしめるためにトラッキング・フィルタ１３の遮
断周波数も変えて、ＡＤ変換することにより、第４図（
ａ）に示した装置の有する、高調波のスペクトラムの検
出精度の劣化を除去しようとした。

ところが、第４図（ｂ）の装置においては、トラッキン
グ・フィルタ１３および次数比クロック発生回路１４の
構成が非常に複雑なものとなるために、高価なものとな
る問題点があった。

［問題点を解決するための手段］ 本発明はこのような問題点を解決するためになされたも
のであり、従来のＦＦＴ１８にかえて、本件発明の主要
部である高調波検出器を採用し、この高調波検出器の新
規な機能によって、従来のトラッキング・フィルタ１３
および次数比クロック発生回路１４を省略した。

第４図（ａ）に示した装置においては、高調波の検出に
用いられるディジタル的バンドパス・フィルタの帯域幅
が、高調波の次数が高次になっても変化しないことから
、その誤差が大きくなることに鑑み、本発明においては
、観測すべき周波数に応じてスペクトラムの帯域幅を変
化させるようにした。

そのために、データ・メモリ１７に記憶されているＡＤ
変換された全データを、観測すべき周波数の範囲に応じ
てあらかじめ定められた数で必るｎに分割し、観測すべ
き周波数が高くなるにしたがってこのｎの値も大きくな
るように設定した。

この設定されたｎにしたがって、データ・メモリ１７に
記憶されているＡＤ変換された全データをｎ個のブロッ
クに等分して、それぞれ演算してスペクトラムを求め、
その平均値を１昇るようにした。

［作用］ このようにして、観測すべき周波数に応じて、それに対
応するディジタル的に形成されたバンドパス・フィルタ
の帯域幅もｎ倍に拡大するようにした。

ここで、基本波の・・・１／３．１／２などの分周波の
周波数が観測すべき周波数の範囲に含まれている場合に
は、その分周波のスペクトラムも求めることができる。

バンドパス・フィルタの設定された範囲の中心周波数ｆ
。と入力信号の基本波の周波数ｆ、との間に若干の差異
があっても、その高調波におけるバンドパス・フィルタ
の帯域幅をｎ倍に広げることによって、高調波のスペク
トラム検出時の誤差を使用上問題とならない程度に十分
に減少せしめるものである。

［実施例］ 本件発明の全体構成を第１図に示す。ここにおいて、第
４図に示した各構成要素に対応するものには同じ番号を
付した。

アナログ入力端子１１に信号が印加されると、サンプリ
ング周波数（クロック周波数に同じ）に関連した特定の
必要な周波数帯域に制限するための固定フィルタ１２を
介して、ＡＤ変換回路１６に印加されて、ディジタル値
に変換され、それはデータ・メモリ１７に記憶される。

その記憶内容は本件発明の主要部をなす高調波検出器３
０に送出されて、高調波成分のスペクトラムが求められ
る。

この高調波検出器３０の構成は第２図に示すようになっ
ている。

３１は乗算器で、データ・メモリ１７から、制御回路３
９の指定する範囲の番地のデータ（第３Ｃ図（ａ）のに
番目のブロックに含まれるデータ）を受けて、そこに印
加される正弦波および余弦波をディジタル・データとし
て発生する正・余弦波発生器３２からの正・余弦波と乗
算する。

ここで、正・余弦波発生器３２は、図示されてはいない
キー・ボードなどからの指示にもとづく基本波の周波数
を制御回路３９が受けて、その１倍の周波数を指示する
データを制御回路３９から受けて正弦波および余弦波を
ディジタル・データで発生する。ここでｉは、・・・１
／３．１／２などの分周比であられされる低調波（分周
波）および１または２以上の整数で高調波の次数をあら
れす。

以下、ｉを単に低高調波の次数という。　３３は、乗算
器３１からの正弦波の乗算結果であるデータを、制御回
路３９により指定されたデータ数（第３Ｃ図（ａ）のに
番目のブロックに含まれるデータ数、すなわちワード数
、Ｗ、）だけ積和して、フーリエ変換における虚数部を
求め、また、同様にして乗算器３１からの余弦波の乗算
結果を積和して、フーリエ変換にあける実数部を求め、
それぞれ出力する。

３４は第１積和計算機の出力を制御回路３９により指定
されたデータ数（第３Ｃ図（ａ＞のに番目のブロックに
含まれるデータ数、すなわちワード数、Ｗ、）で除算し
出力するための第１除算器でおる。この第１除算器３４
の出力は入力信号の電圧スペクトラムを表わしている。

つぎにパワー・スペクトラムを得るために、第１除算器
３４の出力である虚数部と実数部は、それぞれ２乗計算
器３５に加えられて２乗されて、それぞれ２乗された虚
数部と実数部は加算される。

