CN109525214B - Fir滤波器的滤波方法、fir滤波器及伺服驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及数据处理领域，公开了一种FIR滤波器的滤波方法、FIR滤波器及伺服驱动器。本发明中，一种FIR滤波器的滤波方法，包括：比较计算序列与滤波器的阶数的大小；当计算序列大于或者等于滤波器的阶数时，通过

进行滤波计算；其中，n代表计算序列，N代表滤波器的阶数，N≥1，x(i)代表滤波器的第i次的滤波输入值，y(n)代表滤波器的第n次的滤波输出值；b(m)代表滤波器缓存的第m次的滤波输入值。本实施例还提供了FIR滤波器及伺服驱动器，使得在滤波输入值发生改变的时候，既能保证在设定的滤波周期内输出滤波，又使得输出的滤波为平滑的滤波，有效防止对电机等的冲击力过大。

Description

FIR滤波器的滤波方法、FIR滤波器及伺服驱动器

技术领域

本发明实施例涉及数据处理领域，特别涉及一种FIR滤波器的滤波方法、FIR滤波器及伺服驱动器。

背景技术

有限长单位冲激响应滤波器(Finite Impulse Response，简称“FIR滤波器”)，又称为非递归型滤波器，是数字信号处理系统中最基本的元件，它可以在保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，同时其单位抽样响应是有限长的，因而滤波器是稳定的系统。因此，FIR滤波器在通信、图像处理、模式识别等领域都有着广泛的应用。

在实际应用中，通常需要在伺服驱动器中使用FIR滤波器进行滤波处理，使得电机按照配置的滤波周期完成准确位置上的平滑输出，即，使得滤波输出值在滤波周期内等于滤波输入值。目前，FIR滤波器通常采用

这一公式对滤波输入值进行滤波处理，其中，n代表计算序列，n≥0；y(n)代表滤波器的第n次的输出值；N代表滤波器的阶数，N≥1；i代表系数序列，范围从0至(N-1)；x(n-i)代表滤波器的第n-i次的输入值。

然而，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：在对滤波数据进行处理过程中，滤波输入值通常会发生变化，而滤波输入值一旦变化，如果根据现有公式计算，不能保证在设置的滤波周期之后平滑到位，即不能使得滤波输出值在滤波周期内等于滤波输入值，会导致对电机的冲击力过大。

发明内容

本发明实施方式的目的在于提供一种FIR滤波器的滤波方法、FIR滤波器及伺服驱动器，使得在滤波输入值发生改变的时候，既能保证在设定的滤波周期内输出滤波，又使得输出的滤波为平滑的滤波，有效防止对电机等的冲击力过大。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种FIR滤波器的滤波方法，包括：比较计算序列与滤波器的阶数的大小；当计算序列大于或者等于滤波器的阶数时，通过

进行滤波计算；其中，n代表计算序列，N代表滤波器的阶数，N≥1，x(i)代表滤波器的第i次的滤波输入值，y(n)代表滤波器的第n次的滤波输出值；b(m)代表滤波器缓存的第m次的滤波输入值。

本发明的实施方式还提供了一种FIR滤波器，包括：比较模块、第一计算模块、缓存模块；比较模块，用于比较计算序列与滤波器的阶数的大小；第一计算模块，用于当计算序列大于或者等于滤波器的阶数时，通过

进行滤波计算；其中，n代表计算序列，N代表滤波器的阶数，N≥1，x(i)代表滤波器的第i次的滤波输入值，y(n)代表滤波器第n次的滤波输出值；b(m)代表滤波器缓存的第m次的滤波输入值；缓存模块，用于缓存滤波器的第m次的滤波输入值。

本发明的实施方式还提供了一种伺服驱动器，伺服驱动器包括如上述的FIR滤波器。

本发明实施方式相对于现有技术而言，提供了一种FIR滤波器的滤波方法，改良了滤波器的计算公式：比较计算序列与滤波器的阶数的大小；当计算序列大于或者等于滤波器的阶数时，通过

进行滤波计算，保证位置指令一旦变化之时，到设置的滤波周期时刻，滤波器平滑输出数据，一直到输出值等于输入值。通过在传统公式的基础上，增加了一段缓存序列b(m)，用于保存输入的最初的滤波输入值，即b(m)＝x(n)；当计算序列大于或者等于滤波器的阶数，即n≥N时，将前n次输入之和减去缓存的滤波输入值再除以N，以保证此后的滤波输出值等于滤波输入值，保持不变。使得在滤波输入值发生改变的时候，既能保证在设定的滤波周期内输出滤波，又使得输出的滤波为平滑的滤波，有效防止对电机等的冲击力过大。

