CN108631679A - 一种位置信号滤波方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种位置信号滤波方法及系统，该方法包括：获取当前控制周期采样得到的转子位置采样值，结合上一控制周期转子位置采样值和这两次采样转子位置的时间间隔计算得到当前电机转子转速，对当前控制周期的电机转子转速进行滤波；基于滤波后电机转子转速和采样时间间隔得到当前控制周期内的转子位置变化量，根据该位置变化量和上一控制周期计算得到的转子位置计算值得到当前控制周期的转子位置计算值；对当前控制周期的转子位置计算值进行闭环校正。本发明既能滤去位置信号中的干扰分量，又能对周期性变化信号进行实时地、准确地控制，提高系统对电机控制的精度和稳定性，改善系统运行性能，放宽了对硬件技术指标的要求，降低了应用成本。

Description

一种位置信号滤波方法及系统

技术领域

本发明涉及一种信号滤波领域，尤其涉及一种用于旋转变压器的位置信号滤波方法及系统。

背景技术

旋转变压器是一种用于测量旋转部件转速和位置的常用装置，其工作时需要匹配合适的解码电路。如图1所示，解码电路给旋转变压器提供一路正弦激励信号，旋转变压器通过磁路耦合输出两路正交的正弦信号，同时旋变转子通过对磁路的调制作用，使旋转变压器输出两路正弦信号，信号幅值随转子位置变化做交替变化。解码芯片是解码电路的主要控制器件，解码芯片根据旋转变压器的激励信号和反馈的两路正弦信号，实时解算出转子的位置。

通常，旋转变压器的转子位置总是从0°至360°周期性变化，如果转速一定，则该位置信号规律为一个三角波，如图2所示。在实际应用过程中，旋转变压器的位置信号总会受到不同模式的干扰，常见的干扰模式有两种：其一，旋转变压器信号受到电磁干扰或机械振动导致信号接触不良，解码得到的位置信号就会在三角波上叠加一些毛刺干扰信号(参见图3)；其二，由于装配误差或机械磨损，导致旋转变压器转子与定子同心度变差，此时转子的调制作用会在三角波上叠加一个与转子极对数相同的周期波形，从而导致解码得到的位置信号在一个基本周期内出现多次波动(参见图4)。另外，还存在其他各种各样的干扰，无论何种干扰模式，都会使解码出的旋转变压器转子位置值与实际位置出现偏差。

在现有技术中，针对非实时性控制系统，可以利用低通滤波器、中值滤波、平均值滤波等方法，在一定程度上消除干扰信号。针对实时控制系统，例如电机驱动控制系统，需要在每个控制周期采样电机转子在特定时刻的位置，位置信号精度越高，对控制越有利。位置信号误差太大，可能会导致系统不稳定。由于位置信号在时刻变化，常规的数字滤波方法难以满足电机驱动控制系统对位置信号的实时性和准确性要求。

当前现有技术主要采取的措施还是直接对硬件进行处理来保证旋转变压器信号的精度，例如采用更高精度的旋转变压器、增加模拟滤波电路、提高机械安装精度、定期检查旋转变压器转子位置等，这些限制因素总体上提高了旋转变压器的使用成本和安装难度，并且仍然不能有效的控制采集的位置信号误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种位置信号滤波方法，该方法既能滤去旋转变压器转子位置信号中含有的干扰分量，又能针对周期性变化信号进行实时地、准确地控制，提高系统对旋转变压器应用过程中各种误差的容忍能力，放宽了对硬件技术指标的要求，降低了应用成本。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种位置信号滤波方法，该方法包括以下步骤：获取当前控制周期采样得到的转子位置采样值，结合上一控制周期转子位置采样值和这两次采样转子位置的时间间隔计算得到当前控制周期的电机转子转速，对所述当前控制周期的电机转子转速进行滤波；基于滤波后电机转子转速和所述采样时间间隔得到当前控制周期内的转子位置变化量，根据所述位置变化量和上一控制周期计算得到的转子位置计算值得到当前控制周期的转子位置计算值；对所述当前控制周期的转子位置计算值进行闭环校正。

