采用FPGA器件實(shí)現(xiàn)濾波器的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法

光電脈沖編碼器是一種集光、機(jī)、電為一體的用于檢測(cè)機(jī)械位移或間接檢測(cè)速度的光電傳感器，根據(jù)其用于檢測(cè)角位移及旋轉(zhuǎn)速度或直線位移及直線運(yùn)動(dòng)速度又分為光電軸角編碼器和直線編碼器。根據(jù)形成代碼的方式不同，光電軸角編碼器分為增量式和絕對(duì)式兩大類(lèi)。光電脈沖編碼器因其精度高、響應(yīng)快、使用可靠等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、軋鋼、紡織器械、電梯、印刷、卷煙機(jī)、機(jī)器人、磁卡機(jī)、電腦刺繡機(jī)等工業(yè)控制和測(cè)試領(lǐng)域。

在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，存在光、電、磁和振動(dòng)等干擾。光電脈沖編碼器輸出脈沖信號(hào)的產(chǎn)生和傳輸過(guò)程中都可能會(huì)受到上述干擾的影響而導(dǎo)致波形畸變，一個(gè)實(shí)際的光電脈沖編碼器的輸出波形如圖2所示。

圖1 編碼器理想輸出波形 圖2編碼器實(shí)際輸出波形

為了從信號(hào)中獲得有用的信息，人們對(duì)干擾及其過(guò)濾進(jìn)行了大量的研究。已經(jīng)開(kāi)展的研究主要是通過(guò)對(duì)干擾信號(hào)的特征提取按照抑制干擾、切斷干擾傳播路徑或者提高敏感器件的抗干擾性能等原則進(jìn)行干擾處理，并基本滿足了信號(hào)濾波的要求。但因工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)干擾非常復(fù)雜，其隨機(jī)性、動(dòng)態(tài)性、不可預(yù)測(cè)性等使抗干擾成為開(kāi)發(fā)和調(diào)試工作永恒的課題。

1 基于信號(hào)認(rèn)知的脈沖信號(hào)濾波原理

根據(jù)香農(nóng)信息論系統(tǒng)模型，可將到達(dá)信號(hào)處理單元的信號(hào)表達(dá)為：

程度。對(duì)于脈沖信號(hào)，其特征規(guī)范，只有脈沖電平、脈沖寬度、頻率等特征。這些特征都容易認(rèn)知和檢測(cè)。因此，對(duì)脈沖信號(hào)的整形與濾波應(yīng)以第二種策略為主。下面以旋轉(zhuǎn)編碼器為例說(shuō)明對(duì)其輸出脈沖信號(hào)特征的認(rèn)知過(guò)程：

1.1 對(duì)信號(hào)電平的認(rèn)知

脈沖信號(hào)的電平只有高電平“1”和低電平 “0”兩種。

1.2 對(duì)信號(hào)脈沖寬度的認(rèn)知

1.3 對(duì)信號(hào)脈沖寬度變化量

由于能源的有限性和機(jī)械材料強(qiáng)度的限制，任何運(yùn)動(dòng)機(jī)械的加速度都會(huì)有限定。例如設(shè)被測(cè)機(jī)械在時(shí)間 秒內(nèi)從靜止上升到額定轉(zhuǎn)速，則任意兩個(gè)相連脈沖的寬度變化為：

（4）

1.4 對(duì)脈沖信號(hào)相關(guān)性特征的認(rèn)知

2 基于FPGA的濾波器設(shè)計(jì)

隨著電子設(shè)計(jì)技術(shù)的飛速發(fā)展，可編程門(mén)陣列（FPGA）所具備的功能也越來(lái)越強(qiáng)大，可完成極其復(fù)雜的時(shí)序和組合邏輯電路功能，適用于高速、高密度的高端數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

圖3 脈沖信號(hào)濾波器原理

圖中采用對(duì)M/T法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)測(cè)量如圖3中測(cè)速模塊所示，通過(guò)在一定采樣時(shí)間T內(nèi)，計(jì)取MP個(gè)脈沖信號(hào)的脈沖數(shù)和MS個(gè)高頻時(shí)標(biāo)脈沖個(gè)數(shù)，最終輸出實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速n。