この加算結果はパワー・スペクトラムをあられす。

ｉ次のパワー・スペクトラムを求める場合には、そのｉ
次の周波数に対応するｎによって、以上の動作が０回く
り返される。この場合にはデータ・メモリ１７において
は、制御回路３９からの制御によって、記憶されたデー
タの順序にしたがって、ｎブロックに分割されて順次台
ブロックについてのパワー・スペク・トラムを制御回路
３９からの指示によって求める。

ここで、ｎの値はミ第３Ｄ図に例示するような分割テー
ブルが制御回路３９に含まれており、観測しようとする
基本波を含む低高調波の周波数に対応して、決定される
。図示されてはいないキーボードなどからの基本周波数
および観測したい低高調波の次数ｉが入力されれば、ｎ
は定まる。したがって、ｉ次の高調波を求める場合にお
いては、データ・メモリ１７において分割されたｎ個の
ブロックのデータのそれぞれに対応して、ｎ個のパワー
・スペクトラムが得られる。

このｎ個のパワー・スペクトラムは順次、第２積和計算
器３６に印加されて、積和を篩用する。

この積和によって、データ・メモリ１７において分割さ
れたｎ個のブロックのうちのいくつかのブロックが、入
力信号が零となっている期間のデータをあられしていた
としても、入力信号における瞬時的信号を確実にとらえ
て検出することが可能となる。

この第２積和計算器３６の出力は、制御回路３９によっ
て制御されて解析結果メモリ３７に記憶される。

解析結果メモリ３７に記憶されたパワー・スペクトラム
に関するデータは、第２除算器３８に送られて、制御回
路３９の指示によりｎ分の１に除算される。これは第２
積和計算器３６でｎ個の積和を得た結果、求めるべき値
のｎ倍の値となっているのを加算平均するものである。

このようにしてｉ次までの各低高調波の各パワー・スペ
クトラムを得ることができる。

以上の説明において、第２除算器３８は、第２積和計算
器３６と解析結果メモリ３７との間に設けてもよいこと
は明らかであろう。

以上の動作を第３Ａ図および第３Ｂ図に示すフロー・チ
ャートによって説明する。

まず制御回路３９に基本周波数および観測すべき低高調
波の次数をキー・ボードなどから入力する（３１０１）
。

つぎに観測すべき基本波を含む低高調波の周波数から、
それに対応する、第３Ｄ図に例示する、ｎの値のテーブ
ルを内蔵する制御回路３９が決定する（３１０２＞。

データ・メモリ１７の全ワードに記憶された全データを
ｎ個のブロックに等分する。（３１０３、第３Ｃ図（ａ
）のデータ・メモリ１７の内容を参照）。このｎ等分に
おいて端数になったワードのデータは切り捨てる。この
等分されたデータ・メモリ１７のに番目のブロックのデ
ータＤｋを読出す（３１０４）。

乗算器３１においては、データ・メモリ１７から読出し
たデータＤ（に、正・余弦波発生器３２からの観測すべ
き周波数であるｉ次の周波数の余弦波データを乗算する
（Ｓ１０５）。

この余弦波のＷ。個の乗算データは第１積和計算器３３
に加えられて、積和計算をする（３１０６）。この積和
計算の結果をＷｎで除算しフーリエ変換における実数成
分を求める（Ｓ’１０７）。

ここで　Ｗｎはｎ分割したデータ・メモリ１７の１つの
ブロックに含まれるデータ数である。

３１０４と同様にして、ｋ番目のブロックのデータを、
データ・メモリ１７から読出す（３１０８）。

乗算器３１においてはデータ・メモリ１７から読出した
データに、正・余弦波発生器３２からの観測すべき周波
数であるｉ次の周波数の正弦波データを乗算する（３１
０９）。

この正弦波のＷ。個の乗算データは第１積和計算器３３
に加えられて、積和計算をする（Ｓ１１０）。この積和
計算の結果を１つのブロックに含よれるデータ数Ｗ。で
除算しフーリエ変換における虚数成分を求める（３１１
１）。

８１０７で求めた実数成分と８１１１で求めた虚数成分
を、２乗計算器３５においてそれぞれ２乗し、加算する
（第３８図３１２０＞。

そこで、ｋに１を加える（Ｓ１２１）。

このｋがｎに達するまで前記の動作はくり返され（３１
２２ＹＥＳ）、ｋがｎに達すると（３１２２ＮＯ＞　、
第２積和計算器３６において、データ・メモリ１７のｎ
個のブロックから得られたパワー・スペクトラムを加算
する（３１２３＞。

この加算結果は、解析結果メモリ３７のｉ番目の場所に
記憶する（Ｓ１２４、第３Ｃ図（ｂ）参照）。このｉ番
目の場所に記憶された各々のデータを第２除算器３８に
おいてｎで除算する（３１２５）。