另外，当计算序列小于滤波器的阶数时，通过如下公式进行滤波计算：

其中，n代表计算序列，N代表滤波器的阶数，N≥1，x(i)代表滤波器的第i次的滤波输入值，y(n)代表滤波器的第n次的滤波输出值。本实施例提供了当计算序列小于滤波器的阶数时的滤波计算公式。

另外，在比较计算序列与滤波器的阶数的大小之前，还包括：获取滤波器的滤波周期以及采样周期；根据滤波周期以及采样周期计算滤波器的阶数；其中，滤波器的阶数＝滤波周期/采样周期。本实施例提供了关于滤波器的阶数的计算公式。

另外，滤波器缓存的第m次的滤波输入值，具体通过滤波器的缓冲区buff缓存第m次的滤波输入值。本实施例提供了缓存第m次的滤波输入值的具体实现形式。

另外，计算序列，具体通过滤波器的计数器记录计算序列。本实施例提供了记录计算序列的具体实现形式。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是根据本发明第一实施方式的FIR滤波器的滤波方法的流程图；

图2是现有技术中的FIR滤波器的滤波效果对比图；

图3是根据本发明第二实施方式的FIR滤波器的滤波方法的流程图；

图4是根据本发明第三实施方式的FIR滤波器的结构连接示意图；

图5是根据本发明第四实施方式的FIR滤波器的结构连接示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种FIR滤波器的滤波方法。本实施方式的核心在于比较计算序列与滤波器的阶数的大小；当计算序列大于或者等于滤波器的阶数时，通过

进行滤波计算；其中，n代表计算序列，N代表滤波器的阶数，N≥1，x(i)代表滤波器的第i次的滤波输入值，y(n)代表滤波器的第n次的滤波输出值；b(m)代表滤波器缓存的第m次的滤波输入值。通过在传统公式的基础上，增加了一段缓存序列b(m)，用于保存输入的最初的滤波输入值，即b(m)＝x(n)；当计算序列大于或者等于滤波器的阶数，即n≥N时，将前n次输入之和减去缓存的滤波输入值再除以N，以保证此后的滤波输出值等于滤波输入值，保持不变。使得在滤波输入值发生改变的时候，既能保证在设定的滤波周期内输出滤波，又使得输出的滤波为平滑的滤波，有效防止对电机等的冲击力过大。

下面对本实施方式的FIR滤波器的滤波方法的实现细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须。

首先需要说明的是，本实施例中的FIR滤波器主要为用于位置平滑的FIR，在实际应用中，使用FIR滤波器进行滤波处理时，需要给FIR滤波器发送一位置指令，该位置指令表征的内容即为滤波输入值，输入该位置指令的目的是使得滤波器按照配置的滤波周期(比如3ms)完成准确的平滑输出，本实施例中的使得“准确的平滑输出”即意味着使得滤波输出值在滤波周期内等于滤波输入值。在一个例子中，滤波周期为4ms，当滤波输入值为100时，即意味着要求滤波器的滤波输出值在第4ms时变成100。参见图2，图2为现有技术中的FIR滤波器的滤波效果对比图，在图2中，横坐标t代表时间，纵坐标Inc为编码器的单位，用于表征位置(此处仅为一个示例，纵坐标的单位根据编码器的不同类型对应有不同的表示方式)。其中，“滤波前的位置指令”指示的图形为没有经过滤波器滤波的图形，从图中可以看出，若不经过滤波器滤波，使得滤波输出值直接等于滤波输入值，这样做，没有一个缓冲的过程，使得对电机造成较大的冲击；“滤波后的位置指令”指示的图形为经过滤波器滤波的图形，从图中可以看出，若经过滤波器滤波，使得在设定的滤波周期内(图中示出了2个滤波周期)完成平滑的滤波，避免了对电机造成的冲击。

现有技术中的缺陷是：在对滤波数据进行处理过程中，滤波输入值通常会发生变化，而滤波输入值一旦变化，如果根据现有公式计算，不能保证在设置的滤波周期之后平滑到位，即不能使得滤波输出值在滤波周期内等于滤波输入值，会导致对电机的冲击力过大。比如说，若位置指令从10变到20，即需要控制电机从转10圈到20圈，但是当下电机可能才转到第5圈，这就使得在实际上电机从5圈到20圈，如果根据现有公式计算，不能保证在设置的滤波周期之后平滑到位，导致对电机的冲击力过大。