优选地，在所述步骤一中，滤去当前控制周期电机转子转速中的高频干扰分量，保留低频分量得到滤波后电机转子转速。

优选地，在所述步骤二中，将所述滤波后电机转子转速乘以所述采样时间间隔，计算出当前控制周期的位置变化量，将该位置变化量累加到所述上一控制周期电机的转子位置计算值上，得到所述当前控制周期的转子位置计算值。

优选地，在所述步骤三中，将所述当前控制周期的转子位置采样值与所述当前控制周期的转子位置计算值的差值乘以校正系数，来闭环校正所述当前控制周期转子位置计算值。

优选地，在所述步骤三中，利用下述表达式进行所述闭环校正：

θ’_n＝θ’_n+k×(θ_n-θ’_n)

其中，θ'_n表示当前控制周期的转子位置计算值，k表示一个大于0且小于1的校正系数，θ_n表示当前控制周期的转子位置采样值。

另一方面，本发明实施例还提供了一种位置信号滤波系统，该系统包括如下模块：电机转子转速获取模块，其获取当前控制周期采样得到的转子位置采样值，结合上一控制周期转子位置采样值和这两次采样转子位置的时间间隔计算得到当前控制周期的电机转子转速，对所述当前控制周期的电机转子转速进行滤波；转子位置计算模块，其基于滤波后电机转子转速和所述采样时间间隔得到当前控制周期内的转子位置变化量，根据所述位置变化量和上一控制周期计算得到的转子位置计算值得到当前控制周期的转子位置计算值；校正模块，其对所述当前控制周期的转子位置计算值进行闭环校正。

优选地，所述电机转子转速获取模块，其进一步滤去当前控制周期电机转子转速中的高频干扰分量，保留低频分量得到滤波后电机转子转速。

优选地，所述转子位置计算模块，其进一步将所述滤波后电机转子转速乘以所述采样时间间隔，计算出当前控制周期的转子位置变化量，将该位置变化量累加到所述上一控制周期电机转子位置计算值上，得到所述当前控制周期的转子位置计算值。

优选地，所述校正模块，其进一步将所述当前控制周期的转子位置采样值与所述当前控制周期的转子位置计算值的差值乘以校正系数，来闭环校正所述当前控制周期转子位置计算值。

优选地，所述校正模块其进一步利用下述表达式进行闭环校正，

θ’_n＝θ’_n+k×(θ_n-θ’_n)

其中，θ'_n表示当前控制周期的转子位置计算值，k表示一个大于0且小于1的校正系数，θ_n表示当前控制周期的转子位置采样值。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

本发明利用转速变化相对较缓慢的特点，将转子位置信号进行数字滤波，该滤波方式采用先分段滤波，再累加，后校正的步骤，最终将位置信号进行整合。本发明的滤波方法，兼具了数字滤波方法实现灵活、成本低的特点，既可以降低对旋转变压器的精度要求、无需复杂的模拟滤波电路、减少安装维护系统的成本，又能够提高电机控制的精度和稳定性，改善系统运行性能。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明的技术方案而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构和/或流程来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制，在附图中：

图1为旋转变压器的工作原理图。

图2为旋转变压器输出的正常位置信号的示意图。

图3为旋变信号受到电磁干扰或机械震动时，旋转变压器输出的带有毛刺的位置信号的示意图。

图4为旋变转子与定子同心度变差时，旋转变压器输出的带有周期波动的位置信号的示意图。

图5为本发明实施例的用于旋转变压器的位置信号数字滤波方法的流程图。

图6为本发明实施例的用于旋转变压器的位置信号数字滤波系统的结构框图。

图7为本发明实施例的用于旋转变压器的位置信号数字滤波方法的标量图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。

