JP6792467B2 - 信号処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、信号処理装置に関する。

この種の信号処理装置は、たとえば、制御装置等に使用されており、センサの出力する信号を処理して制御装置へ入力する。信号処理装置は、センサの出力に含まれるノイズを除去し、センサの出力信号から制御装置で必要となる周波数帯成分のみを抽出するため、各種機器に広範に使用されている。

たとえば、鉄道車両用制振装置に適用された場合を例に挙げれば、信号処理装置は、バンドパスフィルタとされている。具体的には、信号処理装置は、加速度センサが出力する信号を処理して、ノイズと曲線走行時の定常加速度成分を除去して、車両における乗心地を悪化させる周波数帯の振動成分のみを抽出するために使用される（たとえば、特許文献１参照）。

特開２０１３−１３０４号公報

このように、信号処理装置は、種々の信号から抽出したい成分のみを抽出するために使用されているが、信号を処理して得られた出力信号は元のオリジナルの信号に対してどうしても位相がずれてしまう。

よって、信号処理装置で処理して得られた出力信号を用いる制御システムでは、制御ゲインを高くするとシステム的に不安定となるために、制御性能を高めたくとも限界がある。

また、フィルタの次数を高次のものとすると、ゲイン減衰率はよくなるが、位相角が増えてしまうため、問題の解決に至らない。

そこで、本発明は、位相ずれを解消できる信号処理装置を提供を目的としている。

本発明の信号処理装置は、信号を濾波するハイパスフィルタと、前記信号と前記信号を前記ハイパスフィルタで処理した処理後信号との位相に基づいて出力信号を出力する出力部とを備え、出力部は、信号の振幅中心値をオフセット値とし、信号をオフセット値でオフセットして、オフセット後の信号と処理後信号との双方が共に０以上であるか或いは０未満である場合を同位相とし、オフセット後の信号と処理後信号との一方が０以上であって他方が０未満である場合を逆位相として、オフセット後の信号と処理後信号とが同位相である場合、オフセット後の信号の絶対値と処理後信号の絶対値のうち値が小さい方の信号を出力信号とし、オフセット後の信号と処理後信号とが逆位相である場合０を出力信号とする出力部を備えていてもよい。このように構成された信号処理装置は、信号が０以外を振幅中心値として振幅する波形であっても、ハイパスフィルタ処理を行ってもオリジナルの信号に対して位相ずれのない同位相の出力信号を出力できる。

また、信号処理装置は、信号を濾波するローパスフィルタと、信号と信号をローパスフィルタで処理した処理後信号との位相に基づいて出力信号を出力する出力部とを備え、出力部は、信号の振幅中心値をオフセット値とし、信号と処理後信号とをオフセット値でオフセットして、オフセット後の信号とオフセット後の処理後信号との双方が共に０以上であるか或いは０未満である場合を同位相とし、オフセット後の信号とオフセット後の処理後信号との一方が０以上であって他方が０未満である場合を逆位相として、オフセット後の信号とオフセット後の処理後信号とが同位相である場合、オフセット後の信号の絶対値とオフセット後の処理後信号の絶対値のうち値が小さい方の信号を出力信号とし、オフセット後の信号とオフセット後の処理後信号とが逆位相である場合、オフセット値を出力信号とする出力部を備えていてもよい。このように信号処理装置が構成される場合、信号が０以外を振幅中心値として振幅する波形であっても、ローパスフィルタ処理を行ってもオリジナルの信号に対して位相ずれのない同位相の出力信号を出力できる。

また、信号処理装置は、信号を濾波するローパスフィルタと、信号と信号をローパスフィルタで処理した処理後信号との位相に基づいて出力信号を出力する出力部とを備え、出力部は、信号と処理後信号との双方が共に０を超えるか或いは０未満である場合を同位相とし、信号が０を超え処理後信号が０以下であるか或いは信号が０未満で処理後信号が０以上である場合を逆位相として、信号と処理後信号とが逆位相である場合には信号を出力信号とし、信号と処理後信号とが同位相であって信号の絶対値が処理後信号の絶対値を超える場合には信号から処理後信号を差し引いて前記出力信号を生成し、信号と処理後信号とが同位相であって信号の絶対値が処理後信号の絶対値以下の場合には０を出力信号とする出力部を備えていてもよい。このように構成された信号処理装置では、信号に含まれる高周波成分を抽出する処理をしても、オリジナルの信号に対して位相ずれの無い出力信号が得られる。

さらに、信号処理装置は、信号を濾波するハイパスフィルタと、前記信号と前記信号を前記ハイパスフィルタで処理した処理後信号との位相に基づいて出力信号を出力する出力部とを備え、出力部は、信号と処理後信号との双方が共に０を超えるか或いは０未満である場合を同位相とし、信号が０を超え処理後信号が０以下であるか或いは信号が０未満で処理後信号が０以上である場合を逆位相として、信号と処理後信号とが同位相であって信号の絶対値が処理後信号の絶対値以下である場合には、信号を出力信号とし、信号と処理後信号とが同位相であって信号の絶対値が処理後信号の絶対値を超える場合には処理後信号を出力信号とし、信号と処理後信号とが逆位相である場合には０を出力信号とする出力部を備えてもよい。このように構成された信号処理装置では、信号をハイパスフィルタ処理しても、オリジナルの信号に対して位相ずれの無い出力信号が得られる。