本实施例中，改良了滤波器的计算公式，在传统公式的基础上增加了一段缓存序列b(m)，用于保存输入的最初的滤波输入值，即b(m)＝x(n)；当计算序列大于或者等于滤波器的阶数，即n≥N时，将前n次输入之和减去缓存的滤波输入值再除以N，以保证此后的滤波输出值等于滤波输入值，保持不变。使得在滤波输入值发生改变的时候，既能保证在设定的滤波周期内输出平滑的滤波，有效防止对电机等的冲击力过大。

本实施方式中的FIR滤波器的滤波方法的流程图如图1所示，包括：

步骤101，比较计算序列与滤波器的阶数的大小。

具体的说，本实施例中可以通过滤波器的计数器记录计算序列。计算序列为从0开始依次加1的自然数，比如进行第一次滤波计算的计算序列为0，进行第二次滤波计算的计算序列为1，进行第三次滤波计算的计算序列为2……以此类推。

具体的说，本实施例中的滤波器的阶数与现有技术中的滤波器的阶数相同。简单的理解，即为滤波几次的意思，滤波器的阶数为1时，就是滤波1次，滤波器的阶数为2时，就是滤波2次，如此往下推即可。一般来说，滤波器的阶数越高，滤波效果越好，但是，成本也会成倍的增加。

步骤102，当计算序列大于或者等于滤波器的阶数时，通过

进行滤波计算。

其中，n代表计算序列，N代表滤波器的阶数，N≥1，x(i)代表滤波器的第i次的滤波输入值，y(n)代表滤波器的第n次的滤波输出值；b(m)代表滤波器缓存的第m次的滤波输入值。

步骤103，当计算序列小于滤波器的阶数时，通过

进行滤波计算。

其中，n代表计算序列，N代表滤波器的阶数，N≥1，x(i)代表滤波器的第i次的滤波输入值，y(n)代表滤波器的第n次的滤波输出值。

具体的说，当计算序列小于滤波器的阶数(即n＜N)时，每个计算序列的输出等于前n次滤波输入之和/N，以保证每个计算序列的滤波输出能平滑输出(以固定的值累加输出)，直到n＝N-1时(n从0计数)最终的滤波输出值等于滤波输入值，完成平滑的滤波输出。

结合步骤102和步骤103，本实施例中的FIR滤波器公式可以如下表示：

以下对步骤102和步骤103中的内容进行说明：

当计算序列n小于滤波器的阶数N，即n＜N时，通过

进行滤波计算。在一个例子中，滤波周期为2ms，滤波器的阶数N为4，滤波输入值是100，则滤波计算过程如下：

计算序列0＜4，x(0)＝100，则y(0)＝x(0)/N＝100/4＝25；

计算序列1＜4，x(1)＝100，则

计算序列2＜4，x(2)＝100，则

计算序列3＜4，x(3)＝100，则

也就是说，在滤波周期(2ms)后，使得位置输出值等于位置输入值，完成滤波。

当计算序列n大于或者等于滤波器的阶数N时，即n≥N时，通过

进行滤波计算。在上述例子中(本例子是计算序列n小于滤波器的阶数N时的例子的延续)，

本实施例中，在滤波输入值不变的情况下，通过此公式即可使得位置输出值等于位置输入值，完成平滑的滤波输出。比如说，计算序列4≥4，滤波输入值仍然是100，即x(4)＝100，则

验证了从第(3+0)次开始，即2ms后，y＝x＝100。

若滤波输入值由100变为200，则滤波计算过程如下：

计算序列4≥4，x(4)＝200：

计算序列5≥4，x(5)＝200：

计算序列6≥4，x(6)＝200：

计算序列7≥4，x(7)＝200：

计算序列8≥4，x(8)＝200：

也就是说，从第(7+0)次开始，即在位置输入值从100变为200后的2ms(滤波周期)后，使得位置输出值等于位置输入值，完成滤波。

具体的说，滤波器缓存的第m次的滤波输入值，可以通过滤波器的缓冲区buff缓存第m次的滤波输入值。

需要说明的是，本实施例中的x(0)＝100，x(1)＝100......直到x(3)＝100，说明位置输入值一直没有发生改变，在滤波器进行滤波计算过程中，每计算一次就需要获取一次位置输入值，但在实际应用中，用户只需输入一次位置输入值100即可，直到需要改变位置输入值，则再输入一次改变后的位置输入值。