为了更好的了解本发明的实施例，现对现有技术的缺点进行说明。通常，旋转变压器在工作时，匹配适合的解码电路测量电机转子位置，其中解码芯片为解码电路的核心控制器件，由于旋转变压器参数分散性、运行环境电磁干扰、机械安装误差等原因，导致从解码芯片直接读取的位置信号含有干扰分量，需要采用适当的滤波方法剔除干扰分量。在实际应用过程中，由于电机转子位置信号通常是一个周期变化量，并且对位置信号的实时性和准确性控制要求非常高，难以采用数字滤波的方法克服以上问题，通常只能采用高精度的旋转变压器、增加模拟滤波电路、提高机械安装精度等方法来解决问题，这些限制因素使滤波算法复杂的同时还需要硬件技术指标的支持，总体上提高了旋转变压器的应用成本。

实际上，虽然电机转子位置在时刻变化，且具有一定的惯性量，但转子的转速相对位置变化来说是缓慢的。本发明利用转速变化相对缓慢的特点提出了一种旋转变压器转子检测位置信号的数字滤波方法，该方法对转子位置信号进行实时采样，利用对滤波后的电机转子转速进行先叠加后校正的计算方法，从而实现对位置信号的滤波输出。

本实施例适用于不同的控制场合，对于不同的控制对象，可以对控制周期的采样次数进行调整，也可以对控制频率进行调整。一般的，对电机进行控制时，一个控制周期采样一次，控制周期就是采样周期，采样间隔时间也就等于一个控制周期，对不同的应用场合，设置的控制周期不相同。在本实施例中，对于电机转子位置信号进行采样控制，控制周期常用的范围是100us至1000us，采样时间间隔可以针对实际情况的不同做出调整。

图5为本发明实施例的用于旋转变压器的位置信号数字滤波方法的流程图，下面结合图5对本实施例的方法流程进行详细说明，其中，步骤S510～步骤S530的流程为针对单个控制周期位置信号的滤波方法，对每个控制周期都采用该流程进行位置信号的滤波，且每个控制周期只对位置信号采样一次。

从图5中可以看出，本发明在步骤S510中，获取当前控制周期采样得到的转子位置采样值，结合上一控制周期转子位置采样值和这两次采样转子位置的时间间隔计算得到当前控制周期的电机转子转速，对所述当前控制周期的电机转子转速进行滤波。

具体地，先获取当前控制周期电机转子转速，更具体地，先读取连续两次采样时刻的转子位置，基于这两次采样得到的转子位置和这两次采样转子位置的时间间隔，计算得到当前控制周期的电机转子转速。利用如下表达式计算当前控制周期的电机转子转速：

其中，θ_n表示当前控制周期的电机转子位置的采样值，θ_n-1表示上一控制周期的电机转子位置的采样值，△t表示两次采样时间间隔，ω表示当前控制周期的电机转子转速。

由于在实际应用过程中转子的转动会受到各种不同原因的干扰，导致采样的位置与真实的位置之间存在误差，因此利用上述表达式计算的转速与真实转速相比存在高频波动。因此，需要对计算得到的当前控制周期的电机转子转速ω进行滤波，是为了尽量消除转速ω中的高频分量，使滤波后的转速值ω'变得平滑。电机转子具有较大惯量，实际转速不会快速变化，因此经过滤波后的转速值更接近实际转速值。

在步骤S510中，在对电机转子转速ω进行滤波时，滤去当前控制周期的电机转子转速ω的高频干扰分量，保留低频分量得到滤波后转速值ω'。可采用的滤波方法包括：低通滤波、平均值滤波和中值滤波等。本实施例以低通滤波为例，对当前转速值进行滤波，滤波方式如下表达式所示：

ω'＝(1-a)×ω'+a×ω

其中，a为一个大于0且小于1的系数。a取值越小，低通滤波效果越强。a的实际取值需综合考虑系统转速变化快慢、干扰强弱等因素，需通过调试和试验来确定。判断a取值是否合适的依据是在满足系统动态响应需求的前提下，尽量让a取较小的值。