また、信号処理装置は、ハイパスフィルタを一次のハイパスフィルタ或いはローパスフィルタを一次のローパスフィルタとする場合には、出力信号の歪を低減できる。

本発明の信号処理装置によれば、信号に対して出力信号の位相ずれを解消できる。

第一の実施の形態における信号処理装置の構成を示した図である。 オリジナルの信号とハイパスフィルタ処理後の信号との波形を示した図である。 第一の実施の形態における信号処理装置でオリジナルの信号を処理した際に出力される出力信号の波形を示した図である。 振幅中心値が０でないオリジナルの信号の波形を示した図である。 第一の実施の形態における信号処理装置で振幅中心値が０でないオリジナルの信号を処理した際に出力される出力信号の波形を示した図である。 第二の実施の形態における信号処理装置の構成を示した図である。 オリジナルの信号とローパスフィルタ処理後の信号との波形を示した図である。 第二の実施の形態における信号処理装置でオリジナルの信号を処理した際に出力される出力信号の波形を示した図である。 第三の実施の形態における信号処理装置の構成を示した図である。 第三の実施の形態における信号処理装置でオリジナルの信号を処理した際に出力される出力信号の波形を示した図である。

＜第一の実施の形態＞
以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。第一の実施の形態の信号処理装置Ｓ１は、図１に示すように、フィルタ１と、出力部２とを備えている。この例では、信号処理装置Ｓ１は、オリジナルの信号ＩＳをハイパスフィルタ処理するようになっている。

フィルタ１は、ハイパスフィルタとされており、本例では、加速度センサＡが加速度を検知して出力する信号ＩＳをオリジナルの信号として、この信号ＩＳをハイパスフィルタ処理を行って処理後信号ＴＳを出力する。処理後信号ＴＳは、出力部２に入力される。出力部２には、処理後信号ＴＳのほか、信号ＩＳがそのまま入力される。なお、フィルタ１は、アナログのフィルタとされてもよいが、演算処理装置がソフトウェアの実行により実現されるフィルタとされてもよい。フィルタ１のカットオフ周波数は、信号処理装置Ｓ１が出力する出力信号ＯＳを利用する制御装置が要求する周波数帯の成分の抽出に適するように設定されればよい。

出力部２は、信号ＩＳとフィルタ１で処理した処理後信号ＴＳの位相に基づいて出力信号ＯＳを出力する。まず、理解を平易とするために、信号ＩＳが０を中心として振幅する波形であって振幅中心値が０である場合を例にして出力部２が出力信号ＯＳを出力する過程を説明する。その後に、出力部２の出力信号ＯＳの出力過程をより一般化するため、信号ＩＳが振幅中心値αを中心として振幅する波形である場合の出力信号ＯＳの出力過程を説明する。

図２に示すように、信号ＩＳが０を中心として振動する図２中実線で示した信号であると、フィルタ１でハイパスフィルタ処理すると処理後信号ＴＳは、図２中破線で示すように、振幅が減衰するとともに位相が進む。

出力部２は、信号ＩＳと処理後信号ＴＳとを比較して、同位相であるか、逆位相であるかを判定する。信号ＩＳと処理後信号ＴＳとが同位相であるとは、振幅中心である０を基準として、信号ＩＳと処理後信号ＴＳとの双方が、共に０以上であって図２中上方の範囲にある場合、或いは、共に０未満であって図２中下方の範囲にある場合を指している。信号ＩＳと処理後信号ＴＳとが逆位相であるとは、振幅中心である０を基準として、信号ＩＳと処理後信号ＴＳの一方が図２中上方の範囲にあって、信号ＩＳと処理後信号ＴＳの他方が０未満であって図２中下方の範囲にある場合を指している。

信号ＩＳと処理後信号ＴＳとが同位相である場合、フィルタ１が出力する処理後信号ＴＳを出力信号ＯＳとしても、出力信号ＯＳが信号ＩＳと逆位相の信号とならないが、信号ＩＳと処理後信号ＴＳとが逆位相である場合、出力信号ＯＳが信号ＩＳと逆位相の信号となってしまう。

そこで、出力部２は、信号ＩＳと処理後信号ＴＳとが逆位相である場合、０を出力信号ＯＳとして出力する。また、信号ＩＳと処理後信号ＴＳとが同位相である場合、常に、信号ＩＳの絶対値と処理後信号ＴＳの絶対値とを比較し、絶対値が小さな値を持つ信号を出力信号ＯＳとして選択して出力する。

より詳細には、出力部２は、信号ＩＳと処理後信号ＴＳとが同位相であるか、逆位相であるかの判定には、信号ＩＳの値Ｕ１と処理後信号ＴＳの値Ｕ２とを乗じた値を用いて判定する。出力部２は、信号ＩＳの値Ｕ１と処理後信号ＴＳの値Ｕ２とを乗じた値が０以上であると、つまり、Ｕ１×Ｕ２≧０であると、信号ＩＳと処理後信号ＴＳとが同位相であると判定する。反対に、出力部２は、信号ＩＳの値Ｕ１と処理後信号ＴＳの値Ｕ２とを乗じた値が０未満であると、つまり、Ｕ１×Ｕ２＜０であると、信号ＩＳと処理後信号ＴＳとが逆位相であると判定する。要するに、信号ＩＳと処理後信号ＴＳとが同位相であるか否かの判定には、両者の符号が一致するか否かで判定している。そして、出力部２は、信号ＩＳと処理後信号ＴＳとが同位相であると判定すると、信号ＩＳの絶対値｜Ｕ１｜と処理後信号ＴＳの絶対値｜Ｕ２｜とを比較して、絶対値が小さい値を持つ信号を採用してその信号を出力信号ＯＳとする。よって、出力部２は、｜Ｕ１｜≧｜Ｕ２｜であるとき、処理後信号ＴＳが選択され、処理後信号ＴＳの値Ｕ２を出力信号ＯＳの値として出力し、｜Ｕ１｜＜｜Ｕ２｜であるとき、信号ＩＳが選択され、信号ＩＳの値Ｕ１を出力信号ＯＳの値として出力する。これに対して、出力部２は、信号ＩＳと処理後信号ＴＳとが逆位相であると判定すると、０を出力信号ＯＳの値として出力する。

