真空モータの翼通過周波数騒音を抑制する制御系における参照信号の生成

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1 真空モータの翼通過周波数騒音を抑制する制御系における参照信号の生成
0808 真空モータの翼通過周波数騒音を抑制する制御系における参照信号の生成 Implementation of reference signal in active noise control system for blade passing frequency noise of vacuum motor ○川崎　健史(長岡技科大) 　 石山　亜弓(長岡技科大) 　 小林　泰秀(長岡技科大) 　 根本　伸治(山本電気(株))

2 背景 翼通過周波数騒音(NZ音) 真空モータにおいて吸気音や排気音に比べて大きい ステータ壁 ロータ翼
空気の流れ ロータの翼から排出された高速高圧の空気がステータの壁に衝突することで発生 インペラ出口から排出される高速高圧の空気が、エアガイドのディフューザベンに衝突することで発生する． NZ音はインペラ回転数×インペラの羽の枚数の周波数を持つ． 真空モータにおいて吸気音や排気音に比べて大きい

3 翼通過周波数 モータ回転周波数Nとロータの翼枚数Zの積 実験で用いた真空モータの翼枚数 Z=８枚 モータ回転周波数 N＝440Hz
約3.5kHzの1次音 及びその整数倍音 が発生 1次 3.5[kHz] 2次 7.0[kHz] 3次 10.5[kHz]

4 背景 能動騒音制御を行うためには，騒音に相関を持つ 信号が必要 従来研究 リファレンスマイクにより騒音を取得する
[朱 ,金 1994] ファンの回転周波数をセンサにより取得する [Wu,Bai 2001] 機械的に騒音成分を含む信号を作成する [Kuo,Morgan 1996] ハードウェアによる参照信号を使用して， 騒音の抑制を行われている

5 背景 掃除機モータにはまだ能動騒音制御は実用化されていない 参照信号を得るためにハードウェアを追加する必要がある
安価で,かつシステムの簡単化が必要とされている

6 目的 モータ回転信号から騒音成分を含む参照信号をディジタル信号処理により生成する 生成した参照信号を用いた適応制御系の騒音制御性能を検討する
モータ回転信号に同期，翼枚数に一致する周波数の参照信号を生成する 真空モータの翼通過周波数騒音を能動的に抑制するために，モータ回転信号から騒音成分を含む参照信号をディジタル信号処理により生成する制御系を構成し，その騒音低減性能について実験的に検討を行う 生成した参照信号を用いた適応制御系の騒音制御性能を検討する LMSアルゴリズムに基づく適応制御について実験的に検討する

7 実験装置の概要 L=1000 l1=660 D=φ150 スピーカ Fostex FT17H コンデンサマイク dsPIC30F4013
ダクトは内径D=150[mm]，長さL=1000[mm] 制御用スピーカは真空モータに直交するように設置 エラーマイクはスピーカからL1=660[mm]に設置 コントローラにはdsPICを用いている． dsPICを使用したのは安価で高速な積和演算が可能であり，A/D変換機能を内蔵しているため制御系のコントローラとして 十分な機能を有していたためである． 騒音 制御音 Preamp. dsPIC30F4013 Microchip ワンチップマイコン 安価で高速な積和演算が可能，A/D変換機能を内蔵 PA LPF LPF コントローラ (dsPIC) D/A スピーカ駆動信号 モータ回転信号 A/D PC2 PC1

8 参照信号生成法 モータ回転信号から直接ディジタル信号処理により参照信号を生成 モータ回転周波数の翼枚数倍の騒音の低減が目的
デューティー比25%の矩形波信号は基本周波数成分とその整数倍成分を含む信号[Kuo,Morgan 1996] 参照信号はdsPICの内部で生成される．その信号はモータ回転周波数に同期し．かつ8倍の周波数を持つ矩形波を用い，そのデューティー比を25％とすることにより，基本周波数成分を含ませる． そのために参照信号生成部Fはモータ周期毎に以下を実行する． モータ回転の周期をタイマ1でカウントし，結果をN1とする． N1を32で割ったものをN32とし，この周期毎に系列｛1,0,0,0｝を繰り返して参照信号xとする． 上記を実現するために，dsPICで以下の3つの処理ルーチンを動作させる． メインルーチン マイク信号をA/D変換し，結果をeとする. eを小さくするようにLMSアルゴリズムを実行する．適応フィルタ(32次)の出力yをD/A変換する． モータ回転周期計測ルーチン(モータ回転信号の立ち上がりで動作する割り込み処理で実行される) タイマ1でカウント値をN1とし，これを5ビット右シフトしてものをN32とする． タイマ2の割り込みが周期N32$毎に実行されるように設定する． タイマ1のカウント値を0にリセットする． 参照信号生成ルーチン(タイマ2の割り込み処理で実行する) 4回に1回，x=1とする．それ以外はx=0とする． T 4T デューティー比25%でモータ回転周波数の８倍の周波数を持つ参照信号が必要