需要说明的是，本发明对于步骤S510中用到的滤波方式不做具体限制，但此滤波方法的原则是滤除高频分量、保留低频分量。

在步骤S520中，需要计算当前控制周期的转子位置值，该过程利用滤波后的电机转子转速值ω'和两次采样时间间隔△t，得到该控制周期的转子位置变化量，将该位置变化量累加到上一控制周期转子位置计算值上，得到当前控制周期转子位置计算值。

具体地说，滤波后电机转子转速乘以采样时间间隔，计算出当前控制周期的转子位置变化量，可以通过下列表达式得到当前控制周期转子位置变化量：

△θ_n＝ω'×△t

其中，△θ_n表示当前控制周期转子位置变化量，ω'表示滤波后转速值，△t表示连续两次采样的时间间隔。

本发明实施例中的控制方法是在初始位置θ₀为基础上累加上每一个采样周期计算得到的位置变化量△θ_n，从而得到当前采样周期的位置计算值。具体地，通过前一采样周期转子位置计算值累加当前控制周期的转子位置变化量，得到当前采样周期转子位置计算值，计算通式如下所示：

θ'_n＝θ'_n-1+△θ_n

其中，θ'_n-1表示上一控制周期转子位置计算值，△θ_n表示当前控制周期转子位置变化量，θ'_n表示当前控制周期转子位置计算值。另外，需要说明的是，当累加的当前控制周期位置信号计算值θ'_n大于360°时应减去360°，当累加的当前控制周期位置信号计算值θ'_n小于0°时需要加上360°。

由于当前控制周期的转子位置计算值是由多个前一控制周期位置信号计算值不断累加而成的，这会导致信号位置计算值与电机转子实际位置偏差越来越大的问题，因此为了解决这一问题，需要对当前控制周期的转子位置计算值进行闭环校正(步骤S530)，校正后的转子位置值即为最终得到的当前控制周期的转子位置信号。

需要说明的是，该校正是将实时获取到的当前控制周期的转子位置采样值与累加当前控制周期位置变化量得到的当前控制周期的转子位置计算值的偏差值乘以校正系数，来进行闭环校正。利用下述表达式，对当前控制周期的电机转子位置计算值θ'_n采用以下校正措施：

θ'_n＝θ'_n+k×(θ_n-θ'_n)

其中，k表示一个大于0且小于1的系数。通过调整k的取值，可调整对位置信号滤波的效果，k取值越小，滤波效果越强。k值的实际取值需综合考虑系统转速变化快慢、干扰强弱等因素，需通过调试和试验来确定。判断k取值是否合适的依据是：让电机转速快速变化，在保证电机控制良好的情况下尽量让k取较小的值。

由于在步骤S510～步骤S530的流程为针对单个控制周期的位置信号滤波方法，因此，要对以后每个控制周期重复上述计算过程，从而得到每个控制周期的位置值，最终输出滤波后的旋转变压器检测位置信号。

另外，图6为本发明实施例的用于旋转变压器的位置信号数字滤波系统的结构框图，该系统包括如下模块：电机转子转速获取模块61、转子位置计算模块62和校正模块63。

如图6所示，电机转子转速获取模块61获取当前控制周期采样得到的转子位置采样值，结合上一控制周期转子位置采样值和这两次采样转子位置的时间间隔计算得到当前电机转子转速，对当前控制周期的电机转子转速进行滤波。电机转子转速获取模块61包括两个单元：当前控制周期转子转速计算单元611和滤波单元612。当前控制周期转子转速计算单元611先获取当前控制周期的转子位置采样值，利用上一控制周期的转子位置采样值和采样时间间隔得到当前控制周期的电机转子转速；滤波单元612将当前控制周期电机转子转速进行滤波。