このように、信号処理装置Ｓ１が信号ＩＳを処理して出力信号ＯＳを出力すると、出力信号ＯＳは、図３中の実線に示すように、図３中の破線で示した信号ＩＳに対して位相がずれず同位相の波形の信号となる。よって、出力信号ＯＳは、加速度センサＡが出力するオリジナルの信号ＩＳに対して位相ずれのない信号として出力される。したがって、この信号処理装置Ｓ１で処理した出力信号ＯＳを用いる制御装置では、制御を実行する際に、位相余裕が確保されるとともに制御ゲインを高く設定しても制御が不安定にならないため、制御性能が向上する。

なお、前述したところでは、フィルタ１をハイパスフィルタとしていたが、ローパスフィルタを用いてもよい。フィルタ１をローパスフィルタとする場合には、信号ＩＳに対して処理後信号ＴＳが位相遅れとなる。この場合も、信号ＩＳと処理後信号ＴＳとが同位相の場合には、信号ＩＳの絶対値と処理後信号ＴＳの絶対値のうち、絶対値の値が小さい信号を出力信号ＯＳとし、両者が逆位相の場合には出力を０とすれば、信号ＩＳと出力信号ＯＳとの位相ずれが阻止される。

なお、前述したところでは、信号ＩＳが０を振幅中心として振動する波形の信号であったが、振幅中心値が０でない場合もある。この場合、以下のようにすればよい。

まず、信号処理装置Ｓ１が信号ＩＳをハイパスフィルタ処理する場合、信号ＩＳの０以外の振幅中心値αを中心として振幅しているとすると、フィルタ１で信号ＩＳを処理すると処理後信号ＴＳは、振幅中心値αの情報が失われ、０を振幅中心とした波形となる。よって、この場合、オフセット値を振幅中心値αとして、信号ＩＳをオフセットして、オフセット後の信号ＩＳが０を振幅中心とした波形となるように変換し、このオフセット後の信号ＩＳと処理後信号ＴＳとを比較して、同位相か否かを判断して前述の通りの処理を行えばよい。

対して、フィルタ１をローパスフィルタとし、信号処理装置Ｓ１が信号ＩＳをローパスフィルタ処理する場合、信号ＩＳと処理後信号ＴＳとが振幅中心値αを基準として同位相であるか否かを判断すればよい。したがって、図４に示すように、信号ＩＳが０からずれた振幅中心値αを中心として振幅する波形の場合、ローパスフィルタ処理された処理後信号ＴＳも振幅中心値αを中心として振幅する。よって、振幅中心値αをオフセット値として、このオフセット値αで信号ＩＳと処理後信号ＴＳをオフセットして、同位相か否かの判定をすればよい。

具体的には、出力部２は、信号ＩＳと処理後信号ＴＳの値をそれぞれＵ１、Ｕ２、オフセット後の信号ＩＳの値をＵ１_ｏｆｆ、オフセット後の処理後信号ＴＳの値をＵ２_ｏｆｆとすると、Ｕ１_ｏｆｆ＝Ｕ１−α、Ｕ２_ｏｆｆ＝Ｕ２−αを演算する。出力部２は、前述の演算を行って、信号ＩＳと処理後信号ＴＳをオフセット値αでオフセットして、オフセット後の信号ＩＳの値Ｕ１_ｏｆｆとオフセット後の処理後信号ＴＳの値Ｕ２_ｏｆｆを得る。

そして、出力部２は、オフセット後の信号ＩＳの値Ｕ１_ｏｆｆとオフセット後の処理後信号ＴＳの値Ｕ２_ｏｆｆを比較して、信号ＩＳと処理後信号ＴＳとが同位相か否かを前述の要領で判定する。出力部２は、オフセット後の信号ＩＳの値Ｕ１_ｏｆｆとオフセット後の処理後信号ＴＳの値Ｕ２_ｏｆｆを乗じた値を用いて同位相か否かを判定する。出力部２は、オフセット後の信号ＩＳの値Ｕ１_ｏｆｆとオフセット後の処理後信号ＴＳの値Ｕ２_ｏｆｆとを乗じた値が０以上であると、つまり、Ｕ１_ｏｆｆ×Ｕ２_ｏｆｆ≧０であると、信号ＩＳと処理後信号ＴＳとが同位相であると判定する。反対に、出力部２は、オフセット後の信号ＩＳの値Ｕ１_ｏｆｆとオフセット後の処理後信号ＴＳの値Ｕ２_ｏｆｆを乗じた値が０未満であると、つまり、Ｕ１_ｏｆｆ×Ｕ２_ｏｆｆ＜０であると、信号ＩＳと処理後信号ＴＳとが逆位相であると判定する。