与现有技术相比，本实施方式提供了一种FIR滤波器的滤波方法，改良了滤波器的计算公式：比较计算序列与滤波器的阶数的大小；当计算序列大于或者等于滤波器的阶数时，通过

进行滤波计算，保证位置指令一旦变化之时，到设置的滤波周期时刻，滤波器平滑输出数据，一直到输出值等于输入值。通过在传统公式的基础上，增加了一段缓存序列b(m)，用于保存输入的最初的滤波输入值，即b(m)＝x(n)；当计算序列大于或者等于滤波器的阶数，即n≥N时，将前n次输入之和减去缓存的滤波输入值再除以N，以保证此后的滤波输出值等于滤波输入值，保持不变。使得在滤波输入值发生改变的时候，既能保证在设定的滤波周期内输出滤波，又使得输出的滤波为平滑的滤波，有效防止对电机等的冲击力过大。

本发明的第二实施方式涉及一种FIR滤波器的滤波方法。本实施方式是在第一实施方式的基础上做了进一步改进，具体改进之处在于：本实施方式中，通过在比较计算序列与滤波器的阶数的大小之前，进一步获取滤波器的滤波周期以及采样周期；根据滤波周期以及采样周期计算滤波器的阶数；其中，滤波器的阶数＝滤波周期/采样周期，本实施例提供了关于滤波器的阶数的计算公式。

本实施方式中的FIR滤波器的滤波方法的流程图如图3所示，包括：

步骤201，获取滤波器的滤波周期以及采样周期。

具体的说，滤波周期可以由用户根据实际需求进行设定，采样周期即为FIR滤波器的计算周期，一般情况下可以在计算软件中提前设置好。

步骤202，根据滤波周期以及采样周期计算滤波器的阶数。

其中，滤波器的阶数＝滤波周期/采样周期。在一个例子中，滤波周期＝2ms，采样周期＝0.5ms，则滤波器的阶数N＝2/0.5＝4。

步骤203，比较计算序列与滤波器的阶数的大小。

步骤204，当计算序列大于或者等于滤波器的阶数时，通过

进行滤波计算。

其中，n代表计算序列，N代表滤波器的阶数，N≥1，x(i)代表滤波器的第i次的滤波输入值，y(n)代表滤波器的第n次的滤波输出值；b(m)代表滤波器缓存的第m次的滤波输入值。

步骤205，当计算序列小于滤波器的阶数时，通过

进行滤波计算。

其中，n代表计算序列，N代表滤波器的阶数，N≥1，x(i)代表滤波器的第i次的滤波输入值，y(n)代表滤波器的第n次的滤波输出值。

由于本实施方式中步骤203至步骤205与第一实施方式中步骤101至步骤103大致相同，旨在比较计算序列与滤波器的阶数的大小；当计算序列大于或者等于滤波器的阶数时，通过

进行滤波计算；当计算序列小于滤波器的阶数时，通过

进行滤波计算，此处不再赘述。

与现有技术相比，本实施方式提供的一种FIR滤波器的滤波方法，通过在比较计算序列与滤波器的阶数的大小之前，进一步获取滤波器的滤波周期以及采样周期；根据滤波周期以及采样周期计算滤波器的阶数；其中，滤波器的阶数＝滤波周期/采样周期，本实施例提供了关于滤波器的阶数的计算公式。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包括相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本发明第三实施方式涉及一种FIR滤波器，如图4所示，包括：比较模块11、第一计算模块12、缓存模块13。

具体的说，比较模块11，用于比较计算序列与滤波器的阶数的大小；第一计算模块12，用于当比较模块11得出所述计算序列大于或者等于所述滤波器的阶数时，通过如下公式进行滤波计算：

其中，n代表计算序列，N代表滤波器的阶数，N≥1，x(i)代表滤波器的第i次的滤波输入值，y(n)代表滤波器第n次的滤波输出值；b(m)代表滤波器缓存的第m次的滤波输入值；缓存模块13，用于缓存滤波器的第m次的滤波输入值。

另外，FIR滤波器，还可以包括：第二计算模块14；第二计算模块14用于当比较模块11得出计算序列小于滤波器的阶数时，通过如下公式进行滤波计算：

其中，n代表计算序列，N代表滤波器的阶数，N≥1，x(i)代表滤波器的第i次的滤波输入值，i的范围为0至n，y(n)代表滤波器第n次的滤波输出值。

值得一提的是，FIR滤波器可以为伺服驱动器中的平滑滤波器。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的装置实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。