具体地，在本实施例中，利用如下表达式计算当前控制周期的电机转子转速：

其中，θ_n表示当前控制周期的电机转子位置的采样值，θ_n-1表示上一控制周期的电机转子位置的采样值，△t表示两次采样时间间隔，ω表示当前控制周期的电机转子转速。

另外，需要说明的是，滤波单元612滤除当前控制周期的电机转子转速中的高频分量、保留其中低频分量，采用的滤波方法包括：低通滤波、平均值滤波和中值滤波等，具体方法不作限定。本实施例采用低通滤波，对当前控制周期的转速值进行滤波，滤波方式如下表达式所示：

ω'＝(1-a)×ω'+a×ω

其中，a为一个大于0且小于1的系数。

接着，对转子位置计算模块62进行说明。转子位置计算模块62先根据滤波后电机转子转速和采样时间间隔得到当前控制周期的转子位置变化量，然后将该位置变化量与上一控制周期的转子位置计算值作加法运算，从而获得当前控制周期的转子位置计算值。转子位置计算模块62由当前控制周期转子位置变化量计算单元621和累加单元622构成。当前控制周期转子位置变化量计算单元621基于获得的滤波后转速值和时间间隔得到当前控制周期转子位置变化量；累加单元622根据上述当前控制周期转子位置变化量和上一控制周期的转子位置计算值得到当前控制周期转子位置计算值。

具体地，通过下列表达式得到当前控制周期转子位置变化量：

△θ_n＝ω'×△t

其中，△θ_n表示当前控制周期转子位置变化量，ω'表示滤波后转速值，△t表示采样时间间隔。

在本发明实施例的累加单元622中，该单元工作原理是以初始位置θ₀为基础上累加上每一个采样周期计算得到的位置变化量△θ_n，从而得到当前采样周期的位置计算值，具体地，该累加过程计算通式如下所示：

θ'_n＝θ'_n-1+△θ_n

其中，θ'_n-1表示上一控制周期转子位置计算值，△θ_n表示当前控制周期转子位置变化量，θ'_n表示当前控制周期转子位置计算值。另外，需要说明的是，当累加的当前控制周期位置信号计算值θ'_n大于360°时应减去360°，当累加的当前控制周期位置信号计算值θ'_n小于0°时需要加上360°。

最后，对校正模块63进行说明。该模块为了解决上述累加过程得到的当前控制周期转子位置计算值与实际位置的偏差越来越大的问题，需要对当前控制周期的转子位置计算值进行闭环校正。

具体地，该模块采用下列校正措施：

θ'_n＝θ'_n+k×(θ_n-θ'_n)

其中，k表示一个大于0且小于1的系数，通过调整k的取值，可调整对位置信号滤波的效果。

图7为本发明实施例的用于旋转变压器的位置信号数字滤波方法的标量图，其中，本实施例是针对单个控制周期信号的滤波方法，对每个控制周期都进行位置信号的滤波且每个控制周期只对位置信号采样一次。如图7所示，(1)式为第一个控制周期的位置信号滤波过程，最终获得第一个控制周期位置信号，以此类推，(n-1)式最终获得第n-1个控制周期的位置信号，(n)式获得第n个控制周期的位置信号。单个控制周期信号的滤波过程，其方法流程如图5中所示的步骤S510～S530，其中，每个控制周期的转子位置计算值都由上一周期的转子位置计算值累加而成，因此，获得当前控制周期的位置信号需要不断重复步骤S510～S530的全部计算过程，从而得到每个控制周期的位置值，最终输出滤波后的转子位置信号。

本实施例的滤波方法能够针对电机控制将采样控制频率进行相应的调整。具体地，采样频率越大，采样控制周期的时间间隔就越小，旋转变压器转子在同样旋转360°时所经历的控制周期数量就越多，提高了本发明滤波后位置信号的精度。