9 参照信号生成法 利用可能な信号：モータ回転信号 真空モータのホール素子による回転に同期した矩形波
参照信号生成部はモータ回転信号により割り込み処理を行う 生成した参照信号はメインルーチンに使用 ・メインルーチン エラーマイク信号をA/D変換 ＬＭＳアルゴリズムの実行 適応フィルタの出力をD/A変換

10 参照信号生成法 T1(N1) r(t) T8(N8) x(t) T32(N32) ・モータ回転周期計測 ルーチン
・モータ回転周期計測　　　　　　　　　　　　　　ルーチン モータ回転周期をタイマでカウントする(N1) N1を5ビット右シフトしN32とする ・参照信号生成ルーチン 周期T32毎に実行 4回に1回x=1とする それ以外はx=0とする 参照信号はdsPICの内部で生成される．その信号はモータ回転周波数に同期し．かつ8倍の周波数を持つ矩形波を用い，そのデューティー比を25％とすることにより，基本周波数成分を含ませる． そのために参照信号生成部Fはモータ周期毎に以下を実行する． モータ回転の周期をタイマ1でカウントし，結果をN1とする． N1を32で割ったものをN32とし，この周期毎に系列｛1,0,0,0｝を繰り返して参照信号xとする． 上記を実現するために，dsPICで以下の3つの処理ルーチンを動作させる． メインルーチン マイク信号をA/D変換し，結果をeとする. eを小さくするようにLMSアルゴリズムを実行する．適応フィルタ(32次)の出力yをD/A変換する． モータ回転周期計測ルーチン(モータ回転信号の立ち上がりで動作する割り込み処理で実行される) タイマ1でカウント値をN1とし，これを5ビット右シフトしてものをN32とする． タイマ2の割り込みが周期N32$毎に実行されるように設定する． タイマ1のカウント値を0にリセットする． 参照信号生成ルーチン(タイマ2の割り込み処理で実行する) 4回に1回，x=1とする．それ以外はx=0とする．

11 適応制御系 騒音信号eを小さくすることが目的 １次経路Pはモータ回転信号r から，２次経路Sは
dsPICで実装 エラーマイクによって検出された騒音信号eが小さくなるように，モータ回転信号rから制御音駆動信号yを生成し，パワーアンプを介してスピーカを駆動する 騒音信号eを小さくすることが目的 １次経路Pはモータ回転信号r から，２次経路Sは FIRフィルタ出力yからエラーマイク出力までの動特性 モータ回転信号r から参照信号生成部Ｆ を介し,制御音駆動信号y を生成し，スピーカを駆動する

12 適応制御系 LMSアルゴリズムはFIRフィルタ係数を下式で更新する dsPICで実装 時刻 FIRフィルタ係数(32次) 適応係数 参照信号
モータ回転信号 dsPICで実装 エラーマイクによって検出された騒音信号eが小さくなるように，モータ回転信号rから制御音駆動信号yを生成し，パワーアンプを介してスピーカを駆動する LMSアルゴリズムはFIRフィルタ係数を下式で更新する 時刻 FIRフィルタ係数(32次) 適応係数 参照信号 エラーマイク信号

13 適応制御系 一般的なFiltered-x LMSアルゴリズムとの違い 参照信号としてリファレンスマイクを用いない
モータ回転信号 dsPICで実装 エラーマイクによって検出された騒音信号eが小さくなるように，モータ回転信号rから制御音駆動信号yを生成し，パワーアンプを介してスピーカを駆動する 一般的なFiltered-x LMSアルゴリズムとの違い 参照信号としてリファレンスマイクを用いない 参照信号生成部Fによりモータ回転信号から参照信号を生成する 周期騒音の低減が目的で,２次経路の推定は行わない

14 適応制御実験条件 dsPICの設定 PCの設定 クロック 96[MHz] メインルーチン動作周期 25[μsec]
　FIRフィルタのタップ長　32 　適応係数　0.0107 PCの設定 　A/D変換サンプリング周波数　80[kHz]

15 適応制御実験結果(430Hz) Time[sec] 1次翼通過周波数:3440Hz 制御ON:60秒後から210秒まで 35%抑制
PSD of error signal[V/Hz0.5] 10-1 Time[sec] 10-2 50 100 150 200 250 300 制御OFF 制御 ON 1次翼通過周波数:3440Hz 制御ON:60秒後から210秒まで Time[sec] Frequency[Hz] PSD of error signal[V/Hz0.5] #1 1次成分については制御開始の60秒から徐々に抑制され，35％低減されている． 2次成分は制御前後で変化は見られない．

