CN105846793B - 一种动态可变时间常数滤波器及滤波方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种动态可变时间常数滤波器及滤波方法，涉及电子电路领域，用以解决滤波器的时间常数选择时，快速响应和低噪声的矛盾。滤波器包括：快速响应滤波器和慢速响应滤波器，以及与快速响应滤波器和慢速响应滤波器均相连的变权重合成器。方法包括：将输入信号同时输入到快速响应滤波器和慢速响应滤波器分别处理；将快速响应滤波器的输出信号和慢速响应滤波器的输出信号同时输入变权重合成器；变权重合成器对快速响应滤波器的输出信号和慢速响应滤波器的输出信号分别赋以相应的权重系数，并合成并输出。本发明可以通过权重系数信号有效的控制滤波器响应时间常数，并且在时间常数调整过程中，输出始终保持平稳，无输出跳动现象。

Description

一种动态可变时间常数滤波器及滤波方法

【技术领域】

本发明涉及电子电路领域，尤其是一种动态可变时间常数滤波器及滤波方法。

【背景技术】

目前编码器被普遍用于伺服电机、智能机器人、数控机床等领域，是一种把角位移或直线位移转换成电信号的精密测量装置，前者称为码盘，后者称为码尺。按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种；按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码。

按照编码器工作原理，主要有光栅编码器、磁栅编码器和容栅编码器。光栅编码器利用光线通过光栅码盘旋转产生的干涉条纹明暗变化来检测位置或运动；磁栅编码器利用磁场的霍尔效应来检测磁栅码盘的运动；而容栅编码器则通过相对的两片印刷电路板相对运动产生的电容变化来进行位移的精密检测。

无论光栅编码器、磁栅编码器还是容栅编码器，所用码盘的刻线决定了其物理分辨率。提升物理分辨率必然要增加编码器的制造加工难度，提高成本，而且分辨率提升极限受制于工业制造技术的限制。

因此，为了提升编码器的分辨率，在物理分辨率不变的情况下，往往采用细分方法来进一步提高编码器输出分辨率。

然而，随着细分系数的增加，编码器前端采集的信号的微小变化，都会造成编码器输出的跳动，甚至等编码器完全没有运动的情况下，由于环境噪声和电路噪声的影响，编码器的输出信号不停的变化。

为了解决编码器稳定性问题，在细分编码器的输出前往往加入滤波器，以滤除造成编码器输出跳动的干扰信号。但是滤波器的引用，会使编码器的输出响应速度变慢，在高速运动的系统中，造成控制精度下降。

因此，输出滤波器的时间常数选择变得十分困难和敏感。时间常数过小，无法滤除噪声；而时间常数过大，又影响响应速度。

【发明内容】

本发明提供了一种动态可变时间常数滤波器及滤波方法，用以解决滤波器的时间常数选择时，快速响应和低噪声的矛盾。

本发明的一种动态可变时间常数滤波器，包括：快速响应滤波器和慢速响应滤波器，以及与所述快速响应滤波器和慢速响应滤波器均相连的变权重合成器；将输入信号同时输入到所述的快速响应滤波器和慢速响应滤波器分别处理后分两路输入所述的变权重合成器，经由所述变权重合成器合成所述输入的两路信号后输出信号。

其中，所述的快速响应滤波器采用一阶滤波器、二阶滤波器，或高阶滤波器；所述的慢速响应滤波器采用一阶滤波器、二阶滤波器，或高阶滤波器。

其中所述的快速响应滤波器和慢速响应滤波器分别为时间常数不同的低通滤波器。

其中，所述的变权重合成器包括：快速信号乘法器，慢速信号乘法器，与所述慢速信号乘法器连接的运算器，以及与所述快速信号乘法器和慢速信号乘法器均相连的加法器；快速响应滤波器输出的快速信号与快速权重系数被送进快速信号乘法器做有符号乘法运算，乘积输入到所述加法器；同时，慢速响应滤波器输出的慢速信号与运算器计算得到的慢速权重系数被送进慢速信号乘法器做有符号乘法运算，乘积输入到所述加法器；所述加法器将两路输入信号相加，得到合成后输出信号。

本发明的一种动态可变时间常数的滤波方法，包括下列步骤：S1、将输入信号同时输入到快速响应滤波器和慢速响应滤波器分别处理；S2、将快速响应滤波器的输出信号和慢速响应滤波器的输出信号同时输入变权重合成器；S3、变权重合成器对所述快速响应滤波器的输出信号和慢速响应滤波器的输出信号分别赋以相应的权重系数，并合成并输出。