从上述实施例可以了解到，本发明利用转速变化相对较缓慢的特点，将转子位置信号进行数字滤波，该滤波方式采用先分段滤波，再累加，后校正的步骤，最终将位置信号进行整合。本发明的滤波方法，兼具了数字滤波方法实现灵活、成本低的特点，既可以降低对旋转变压器的精度要求、无需复杂的模拟滤波电路、减少安装维护系统的成本，又能够提高电机控制的精度和稳定性，改善系统运行性能。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种位置信号滤波方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一：获取当前控制周期采样得到的转子位置采样值，结合上一控制周期转子位置采样值和这两次采样转子位置的时间间隔计算得到当前控制周期的电机转子转速，对所述当前控制周期的电机转子转速进行滤波；

步骤二：基于滤波后电机转子转速和所述采样时间间隔得到当前控制周期内的转子位置变化量，根据所述位置变化量和上一控制周期计算得到的转子位置计算值得到当前控制周期的转子位置计算值；

步骤三：对所述当前控制周期的转子位置计算值进行闭环校正。

2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，进一步，在步骤一中，

滤去当前控制周期电机转子转速中的高频干扰分量，保留低频分量得到滤波后电机转子转速。

3.根据权利要求1或2中所述的方法，其特征在于，进一步，在步骤二中，

将所述滤波后电机转子转速乘以所述采样时间间隔，计算出当前控制周期的位置变化量，将该位置变化量累加到所述上一控制周期的电机转子位置计算值上，得到所述当前控制周期的转子位置计算值。

4.根据权利要求1～3中任一项所述方法，其特征在于，进一步，在步骤三中，

将所述当前控制周期的转子位置采样值与所述当前控制周期的转子位置计算值的差值乘以校正系数，来闭环校正所述当前控制周期转子位置计算值。

5.根据权利要求4中所述方法，其特征在于，利用下述表达式进行所述闭环校正：

θ′_n＝θ′_n+k×(θ_n-θ′_n)

其中，θ'_n表示当前控制周期的转子位置计算值，k表示一个大于0且小于1的校正系数，θ_n表示当前控制周期的转子位置采样值。

6.一种位置信号滤波系统，其特征在于，该系统包括如下模块：

电机转子转速获取模块，其获取当前控制周期采样得到的转子位置采样值，结合上一控制周期转子位置采样值和这两次采样转子位置的时间间隔计算得到当前控制周期的电机转子转速，对所述当前控制周期的电机转子转速进行滤波；

转子位置计算模块，其基于滤波后电机转子转速和所述采样时间间隔得到当前控制周期内的转子位置变化量，根据所述位置变化量和上一控制周期计算得到的转子位置计算值得到当前控制周期的转子位置计算值；

校正模块，其对所述当前控制周期的转子位置计算值进行闭环校正。

7.根据权利要求6中所述的系统，其特征在于，

所述电机转子转速获取模块，其进一步滤去当前控制周期电机转子转速中的高频干扰分量，保留低频分量得到滤波后电机转子转速。

8.根据权利要求6或7中所述的系统，其特征在于，

所述转子位置计算模块，其进一步将所述滤波后电机转子转速乘以所述采样时间间隔，计算出当前控制周期的转子位置变化量，将该位置变化量累加到所述上一控制周期电机转子位置计算值上，得到所述当前控制周期的转子位置计算值。

9.根据权利要求6～8中任一项所述的系统，其特征在于，

所述校正模块，其进一步将所述当前控制周期的转子位置采样值与所述当前控制周期的转子位置计算值的差值乘以校正系数，来闭环校正所述当前控制周期转子位置计算值。

10.根据权利要求9中所述的系统，其特征在于，所述校正模块其进一步利用下述表达式进行闭环校正，

θ′_n＝θ′_n+k×(θ_n-θ′_n)

其中，θ'_n表示当前控制周期的转子位置计算值，k表示一个大于0且小于1的校正系数，θ_n表示当前控制周期的转子位置采样值。