そして、出力部２は、信号ＩＳと処理後信号ＴＳとが同位相であると判定すると、オフセット後の信号ＩＳの絶対値｜Ｕ１_ｏｆｆ｜とオフセット後の処理後信号ＴＳの絶対値｜Ｕ２_ｏｆｆ｜とを比較して、絶対値が小さい値を持つ信号を採用してその信号を出力信号ＯＳとする。よって、出力部２は、｜Ｕ１_ｏｆｆ｜≧｜Ｕ２_ｏｆｆ｜であるとき、処理後信号ＴＳが選択され、処理後信号ＴＳの値Ｕ２を出力信号ＯＳの値として出力し、｜Ｕ１_ｏｆｆ｜＜｜Ｕ２_ｏｆｆ｜であるとき、信号ＩＳが選択され、信号ＩＳの値Ｕ１を出力信号ＯＳの値として出力する。これに対して、出力部２は、信号ＩＳと処理後信号ＴＳとが逆位相であると判定すると、オフセット値αを出力信号ＯＳの値として出力する。

このように、信号処理装置Ｓ１が信号ＩＳを処理して出力信号ＯＳを出力すると、出力信号ＯＳは、図５に示すように、信号ＩＳに対して位相がずれず同位相の波形の信号となる。このように、信号ＩＳが０以外を振幅中心値として振幅する波形である場合、信号処理装置Ｓ１は、振幅中心値をオフセット値αとして、オフセット後の信号ＩＳとオフセット後の処理後信号ＴＳとを比較して、同位相か否かを判定して、出力信号ＯＳを生成する。このように、信号処理装置Ｓ１は、信号ＩＳが０以外を振幅中心値として振幅する波形であっても、信号ＩＳと同位相の出力信号ＯＳを出力できる。なお、振幅中心値が０である場合、オフセット値αを０とすればよいので、オフセット処理を行う信号処理装置Ｓ１は、信号ＩＳが０を振幅中心とする波形の処理にも対応できる。

よって、出力信号ＯＳは、信号ＩＳが０以外を振幅中心値として振幅する波形であっても、加速度センサＡが出力するオリジナルの信号ＩＳに対して位相ずれのない信号として出力される。したがって、この信号処理装置Ｓ１で処理した出力信号ＯＳを用いる制御装置では、制御を実行する際に、位相余裕が確保されるとともに制御ゲインを高く設定しても制御が不安定にならないため、制御性能が向上する。

前述したところから理解できるように、信号ＩＳと処理後信号ＴＳとの位相ずれが大きくなればなるほど、信号ＩＳと処理後信号ＴＳとが同位相となる時間が短くなるので、信号ＩＳの波形に対して処理後信号ＴＳの波形が近似しなくなる傾向を示す。よって、フィルタ１は、一次のローパスフィルタ或いは一次のハイパスフィルタであると、高次のローパスフィルタ或いはハイパスフィルタを使用する場合に比較して、信号ＩＳと処理後信号ＴＳとの位相ずれが少なく、出力信号ＯＳの歪を低減できる。

＜第二の実施の形態＞
第二の実施の形態の信号処理装置Ｓ２は、図６に示すように、ローパスフィルタ３と、出力部４とを備えている。この例では、信号処理装置Ｓ２は、ローパスフィルタ３を用いてオリジナルの信号ＩＳに含まれる高周波成分を抽出する処理をするようになっている。

ローパスフィルタ３は、本例では、加速度センサＡが加速度を検知して出力する信号ＩＳをオリジナルの信号として、ローパスフィルタ処理を行って処理後信号ＴＳを出力する。処理後信号ＴＳは、出力部４に入力される。出力部４には、処理後信号ＴＳのほか、信号ＩＳがそのまま入力される。なお、ローパスフィルタ３は、アナログのフィルタとされてもよいが、演算処理装置がソフトウェアの実行により実現されるフィルタとされてもよい。ローパスフィルタ３のカットオフ周波数は、信号処理装置Ｓ２が出力する出力信号ＯＳを利用する制御装置が要求する周波数帯の成分の抽出に適するように設定されればよい。ローパスフィルタ３で処理した処理後信号ＴＳは、図７に示すように、図７中実線で示す信号ＩＳに対して位相が遅れる波形（図７中破線）の信号となる。

出力部４は、信号ＩＳとローパスフィルタ３で処理した処理後信号ＴＳの位相に基づいて出力信号ＯＳを出力する。本例では、出力部４は、信号ＩＳと処理後信号ＴＳとに基づいて不感帯量を求める不感帯量演算部４１と、信号ＩＳと不感帯量演算部４１によって求めた不感帯量とに基づいて出力信号ＯＳを出力する信号処理部４２とを備えて構成されている。

不感帯量演算部４１は、信号ＩＳの値をＵ１として、処理後信号ＴＳの値をＵｒｅｆとすると、Ｕ１＞０を条件として、Ｕｒｅｆ＞０の場合、正の不感帯量ＤｐをＵｒｅｆとし、Ｕｒｅｆ≦０の場合、正の不感帯量Ｄｐを０とする。正の不感帯量Ｄｐは、信号ＩＳの値Ｕ１が正である場合に利用される不感帯量である。また、不感帯量演算部４１は、Ｕ１＜０を条件として、Ｕｒｅｆ＜０の場合、負の不感帯量ＤｍをＵｒｅｆとし、Ｕｒｅｆ≧０の場合、負の不感帯量Ｄｍを０とする。負の不感帯量Ｄｍは、信号ＩＳの値Ｕ１が負である場合に利用される不感帯量である。