16 適応フィルタ係数(430[Hz]) 適応フィルタの周期性は生成した参照信号の周期 適応フィルタにより参照信号のゲインと位相が調整
11点 3.6[kHz] -0.01 -0.02 -0.03 -0.04 -0.05 -0.06 -0.07 -0.08 5 10 15 20 25 30 35 Coefficient hm Tap m #1 #2 #3 #4 #5 適応フィルタの周期性は生成した参照信号の周期 適応フィルタにより参照信号のゲインと位相が調整 メインルーチンの周期 フィルタの周波数 １周期のタップ数

17 信号の時間応答(430[Hz]) 騒音信号eが 低減 参照信号が回転信号の ８倍の周波数 Value time(×25)[μsec] 20
20 40 60 80 100 120 140 160 180 time(×25)[μsec] 0.1 0.05 -0.1 -0.05 Value timer count with control timer count without control e with control e without control x with control x without control 騒音信号eが 低減 参照信号が回転信号の ８倍の周波数

18 適応制御実験結果(440[Hz]) Time[sec] 1次翼通過周波数:3520Hz 制御ON:60秒後から210秒まで 510%増大
PSD of error signal[V/Hz0.5] Time[sec] 50 100 150 200 250 300 制御OFF 制御 ON 10-1 1次翼通過周波数:3520Hz 制御ON:60秒後から210秒まで Time[sec] Frequency[Hz] PSD of error signal[V/Hz0.5] #6 1次成分が徐々に増大し，１３０[s]から２次成分が低減される． 制御性能にばらつきがある．

19 適応フィルタ係数(440[Hz]) 係数の値が大 1次翼通過 周波数成分 で発振 11点 3.6[kHz] Coefficient hm
Tap m 5 10 15 20 25 30 35 1 0.5 -0.5 -1 Coefficient hm #6 #7 #8 #9 #10 係数の値が大 1次翼通過 周波数成分 で発振

20 信号の時間応答(440[Hz]) 騒音信号eが参照信号の周波数で増大 参照信号は 正常に8倍の周波数で生成 参照信号の生成には問題無し
20 40 60 80 100 120 140 160 180 0.1 0.05 -0.1 -0.05 time(×25)[μsec] Value timer count with control timer count without control e with control e without control x with control x without control 騒音信号eが参照信号の周波数で増大 参照信号は 正常に8倍の周波数で生成 参照信号の生成には問題無し 適応制御系のハウリングによる発振

21 結言 モータ回転信号から騒音成分を含む参照信号をディジタル信号処理により生成する方法を提案し，参照信号が正常に生成されることを確認した
特定のモータ回転数において，１次翼通過周波数騒音振幅が30 ％程度抑制され，参照信号が翼通過周波数騒音の低減に有効であることを示した そこで本論文では，真空モータの翼通過周波数騒音を能動的に抑制するために，モータ回転信号から騒音成分を含む参照信号をディジタル信号処理により生成する制御系を構成し，その騒音低減性能について実験的に検討を行った． モータ回転信号から騒音成分を含む参照信号をディジタル信号処理により生成する方法を提案した： 　モータ回転信号の周期を割り込み処理とカウンタを用いて計測し，その値の32 分の1 毎に別の割り込み処理ルーチンを動作させ，系列{1,0,0,0 }を繰り返すことにより，モータ回転信号に同期し，8 倍の周波数成分を持ち，かつデューティー比が25 ％の参照信号を生成する． 参照信号からスピーカ駆動信号の間のゲインと位相をマニュアル調整し1次翼通過周波数騒音の低減を行い，生成した信号の妥当性と開ループ制御の限界を検討した： ・モータ回転数が一定であれば，適当なゲインと位相が存在し，騒音が低減される． ・モータの発熱に伴い，モータの回転数が上昇した場合，ゲインと位相の再調整を行わない限り，制御性能は劣化する． ・モータ吸気口の大きさを制限することにより，モータの動作条件を変えた場合には，モータの回転数を吸気口制限前と同一に保ったとしても，制御性能は劣化する． LMS アルゴリズムに基づく適応制御系を構成し，モータ回転数，マイク-スピーカ間距離，制御プログラムの動作周期を変えて騒音制御実験を行い，以下の知見を得た： ・特定のモータ回転数において，１次翼通過周波数騒音振幅が30 ％程度抑制された． ・本制御系の性能は，モータ回転数及びマイク－スピーカ間距離に依存し、モータ回転数10Hz 程度のずれで，制御系が発振することがある．マイク－スピーカ間距離を変えると良好な制御性能が得られるモータ回転数が変化する． ・制御プログラムの動作周期を変えても，良好な制御性能及び制御系が発振する条件は変わらない． 今後の課題として開ループ制御があらゆる回転数に有効か,タップ長を2として制御可能か,簡単化を行い検討する