其中，所述慢速滤波器的时间常数大于等于快速滤波器的时间常数的10倍。

其中，步骤S1中所述的快速响应滤波器和慢速响应滤波器进行信号处理时，系数的计算公式为：

其中，N为滤波器阶数，τ为时间常数，T_s为采样时间间隔。

其中，步骤S3中所述的权重系数具体是所述赋给快速响应滤波器输出信号的权重系数与赋给慢速响应滤波器输出信号的权重系数之和等于1；

K_fast＝K；

K_slow＝1-K；其中，K为权重系数；K_fast为赋给快速响应滤波器输出信号的快速权重系数；K_slow为赋给慢速响应滤波器输出信号的慢速权重系数。

其中，步骤S3中所述的变权重合成器对所述快速响应滤波器的输出信号和慢速响应滤波器的输出信号分别赋以相应的权重系数，并合成并输出，具体是快速响应滤波器输出的快速信号与快速权重系数做有符号乘法运算，同时，慢速响应滤波器输出的慢速信号与慢速权重系数做有符号乘法运算；再相加得到合成后输出信号；

Output＝X_fast*K+X_slow*(1-K)；其中：X_fast为快速响应滤波器的输出信号；X_slow为慢速响应滤波器的输出信号；K为权重系数。

本发明的动态可变时间常数滤波器及滤波方法中输入信号被同时输入到快速响应滤波器和慢速响应滤波器，滤波器的输出信号进入变权重合成器，通过调整权重系数可实现改变滤波器响应速度的目的。

【附图说明】

图1是本发明实施例1的动态可变时间常数滤波器示意图；

图2是本发明实施例1的数字一阶低通滤波器的原理图；

图3是本发明实施例1的变权重合成器13的原理结构示意图；

图4是本发明实施例2的动态可变时间常数的滤波方法流程图；

图5是本发明实施例2的数字一阶低通滤波器的原理图；

图6是本发明实施例2的变权重合成器工作原理图；

图7是本发明实施例的权重系数与滤波器响应速度曲线图；

图8是本发明实施例的实测输出波形图。

【具体实施方式】

经发明人研究发现，传统的数字滤波器，通过改变运算系数的方法可以实现时间常数的调整，但是在改变运算系数的同时，会造成输出结果的阶跃跳变，这种方法不适用于实时性和平稳性要求很高的系统，例如旋转编码器和直线位置编码器。因此，发明人提出了一种动态可变时间常数滤波器及滤波方法，适用于模拟滤波器或者数字滤波器，通过该方案可以实现动态调整滤波器的时间常数，同时输出不会产生阶跃跳变。以下通过实施例进一步详述。

实施例1、本实施例的动态可变时间常数滤波器，参见图1所示，包括：快速响应滤波器11和慢速响应滤波器12，以及与快速响应滤波器11和慢速响应滤波器12均相连的变权重合成器13。将输入信号同时输入到快速响应滤波器11和慢速响应滤波器12分别处理后分两路输入变权重合成器13，通过调整权重系数可实现改变滤波器响应速度的目的，再经由变权重合成器合成输入的两路信号后输出信号。

在具体实现中，快速响应滤波器11和慢速响应滤波器12分别为时间常数不同的数字低通滤波器，快速响应滤波器11和慢速响应滤波器12的时间常数可根据实际应用选取，一般要求慢速响应滤波器12的时间常数是快速响应滤波器11的时间常数的10倍或以上，具体滤波器可采用但不限于巴特沃斯滤波器、切此雪夫滤波器或椭圆滤波器。快速响应滤波器11可以采用一阶滤波器、二阶滤波器，或高阶滤波器，同理慢速响应滤波器12也可采用一阶滤波器、二阶滤波器，或高阶滤波器。以数字一阶低通滤波器为例，参见图2所示为数字一阶低通滤波器的原理图，滤波器的响应特性由其中滤波器系数a1、b0、b1决定。

变权重合成器13的原理结构示意图参见图3所示，包括：快速信号乘法器131，慢速信号乘法器132，与慢速信号乘法器132连接的运算器133，以及与快速信号乘法器131和慢速信号乘法器132均相连的加法器134。

快速响应滤波器11输出的快速信号与快速权重系数(等于权重系数)被送进快速信号乘法器131做有符号乘法运算，乘积输入到加法器134；同时，慢速响应滤波器12输出的慢速信号与运算器133计算得到的慢速权重系数(与快速权重系数之和等于1)被送进慢速信号乘法器132做有符号乘法运算，乘积输入到加法器134；加法器134将两路输入信号相加，得到合成后输出信号。

实施例2、本实施例的动态可变时间常数的滤波方法，参见图4所示，包括下列主要步骤：

S21、将输入信号同时输入到快速响应滤波器和慢速响应滤波器分别处理。

更为具体的，快速响应滤波器和慢速响应滤波器同时接收输入信号，并保持连续工作状态。快速响应滤波器和慢速响应滤波器分别为时间常数不同的数字低通滤波器，包括但不限于巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器或椭圆滤波器。快速响应滤波器可以采用一阶滤波器、二阶滤波器，或高阶滤波器，同理慢速响应滤波器也可采用一阶滤波器、二阶滤波器，或高阶滤波器。本实施例中以数字一阶低通滤波器为例，如图5所示为数字一阶低通滤波器的原理图。滤波器的响应特性由其中滤波器系数a1、b0、b1决定。