信号処理部４２は、信号ＩＳの値Ｕ１が０を超え、処理後信号ＴＳの値Ｕｒｅｆが０を超え、かつ、信号ＩＳの値Ｕ１が正の不感帯量Ｄｐを超えている場合、つまり、Ｕ１＞０、Ｕｒｅｆ＞０かつＵ１＞Ｄｐの場合、出力信号ＯＳの値ＵをＵ＝Ｕ１−Ｄｐを演算して求める。この場合の正の不感帯量Ｄｐは、Ｕｒｅｆ≦０の場合には０で、Ｕｒｅｆ＞０の場合には、処理後信号ＴＳの値Ｕｒｅｆである。よって、信号ＩＳが０を超え、信号ＩＳと処理後信号ＴＳが逆位相の場合、信号処理部４２は、信号ＩＳを出力信号ＯＳとする。また、信号ＩＳが０を超え、信号ＩＳと処理後信号ＴＳが同位相であって、信号ＩＳが処理後信号ＴＳを超えている場合、信号処理部４２は、信号ＩＳから処理後信号ＴＳを差し引いて出力信号ＯＳを生成する。つまり、信号処理部４２は、Ｕ１＞０、Ｕｒｅｆ≦０の場合、信号ＩＳを出力信号ＯＳとし、Ｕ１＞０、Ｕｒｅｆ＞０かつＵ１＞Ｕｒｅｆの場合、信号ＩＳから処理後信号ＴＳを差し引いて出力信号ＯＳを生成する。

また、信号処理部４２は、信号ＩＳの値Ｕ１が０を超え、処理後信号ＴＳの値Ｕｒｅｆが０を超え、かつ、信号ＩＳの値Ｕ１が正の不感帯量Ｄｐ以下である場合、つまり、Ｕ１＞０、Ｕｒｅｆ＞０かつＵ１≦Ｄｐの場合、出力信号ＯＳの値Ｕを０とする。この場合の正の不感帯量Ｄｐは、処理後信号ＴＳの値Ｕｒｅｆである。よって、信号ＩＳの値Ｕ１が０を超え、処理後信号ＴＳが０を超え、かつ、信号ＩＳが処理後信号ＴＳ以下である場合、つまり、Ｕ１＞０、Ｕｒｅｆ＞０かつＵ１≦Ｕｒｅｆの場合、信号処理部４２は、０を出力信号ＯＳとする。

以上から、信号ＩＳが正である場合、信号処理部４２は、正の不感帯量Ｄｐを用い、信号ＩＳが正の不感帯量Ｄｐより大きい場合には、信号ＩＳから正の不感帯量Ｄｐを差し引いて得た信号を出力信号ＯＳとする。また、信号ＩＳが正であって処理後信号ＴＳの値Ｕｒｅｆが正の場合、信号処理部４２は、信号ＩＳが正の不感帯量Ｄｐより小さい場合、信号ＩＳが不感帯域にあるので、０を出力信号ＯＳとする。

さらに、信号処理部４２は、信号ＩＳの値Ｕ１が０未満、処理後信号ＴＳの値Ｕｒｅｆが０未満、かつ、信号ＩＳの値Ｕ１が負の不感帯量Ｄｍ未満の場合、つまり、Ｕ１＜０、Ｕｒｅｆ＜０かつＵ１＜Ｄｍの場合、出力信号ＯＳの値ＵをＵ＝Ｕ１−Ｄｍを演算して求める。この場合の負の不感帯量Ｄｐは、Ｕｒｅｆ≧０の場合には０で、Ｕｒｅｆ＜０の場合には、処理後信号ＴＳの値Ｕｒｅｆである。よって、信号ＩＳが０未満で、信号ＩＳと処理後信号ＴＳが逆位相の場合、信号処理部４２は、信号ＩＳを出力信号ＯＳとする。また、信号ＩＳが０未満で、信号ＩＳと処理後信号ＴＳが同位相であって、信号ＩＳが処理後信号ＴＳ未満である場合、信号処理部４２は、信号ＩＳから処理後信号ＴＳを差し引いて出力信号ＯＳを生成する。つまり、信号処理部４２は、Ｕ１＜０かつＵｒｅｆ≧０の場合、信号ＩＳを出力信号ＯＳとし、Ｕ１＜０、Ｕｒｅｆ＜０かつＵ１＜Ｕｒｅｆの場合、信号ＩＳから処理後信号ＴＳを差し引いて出力信号ＯＳを生成する。

また、信号処理部４２は、信号ＩＳの値Ｕ１が０未満で、処理後信号ＴＳの値Ｕｒｅｆが０未満であって、かつ、信号ＩＳの値Ｕ１が負の不感帯量Ｄｍ以上である場合、つまり、Ｕ１＜０、Ｕｒｅｆ＜０かつＵ１≧Ｄｍの場合、出力信号ＯＳの値Ｕを０とする。この場合の負の不感帯量Ｄｍは、処理後信号ＴＳの値Ｕｒｅｆである。よって、信号ＩＳの値Ｕ１が０未満で、処理後信号ＴＳが０未満であって、かつ、信号ＩＳが処理後信号ＴＳ以上である場合、つまり、Ｕ１＜０、Ｕｒｅｆ＜０かつＵ１≧Ｕｒｅｆの場合、信号処理部４２は、０を出力信号ＯＳとする。

以上から、信号ＩＳが負である場合、信号処理部４２は、負の不感帯量Ｄｍを用い、信号ＩＳが負の不感帯量Ｄｍより小さい場合には、信号ＩＳから負の不感帯量Ｄｍを差し引いて得た信号を出力信号ＯＳとする。また、信号ＩＳが負であって処理後信号ＴＳの値Ｕｒｅｆが負の場合、信号処理部４２は、信号ＩＳが負の不感帯量Ｄｍより大きい場合、信号ＩＳが不感帯域にあるので、０を出力信号ＯＳとする。