（5）

式中： 為采樣周期內(nèi)計(jì)取的高頻時(shí)標(biāo)信號(hào)數(shù)。

采用FPGA正邊沿觸發(fā)器和負(fù)邊沿觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖正跳變或者負(fù)跳變信號(hào)的檢測(cè)，利用脈寬計(jì)數(shù)器進(jìn)行比較現(xiàn)脈寬變化率的控制。通過(guò)多路選擇器根據(jù)輸出脈沖與輸入脈沖關(guān)系對(duì)正/負(fù)邊沿觸發(fā)器通道進(jìn)行選擇，再由脈寬計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖寬度計(jì)數(shù)，如果計(jì)數(shù)寬度值在合法的寬度范圍內(nèi)，則為合法脈沖信號(hào)并輸出，否則為干擾信號(hào)，予以濾除。

在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，運(yùn)轉(zhuǎn)速度存在波動(dòng)，實(shí)際轉(zhuǎn)速應(yīng)該留有一定裕量。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

脈沖信號(hào)源取自一型號(hào)為P60B1835MXSIJ的伺服電機(jī)，額定功率為2.7KW，AC200V，電流10.7A，額定轉(zhuǎn)速為1500rpm，內(nèi)置增量式編碼器為2000線。濾波器采用ACTEL公司的大容量多門(mén)FPGA ProASIC APA300按圖2構(gòu)成。FPGA采樣頻率為4MHz，高頻時(shí)標(biāo)頻率為40MHz。

實(shí)驗(yàn)首先使電機(jī)在整個(gè)速度范圍內(nèi)運(yùn)行，分別觀察電機(jī)編碼器信號(hào)輸出（濾波器輸入信號(hào)）和濾波器的輸出并進(jìn)行比較，再用本文設(shè)計(jì)的濾波器輸出信號(hào)作為位置控制信號(hào)對(duì)該永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)。

圖4速度150rpm時(shí)脈沖處理效果 圖5速度1500rpm時(shí)脈沖處理效果

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)在電機(jī)從靜止到額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)能將編碼器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行有效濾波和整形，150rpm和1500rpm時(shí)編碼器的輸出脈沖波形和濾波輸出波形如圖4，圖5所示。其中1號(hào)通道為濾波器輸出端采集脈沖波形，2號(hào)通道為濾波器輸入端采集脈沖波形。用本文設(shè)計(jì)的濾波器輸出信號(hào)作為位置控制信號(hào)對(duì)該永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)時(shí)能夠在各種速度下進(jìn)行有效控制，表明濾波器能夠滿足脈沖信號(hào)濾波要求。

4 結(jié)論

到達(dá)信宿的信號(hào)為合法信號(hào)與干擾信號(hào)的疊加，因此可以采用認(rèn)知合法信號(hào)特征或認(rèn)知干擾信號(hào)特征兩種策略來(lái)有效地濾除干擾信號(hào)。具體選擇時(shí)應(yīng)該根據(jù)兩者哪個(gè)的特征容易被認(rèn)知。脈沖信號(hào)特征簡(jiǎn)單、規(guī)范，只有電平、周期、脈寬等特征參數(shù)以及相互關(guān)系特征。因此，脈沖信號(hào)宜采用對(duì)合法信號(hào)認(rèn)知并濾除非法信號(hào)的濾波策略。本文采用對(duì)合法信號(hào)認(rèn)知并濾除非法信號(hào)的濾波策略構(gòu)成的濾波器滿足了永磁同步電動(dòng)機(jī)控制要求的信號(hào)濾波要求。

本文創(chuàng)新點(diǎn)是基于認(rèn)知模式識(shí)別的思想對(duì)信號(hào)進(jìn)行認(rèn)知進(jìn)行濾波。在干擾多且雜不可能完全分析清楚的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)濾波達(dá)到要求。

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