快速响应滤波器和慢速响应滤波器的时间常数可根据实际应用选取，一般要求慢速响应滤波器的时间常数是快速响应滤波器的时间常数的10倍或以上。滤波器中系数的计算如公式一所示：

其中，N为滤波器阶数，τ为时间常数，T_s为采样时间间隔。

在本实施例中，采样时间间隔T_s为20μs，快速响应滤波器时间常数τ_fast设定为0.159ms，滤波器阶数N为一阶。根据公式一，由数学工具“Matlab”软件计算得出：

b0＝0.059245110266641

b1＝0.059245110266641

a0＝1

a1＝-0.881509779466719

同理，慢速响应滤波器时间常数τ_slow设定为1.59ms(即以快速响应滤波器时间常数τ_fast的10倍为例)，根据公式一，由数学工具“Matlab”软件计算得出：

b0＝0.006250081893323

b1＝0.006250081893323

a0＝1

a1＝-0.987499836213355

再根据图5所示的结构，利用以上计算取得的a，b参数，使用verilog集成电路芯片设计语言描述，构建出快速响应滤波器和慢速响应滤波器的芯片内部逻辑电路。

S22、将快速响应滤波器的输出信号和慢速响应滤波器的输出信号同时输入变权重合成器。

S23、变权重合成器对快速响应滤波器的输出信号和慢速响应滤波器的输出信号分别赋以相应的权重系数，并合成并输出。

更为具体的，变权重合成器工作原理如图6所示，赋给快速响应滤波器输出信号的权重系数与赋给慢速响应滤波器输出信号的权重系数之和等于1，可以采用图6中的运算器运算权重系数，运算方法如公式二所示：：

K_fast＝K；

K_slow＝1-K 公式二

其中，K为权重系数；K_fast为赋给快速响应滤波器输出信号的快速权重系数；K_slow为赋给慢速响应滤波器输出信号的慢速权重系数。

快速信号输入X_fast来自快速响应滤波器的输出，该信号与快速权重系数K_fast被送进快速信号乘法器做有符号乘法运算，乘积输入到加法器。同时，慢速信号输入X_slow来自慢速响应滤波器的输出，该信号与慢速权重系数K_slow被送进慢速信号乘法器做有符号乘法运算，乘积输入到加法器。加法器将两路输入信号相加，得到滤波器合成后输出信号。具体可变权重合成器的传递函数公式三：

Output＝X_fast*K+X_slow*(1-K)； 公式三

其中：X_fast为快速响应滤波器的输出信号；

X_slow为慢速响应滤波器的输出信号；

K为权重系数。

综上所述，作为编码器的滤波器，其功能是尽量多的滤除随机干扰和噪声，同时对有效测量信号的影响要尽量小，对于高精度编码器，要求其引入的附加跳动小于最小测量分辨率。同时，编码器用于多种运动物理量的测量，被测目标的运动速度范围非常宽泛，对于旋转编码器，要求可测量的速度范围是零到数万rpm(每分钟转数)。为了满足编码器宽转速范围和高精度的要求，本专利的动态可变时间常数滤波器及滤波方法，可根据被测目标的运动速度，调整响应时间，即满足高速运动时的快速响应，同时也满足低速或静止状态的高稳定性要求。而且，在调整过程中，不引入附加跳动干扰。

对于数字低通滤波器，常规的时间常数调整方法是改变其滤波系数，即图5中的a，b的数值。但这种做法只适用于静态调整，如果在系统运行过程中改变滤波器的系数，滤波器的输出会产生非常大的输出跳动，这是编码器产品完全不能接受的。本发明使用了两个时间常数不同的滤波器，快速响应滤波器和慢速响应滤波器，而且两个滤波器同时工作，其输出同时跟踪输入信号的低频及直流成分。

变权重合成器根据预制的权重把两个滤波器的输出信号进行合成，其输出传递函数如公式三。由公式三可知，在极端情况下，例如K＝0，在此情况下，公式三可化简为Output＝X_slow。即滤波器特性完全由慢速滤波器决定。当K＝1的时候，在此情况下，公式三可化简为Output＝X_fast。即滤波器特性完全由快速滤波器决定。而当常规情况下，滤波器输出为快速和慢速滤波器输出的加权平均。即等加权系数K从0缓慢变化到1的时候，滤波器响应时间常数逐步加快，权重系数与滤波器响应速度曲线如图7所示。