以上から理解できるように、信号処理部４２は、信号ＩＳと処理後信号ＴＳとが逆位相である場合には、信号ＩＳを出力信号ＯＳとする。また、信号処理部４２は、信号ＩＳと処理後信号ＴＳとが同位相であって、信号ＩＳの絶対値が処理後信号ＴＳの絶対値を超える場合には、信号ＩＳから処理後信号ＴＳを差し引いた信号を出力信号ＯＳとする。さらに、信号処理部４２は、信号ＩＳと処理後信号ＴＳとが同位相であって、信号ＩＳの絶対値が処理後信号ＴＳの絶対値以下の場合には、０を出力信号ＯＳとする。

このように、信号処理装置Ｓ２が信号ＩＳを処理して出力信号ＯＳを生成すると、出力信号ＯＳは、図８に示す波形の信号として出力される。図８に示すように、出力信号ＯＳは、信号ＩＳと処理後信号ＴＳとが逆位相の場合には信号ＩＳとなり、前述の条件に合致する場合に信号ＩＳからローパスフィルタ処理された処理後信号ＴＳが差し引かれた信号となるので、信号ＩＳに含まれる高周波成分の波形の信号となる。また、出力信号ＯＳは、信号ＩＳと処理後信号ＴＳとが逆位相の場合には信号ＩＳとなり、信号ＩＳと処理後信号ＴＳとが同位相で信号ＩＳの絶対値が処理後信号ＴＳの絶対値未満の場合に０となるから、信号ＩＳと逆位相となるのが阻止される。

よって、信号処理装置Ｓ２は、信号ＩＳを処理して出力信号ＯＳを生成すると、信号ＩＳに含まれる高周波成分であって信号ＩＳと同位相の出力信号ＯＳが得られる。したがって、信号処理装置Ｓ２は、加速度センサＡが出力するオリジナルの信号ＩＳから高周波成分を抽出する処理をし、かつ、位相ずれのない出力信号ＯＳを出力できる。したがって、この信号処理装置Ｓ２で処理した出力信号ＯＳを用いる制御装置では、制御を実行する際に、位相余裕が確保されるとともに制御ゲインを高く設定しても制御が不安定にならないため、制御性能が向上する。

＜第三の実施の形態＞
第三の実施の形態の信号処理装置Ｓ３は、図９に示すように、ハイパスフィルタ５と、出力部６とを備えている。この例では、信号処理装置Ｓ３は、オリジナルの信号ＩＳをハイパスフィルタ処理するようになっている。

ハイパスフィルタ５は、本例では、加速度センサＡが加速度を検知して出力する信号ＩＳをオリジナルの信号として、ハイパスフィルタ処理を行って処理後信号ＴＳを出力する。処理後信号ＴＳは、出力部６に入力される。出力部６には、処理後信号ＴＳのほか、信号ＩＳがそのまま入力される。なお、ハイパスフィルタ５は、アナログのフィルタとされてもよいが、演算処理装置がソフトウェアの実行により実現されるフィルタとされてもよい。ハイパスフィルタ５のカットオフ周波数は、信号処理装置Ｓ３が出力する出力信号ＯＳを利用する制御装置が要求する周波数帯の成分の抽出に適するように設定されればよい。ハイパスフィルタ５で処理した処理後信号ＴＳは、図２に示すように、図２中実線で示す信号ＩＳに対して位相が進む波形（図２中破線）の信号となる。

出力部６は、信号ＩＳとハイパスフィルタ５で処理した処理後信号ＴＳの位相に基づいて出力信号ＯＳを出力する。本例では、出力部６は、信号ＩＳと処理後信号ＴＳとに基づいて飽和上限値を求める飽和上限値演算部６１と、信号ＩＳと飽和上限値演算部６１によって求めた飽和上限値とから出力信号ＯＳを生成する信号処理部６２とを備えて構成されている。

飽和上限値演算部６１は、信号ＩＳの値をＵ１として、処理後信号ＴＳの値をＵｒｅｆとすると、Ｕ１＞０を条件として、Ｕｒｅｆ＞０の場合、正の飽和上限値ＬｐをＵｒｅｆとし、Ｕｒｅｆ≦０の場合、正の飽和上限値Ｌｐを０とする。正の飽和上限値Ｌｐは、信号ＩＳの値Ｕ１が正である場合に利用される飽和上限値である。また、飽和上限値演算部６１は、Ｕ１＜０を条件として、Ｕｒｅｆ＜０の場合、負の飽和上限値ＬｍをＵｒｅｆとし、Ｕｒｅｆ≧０の場合、負の飽和上限値Ｌｍを０とする。負の飽和上限値Ｌｍは、信号ＩＳの値Ｕ１が負である場合に利用される飽和上限値である。

信号処理部６２は、信号ＩＳが０を超え、処理後信号ＴＳの値Ｕｒｅｆが０を超え、かつ、信号ＩＳの値Ｕ１が正の飽和上限値Ｌｐ以下である場合、つまり、Ｕ１＞０、Ｕｒｅｆ＞０かつＵ１≦Ｌｐの場合、信号ＩＳを出力信号ＯＳとする。この場合の正の飽和上限値Ｌｐは、処理後信号ＴＳの値Ｕｒｅｆである。よって、信号ＩＳが０を超え、処理後信号ＴＳが０を超え、かつ、信号ＩＳが処理後信号ＴＳ以下である場合、つまり、Ｕ１＞０、Ｕｒｅｆ＞０かつＵ１≦Ｕｒｅｆの場合、信号処理部６２は、信号ＩＳを出力信号ＯＳとする。