以上の動作によってｉ次の高調波のスペクトラムが求め
られる。したがって、ｉが所定の数に達していない場合
には、以上の動作がくり返されてｉ次までの低高調波の
スペクトラムが求められる。

以上の説明において、実数部を求める過程（Ｓ１Ｃ）４
，１０５，１０６．１０７＞および虚数部を求める過程
（３１０８，１０９，１１０゜１１１）は入れ換えるこ
とができる。

また５１２５のｎで除算するステップは、５１２３と５
１２４の間において行うことも可能である。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように本発明によるならば、構
成の複雑な（〜ラッキング・フィルタや次数比ブロック
発生回路を用いる必要もなく、また、高次の高調波にお
けるスペクトラムの著るしい精度の劣化も除去して、極
めて簡単な構成で、実用上十分な精度を得ることができ
、小型でしかも低価格な高調波検出装置を実現すること
ができるので、本発明の効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の全体の構成を示す図、第２図は本発明
の要部をなす高調波検出器の構成を示す図、第３Ａ、Ｂ
、Ｃ，Ｄ図は第１図および第２図の動作を説明するため
のフロー・チャートと、その説明のための図、第４図は
従来装置の構成を示す図である。 １１・・・アナログ入力端子 １２・・・固定フィルタ １３・・・トラッキング・フィルタ １４・・・次数比クロック発生回路 １５・・・固定クロック発生回路 １６・・・ＡＤ変換回路 １７・・・データ・メモリ　１８・・・ＦＦＴ２Ｏ・・
・出力端子　　　　３０・・・高調波検出器３１・・・
乗算器 ３２・・・正・余弦波発生器 ３３・・・第１積和計算器　３４・・・第１除算器３５
・・・２乗計算器　　　３６・・・第２積和計算器３７
・・・解析結果メモリ　３８・・・第２除算器３９・・
・制御回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 入力信号のうち、不要な高周波成分を除去し、必要な低
   周波成分を通過せしめるためのフィルタと、 前記フィルタを介して印加された前記入力信号をディジ
   タル値であるデータに変換するためのＡＤ変換手段と、 前記ＡＤ変換手段の出力であるデータを記憶し、観測す
   べき前記入力信号の分周波である低調波および基本波を
   含む高調波である低高調波のスペクトラムを得るために
   、前記低高調波の周波数の範囲に対応して定められた１
   以上の整数であるｎ個のブロックに等分して、所定のブ
   ロックに収納されているデータごとに順次読出して、ｎ
   個の全ブロックのデータを読出すためのデータ・メモリ
   手段と、 前記データ・メモリのｎ個の所定のブロックに記憶され
   ている個々のデータと、ディジタル・データで示された
   前記低高調波のうちの１種の周波数を有する余弦波とを
   乗算して前記個々のデータの数だけの余弦波の乗算結果
   を出力し、前記データ・メモリのｎ個の所定のブロック
   に記憶されている個々のデータと、ディジタル、データ
   で示された前記低高調波のうちの１種の周波数を有する
   正弦波とを乗算して前記個々のデータの数だけ正弦波の
   乗算結果を出力することを前記ｎ個のブロックに対して
   行い、このｎ個のブロックに対する動作を、観測すべき
   前記低高調波の周波数の余弦波および正弦波に対応して
   その低高調波の周波数の種類の数だけの回数くり返すた
   めの乗算手段と、前記乗算手段からの前記個々のデータ
   の数だけの余弦波の乗算結果と、前記個々のデータの数
   だけの正弦波の乗算結果とをそれぞれ積和して出力する
   ための第１積和計算手段と、 前記第１積和計算手段の出力を前記個々のデータの数で
   除算してフーリエ変換における実数部と虚数部とを求め
   る動作を前記ｎ個のブロックに対して行い、このｎ個の
   ブロックに対する動作を観測すべき前記低高調波の周波
   数の種類の数だけくり返してｎ組の実数部と虚数部とを
   前記低高調波の周波数の種類の数だけ出力するための第
   １除算手段と、 前記低高調波のパワー・スペクトラムを得るために、前
   記第１除算手段の出力の１組の実数部と虚数部とをそれ
   ぞれ２乗して加算することを前記ｎ組の実数部と虚数部
   について行ない、ｎ個の２乗データを得ることを前記低
   高調波の周波数の種類の数だけくり返すための２乗計算
   手段と、前記ｎ個の２乗データを積和しｎで除算するこ
   とを前記低高調波の周波数の種類の数だけくり返して、
   その数だけのパワー・スペクトラムを得るための第２積
   和計算手段とメモリを含む解析結果メモリ手段とを含む
   高調波検出装置。