本专利的动态可变时间常数滤波器及滤波方法的另外一个重要特性是，当调整时间常数的时候，不会造成输出的跳动。由公式二可推导出，即快慢权重系数的和恒定为“1”，因此，在调整权重系数K的时候，输出不会产生跳动干扰。

本专利的动态可变时间常数滤波器及滤波方法实测输出波形如图8所示。图中最上方一行的波形为滤波器输入信号，在基频上叠加了高频的噪声信号；中间一行的波形为滤波器输出波形；最下方一行为控制滤波器时间常数的权重系数。图中最左边一列的区域为滤波器设置在快速响应模式下的工作情况，权重系数为“1”，与之对应的输出波形，输出噪声水平较高。因为此时滤波器响应速度快，频率带宽较宽，所以只有输入信号中高频噪声可以有效滤除，较低频的噪声，仍然可以通过滤波器。图中中间一列的区域是“过渡区域”，在此区域，权重系数逐渐较小，从“1”缓慢变化为“0”。在此区域，可见滤波器输出信号噪声水平随着权重系数的下降而减小。而且，在此区域，输出信号保持平缓变化，并无跳动现象发生。图中最右边一列的区域为滤波器过渡到慢速响应模式下的工作情况，权重系数为“0”，与之对应的输出波形，输出噪声水平低。因为此时滤波器响应速度慢，频率带宽变窄，所以输入信号中高频噪声及低频噪声均得到有效滤除。

可见，本专利的动态可变时间常数滤波器及滤波方法可以通过权重系数信号有效的控制滤波器响应时间常数。并且在时间常数调整过程中，输出始终保持平稳，无输出跳动现象。

这里本发明的描述和应用都只是说明性和示意性的，并非是想要将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是完全可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说，实施例的替换和等效的各种部件均是公知的。本领域技术人员还应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现，以及在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (6)

1.一种动态可变时间常数滤波器，其特征在于，包括：快速响应滤波器和慢速响应滤波器，以及与所述快速响应滤波器和慢速响应滤波器均相连的变权重合成器；

将输入信号同时输入到所述的快速响应滤波器和慢速响应滤波器分别处理后分两路输入所述的变权重合成器，经由所述变权重合成器合成所述输入的两路信号后输出信号；

所述的变权重合成器包括：快速信号乘法器，慢速信号乘法器，与所述慢速信号乘法器连接的运算器，以及与所述快速信号乘法器和慢速信号乘法器均相连的加法器；

快速响应滤波器输出的快速信号与快速权重系数被送进快速信号乘法器做有符号乘法运算，乘积输入到所述加法器；同时，慢速响应滤波器输出的慢速信号与运算器计算得到的慢速权重系数被送进慢速信号乘法器做有符号乘法运算，乘积输入到所述加法器；所述加法器将两路输入信号相加，得到合成后输出信号。

2.如权利要求1所述的动态可变时间常数滤波器，其特征在于，所述的快速响应滤波器采用一阶滤波器、二阶滤波器，或高阶滤波器；所述的慢速响应滤波器采用一阶滤波器、二阶滤波器，或高阶滤波器。

3.如权利要求1所述的动态可变时间常数滤波器，其特征在于，所述的快速响应滤波器和慢速响应滤波器分别为时间常数不同的低通滤波器。

4.一种动态可变时间常数的滤波方法，其特征在于，包括下列步骤：

S1、将输入信号同时输入到快速响应滤波器和慢速响应滤波器分别处理；

S2、将快速响应滤波器的输出信号和慢速响应滤波器的输出信号同时输入变权重合成器；

S3、变权重合成器对所述快速响应滤波器的输出信号和慢速响应滤波器的输出信号分别赋以相应的权重系数，并合成并输出；

步骤S3中所述的变权重合成器对所述快速响应滤波器的输出信号和慢速响应滤波器的输出信号分别赋以相应的权重系数，并合成并输出，具体是快速响应滤波器输出的快速信号与快速权重系数做有符号乘法运算，同时，慢速响应滤波器输出的慢速信号与慢速权重系数做有符号乘法运算；再相加得到合成后输出信号；

Output＝Xfast*K+Xslow*(1-K)；

其中：Xfast为快速响应滤波器的输出信号；

Xslow为慢速响应滤波器的输出信号；

K为权重系数。

5.如权利要求4所述动态可变时间常数的滤波方法，其特征在于，所述慢速响应滤波器的时间常数大于等于快速响应滤波器的时间常数的10倍。

6.如权利要求5所述动态可变时间常数的滤波方法，其特征在于，步骤S1中所述的快速响应滤波器和慢速响应滤波器进行信号处理时，系数的计算公式为：

其中，N为滤波器阶数，τ为时间常数，Ts为采样时间间隔；滤波器的响应特性由该滤波器系数a和b决定。