また、信号処理部６２は、信号ＩＳが０を超え、処理後信号ＴＳの値Ｕｒｅｆが０を超え、かつ、信号ＩＳの値Ｕ１が正の飽和上限値Ｌｐを超えている場合、つまり、Ｕｒｅｆ＞０かつＵ１＞Ｌｐの場合、出力信号ＯＳの値Ｕを正の飽和上限値Ｌｐとする。この場合の正の飽和上限値Ｌｐは、処理後信号ＴＳの値Ｕｒｅｆであるので、処理後信号ＴＳが０を超え、かつ、信号ＩＳが処理後信号ＴＳを超えている場合、信号処理部６２は、処理後信号ＴＳを出力信号ＯＳとする。つまり、信号処理部６２は、Ｕ１＞０、Ｕｒｅｆ＞０かつＵ１＞Ｕｒｅｆの場合、処理後信号ＴＳを出力信号ＯＳとする。

さらに、信号処理部６２は、信号ＩＳの値Ｕ１が０を超え、処理後信号ＴＳの値Ｕｒｅｆが０未満で、かつ、信号ＩＳの値Ｕ１が正の飽和上限値Ｌｐを超えている場合、つまり、Ｕ１＞０、Ｕｒｅｆ≦０かつＵ１＞Ｌｐの場合、出力信号ＯＳを正の飽和上限値Ｌｐとする。この場合の正の飽和上限値Ｌｐは、Ｕｒｅｆ≦０の場合には０である。よって、信号ＩＳが０を超え、信号ＩＳと処理後信号ＴＳが逆位相の場合、信号処理部６２は、出力信号ＯＳを０とする。つまり、信号処理部６２は、Ｕ１＞０、Ｕｒｅｆ≦０の場合、出力信号ＯＳを０とする。

以上から、信号処理部６２は、信号ＩＳが正である場合、正の飽和上限値Ｌｐを用い、信号ＩＳが正の飽和上限値Ｌｐ以下であると、信号ＩＳを出力信号ＯＳとし、信号ＩＳが正の飽和上限値Ｌｐより大きいと、正の飽和上限値Ｌｐを出力信号ＯＳとする。

さらに、信号処理部６２は、信号ＩＳが０未満で、処理後信号ＴＳの値Ｕｒｅｆが０未満であって、かつ、信号ＩＳの値Ｕ１が負の飽和上限値Ｌｍ以上である場合、つまり、Ｕ１＜０、Ｕｒｅｆ＜０かつＵ１≧Ｌｍの場合、信号ＩＳを出力信号ＯＳとする。この場合の負の飽和上限値Ｌｍは、処理後信号ＴＳの値Ｕｒｅｆである。よって、信号ＩＳが０未満で、処理後信号ＴＳが０未満であって、かつ、信号ＩＳが処理後信号ＴＳ以上である場合、つまり、Ｕ１＜０、Ｕｒｅｆ＜０かつＵ１≧Ｕｒｅｆの場合、信号処理部６２は、信号ＩＳを出力信号ＯＳとする。

また、信号処理部６２は、信号ＩＳが０未満で、処理後信号ＴＳの値Ｕｒｅｆが０未満であって、かつ、信号ＩＳの値Ｕ１が負の飽和上限値Ｌｍ未満である場合、つまり、Ｕ１＜０、Ｕｒｅｆ＜０かつＵ１＜Ｌｍの場合、出力信号ＯＳの値Ｕを負の飽和上限値Ｌｍとする。この場合の負の飽和上限値Ｌｐは、処理後信号ＴＳの値Ｕｒｅｆである。よって、信号ＩＳが０未満で、処理後信号ＴＳが０未満であって、かつ、信号ＩＳが処理後信号ＴＳ未満である場合、信号処理部６２は、処理後信号ＴＳを出力信号ＯＳとする。つまり、信号処理部６２は、Ｕ１＜０、Ｕｒｅｆ＜０かつＵ１＜Ｕｒｅｆの場合、信号ＩＳを出力信号ＯＳとする。

さらに、信号処理部６２は、信号ＩＳの値Ｕ１が０未満で、処理後信号ＴＳの値Ｕｒｅｆが０以上で、かつ、信号ＩＳの値Ｕ１が負の飽和上限値Ｌｍ未満である場合、つまり、Ｕ１＜０、Ｕｒｅｆ≧０かつＵ１＜Ｌｐの場合、出力信号ＯＳを負の飽和上限値Ｌｍとする。この場合の負の飽和上限値Ｌｍは、Ｕｒｅｆ≧０の場合には０である。よって、信号ＩＳが０未満で、信号ＩＳと処理後信号ＴＳが逆位相の場合、信号処理部６２は、出力信号ＯＳを０とする。つまり、信号処理部６２は、Ｕ１＜０、Ｕｒｅｆ≧０の場合、出力信号ＯＳを０とする。

以上から理解できるように、信号処理部６２は、信号ＩＳと処理後信号ＴＳとが同位相であって、信号ＩＳの絶対値が処理後信号ＴＳの絶対値以下である場合には、信号ＩＳを出力信号ＯＳとする。また、信号処理部６２は、信号ＩＳと処理後信号ＴＳとが同位相であって、信号ＩＳの絶対値が処理後信号ＴＳの絶対値を超える場合には、処理後信号ＴＳを出力信号ＯＳとする。さらに、信号処理部６２は、信号ＩＳと処理後信号ＴＳとが逆位相である場合には、０を出力信号ＯＳとする。