本发明第四实施方式涉及一种FIR滤波器。第四实施方式是在第三实施方式的基础上作了进一步改进，具体改进之处在于：在本发明第四实施方式中，FIR滤波器，还包括：获取模块21、第三计算模块22，如图5所示。

具体的说，获取模块21，用于在比较模块11比较计算序列与所述滤波器的阶数的大小之前，获取滤波器的滤波周期以及采样周期；第三计算模块22，用于根据获取模块21获取到的滤波周期以及采样周期计算滤波器的阶数；其中，滤波器的阶数＝滤波周期/采样周期。

由于第二实施方式与本实施方式相互对应，因此本实施方式可与第二实施方式互相配合实施。第二实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，在第二实施方式中所能达到的技术效果在本实施方式中也同样可以实现，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第二实施方式中。

本发明第五实施方式涉及一种伺服驱动器，伺服驱动器包括第三实施方式或第四实施方式中任一项所述的FIR滤波器

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种FIR滤波器的滤波方法，其特征在于，包括：

比较计算序列与所述滤波器的阶数的大小；

当所述计算序列大于或者等于所述滤波器的阶数时，通过

进行滤波计算；

其中，所述n代表所述计算序列，所述N代表所述滤波器的阶数，所述N≥1，所述x(i)代表所述滤波器的第i次的滤波输入值，所述y(n)代表所述滤波器的第n次的滤波输出值；所述b(m)代表所述滤波器缓存的第m次的滤波输入值；

其中，当所述计算序列小于所述滤波器的阶数时，通过如下公式进行滤波计算：

其中，所述n代表所述计算序列，所述N代表所述滤波器的阶数，所述N≥1，所述x(i)代表所述滤波器的第i次的滤波输入值，所述y(n)代表所述滤波器的第n次的滤波输出值。

2.根据权利要求1所述的FIR滤波器的滤波方法，其特征在于，在所述比较计算序列与所述滤波器的阶数的大小之前，还包括：

获取所述滤波器的滤波周期以及采样周期；

根据所述滤波周期以及所述采样周期计算所述滤波器的阶数；其中，所述滤波器的阶数＝所述滤波周期/所述采样周期。

3.根据权利要求1或2所述的FIR滤波器的滤波方法，其特征在于，所述滤波器缓存的第m次的滤波输入值，具体通过所述滤波器的缓冲区buff缓存所述第m次的滤波输入值。

4.根据权利要求1或2所述的FIR滤波器的滤波方法，其特征在于，所述计算序列，具体通过所述滤波器的计数器记录所述计算序列。

5.一种FIR滤波器，其特征在于，包括：比较模块、第一计算模块、缓存模块；

所述比较模块，用于比较计算序列与所述滤波器的阶数的大小；

所述第一计算模块，用于当所述比较模块得出所述计算序列大于或者等于所述滤波器的阶数时，通过

进行滤波计算；

其中，所述n代表计算序列，所述N代表所述滤波器的阶数，所述N≥1，所述x(i)代表所述滤波器的第i次的滤波输入值，所述y(n)代表所述滤波器第n次的滤波输出值；所述b(m)代表所述滤波器缓存的第m次的滤波输入值；

所述缓存模块，用于缓存所述滤波器的第m次的滤波输入值；

其中，所述FIR滤波器，还包括：第二计算模块；

所述第二计算模块，用于当所述比较模块得出所述计算序列小于所述滤波器的阶数时，通过如下公式进行滤波计算：

其中，所述n代表计算序列，所述N代表所述滤波器的阶数，所述N≥1，所述x(i)代表所述滤波器的第i次的滤波输入值，所述i的范围为0至n，所述y(n)代表所述滤波器第n次的滤波输出值。

6.根据权利要求5中所述的FIR滤波器，其特征在于，所述FIR滤波器，还包括：获取模块、第三计算模块；

所述获取模块，用于在所述比较模块比较计算序列与所述滤波器的阶数的大小之前，获取所述滤波器的滤波周期以及采样周期；

所述第三计算模块，用于根据所述获取模块获取到的所述滤波周期以及所述采样周期计算所述滤波器的阶数；其中，所述滤波器的阶数＝所述滤波周期/所述采样周期。

7.根据权利要求5中所述的FIR滤波器，其特征在于，所述FIR滤波器为伺服驱动器中的平滑滤波器。

8.一种伺服驱动器，其特征在于，所述伺服驱动器包括如权利要求5至7中任一项所述的FIR滤波器。

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