このように、信号処理装置Ｓ３が信号ＩＳを処理して出力信号ＯＳを生成すると、出力信号ＯＳは、図１０に示す波形の信号として出力される。出力信号ＯＳは、図１０に示すように、信号ＩＳに対して位相がずれず同位相の波形の信号となる。よって、出力信号ＯＳは、加速度センサＡが出力するオリジナルの信号ＩＳに対して位相ずれのない信号として出力される。よって、信号処理装置Ｓ３は、加速度センサＡが出力するオリジナルの信号ＩＳをハイパスフィルタ処理し、かつ、位相ずれのない出力信号ＯＳを出力できる。したがって、この信号処理装置Ｓ３で処理した出力信号ＯＳを用いる制御装置では、制御を実行する際に、位相余裕が確保されるとともに制御ゲインを高く設定しても制御が不安定にならないため、制御性能が向上する。

なお、信号処理装置Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３は、本例では、加速度センサＡが出力する信号ＩＳを処理しているが、オリジナルの信号ＩＳはこれに限られず、センサ以外の信号を処理できるのは当然である。

以上、本発明の好ましい実施の形態を詳細に説明したが、特許請求の範囲から逸脱しない限り、改造、変形、および変更が可能である。

１・・・フィルタ、２，４，６・・・出力部、３・・・ローパスフィルタ、５・・・ハイパスフィルタ、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３・・・信号処理装置

Claims (6)

1. 信号を濾波するハイパスフィルタと、
   前記信号と前記信号を前記ハイパスフィルタで処理した処理後信号との位相に基づいて出力信号を出力する出力部とを備え、
   前記出力部は、
   前記信号の振幅中心値をオフセット値とし、前記信号をオフセット値でオフセットして、オフセット後の前記信号と前記処理後信号との双方が共に０以上であるか或いは０未満である場合を同位相とし、オフセット後の前記信号と前記処理後信号との一方が０以上であって他方が０未満である場合を逆位相として、
   オフセット後の前記信号と前記処理後信号とが同位相である場合、オフセット後の前記信号の絶対値と前記処理後信号の絶対値のうち値が小さい方の信号を出力信号とし、
   オフセット後の前記信号と前記処理後信号とが逆位相である場合、０を出力信号とする
   ことを特徴とする信号処理装置。
2. 信号を濾波するローパスフィルタと、
   前記信号と前記信号を前記ローパスフィルタで処理した処理後信号との位相に基づいて出力信号を出力する出力部とを備え、
   前記出力部は、
   前記信号の振幅中心値をオフセット値とし、前記信号と前記処理後信号とをオフセット値でオフセットして、オフセット後の前記信号とオフセット後の前記処理後信号との双方が共に０以上であるか或いは０未満である場合を同位相とし、オフセット後の前記信号とオフセット後の前記処理後信号との一方が０以上であって他方が０未満である場合を逆位相として、
   オフセット後の前記信号とオフセット後の前記処理後信号とが同位相である場合、オフセット後の前記信号の絶対値とオフセット後の前記処理後信号の絶対値のうち値が小さい方の信号を出力信号とし、
   オフセット後の前記信号とオフセット後の前記処理後信号とが逆位相である場合、前記オフセット値を出力信号とする
   ことを特徴とする信号処理装置。
3. 信号を濾波するローパスフィルタと、
   前記信号と前記信号を前記ローパスフィルタで処理した処理後信号との位相に基づいて出力信号を出力する出力部とを備え、
   前記出力部は、
   前記信号と前記処理後信号との双方が共に０を超えるか或いは０未満である場合を同位相とし、前記信号が０を超え前記処理後信号が０以下であるか或いは前記信号が０未満で前記処理後信号が０以上である場合を逆位相として、
   前記信号と前記処理後信号とが逆位相である場合には、前記信号を出力信号とし、
   前記信号と前記処理後信号とが同位相であって、前記信号の絶対値が前記処理後信号の絶対値を超える場合には、前記信号から前記処理後信号を差し引いて前記出力信号を生成し、
   前記信号と前記処理後信号とが同位相であって、前記信号の絶対値が前記処理後信号の絶対値以下の場合には、０を出力信号とする
   ことを特徴とする信号処理装置。
4. 信号を濾波するハイパスフィルタと、
   前記信号と前記信号を前記ハイパスフィルタで処理した処理後信号とが入力されて出力信号を出力する出力部とを備え、
   前記出力部は、
   前記信号と前記処理後信号との双方が共に０を超えるか或いは０未満である場合を同位相とし、前記信号が０を超え前記処理後信号が０以下であるか或いは前記信号が０未満で前記処理後信号が０以上である場合を逆位相として、
   前記信号と前記処理後信号とが同位相であって、前記信号の絶対値が前記処理後信号の絶対値以下である場合には、前記信号を出力信号とし、
   前記信号と前記処理後信号とが同位相であって、前記信号の絶対値が前記処理後信号の絶対値を超える場合には、前記処理後信号を出力信号とし、
   前記信号と前記処理後信号とが逆位相である場合には、０を出力信号とする
   ことを特徴とする信号処理装置。
5. 前記ハイパスフィルタは、一次のハイパスフィルタである
   ことを特徴とする請求項１または４に記載の信号処理装置。
6. 前記ローパスフィルタは、一次のローパスフィルタである
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の信号処理装置。

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