CN112350687A - 硬件滤波装置、方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种硬件滤波装置、方法和系统，涉及信号处理技术领域，硬件滤波装置包括滤波模块、信号处理模块和参数调整模块；其中，参数调整模块分别与滤波模块和信号处理模块连接；滤波模块用于对采集到的磁悬浮轴承传感器的信号进行初始滤波；信号处理模块用于对初始滤波后的磁悬浮轴承传感器信号进行预设的信号运算处理，得到实际滤波电阻值；参数调整模块用于基于实际滤波电阻值调整滤波参数，并根据调整后的滤波参数对滤波模块进行参数调整，以便进行硬件滤波。本发明可以降低人工生产成本，无需逐个调整硬件滤波电阻，提高滤波设备的产品一致性。

Description

硬件滤波装置、方法和系统

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，尤其是涉及一种硬件滤波装置、方法和系统。

背景技术

在现有磁悬浮轴承传感器的信号采集过程中，信号中的干扰会对磁悬浮轴承的稳定性控制产生很大的影响，因此需要对采集到的信号进行滤波处理。目前，滤波处理的方法包括软件滤波和硬件滤波，然而，软件滤波运算时间较长，同时由于增加控制延迟，导致了实时性控制降低；现有的硬件滤波虽然可以解决软件滤波存在的问题，但由于机械结构等原因，每台磁悬浮轴承传感器的高频频率不尽相同，因此需要根据每台磁悬浮轴承传感器的高频信号对滤波电阻进行人工更换，费时费力，且效率低下。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硬件滤波装置、方法和系统，可以降低人工生产成本，无需逐个调整硬件滤波电阻，提高滤波设备的产品一致性。

第一方面，本发明实施例提供一种硬件滤波装置，硬件滤波装置包括滤波模块、信号处理模块和参数调整模块；其中，参数调整模块分别与滤波模块和信号处理模块连接；

滤波模块用于对采集到的磁悬浮轴承传感器的信号进行初始滤波；

信号处理模块用于对初始滤波后的磁悬浮轴承传感器信号进行预设的信号运算处理，得到实际滤波电阻值；

参数调整模块用于基于实际滤波电阻值调整滤波参数，并根据调整后的滤波参数对滤波模块进行参数调整，以便进行硬件滤波。

在可选的实施方式中，信号处理模块包括依次连接的模数转换子模块和数字信号处理子模块；参数调整模块的两端分别连接滤波模块和数字信号处理子模块；

参数调整模块还用于基于数字信号处理子模块的计算结果通过串行总线设置滤波调整参数，并基于滤波调整参数确定滤波子模块的滤波参数。

在可选的实施方式中，参数调整模块包括电阻调整模块。

在可选的实施方式中，电阻调整模块包括数字电位器。

在可选的实施方式中，数字电位器包括分辨率为16bit、量程为100K的数字电位器。

在可选的实施方式中，装置还包括：初始化模块；

初始化模块用于通过数字信号处理子模块对参数调整模块进行初始化。

第二方面，本发明实施例提供一种硬件滤波方法，方法应用于前述实施方式任一项的硬件滤波装置；方法包括：

设置滤波器的滤波参数初始值；

基于滤波参数初始值对传感器信号进行初始滤波操作；

对初始滤波操作后的传感器信号进行预设的信号运算处理，得到实际滤波所需的电阻值；

基于实际滤波的电阻值调整滤波参数，基于调整后的滤波参数对滤波模块进行参数调整，以便进行硬件滤波。

在可选的实施方式中，对初始滤波操作后的传感器信号进行预设的信号运算处理，得到实际滤波电阻值的步骤，包括：

对初始滤波操作后的传感器信号进行模数转换，得到数字化的传感器信号；

对数字化的传感器信号进行数字信号处理，得到实际滤波电阻值。

在可选的实施方式中，对数字化的传感器信号进行数字信号处理，得到实际滤波电阻值的步骤，包括：

对数字化的传感器信号进行傅里叶变换，得到高频噪声频率；

基于高频噪声频率计算实际滤波电阻值。

第三方面，本发明实施例提供一种硬件滤波系统，系统包括前述实施方式任一项的硬件滤波装置，以及与硬件滤波装置连接的磁悬浮轴承传感器。

本发明提供的硬件滤波装置、方法和系统，该硬件滤波装置包括滤波模块、信号处理模块和参数调整模块；其中，参数调整模块分别与滤波模块和信号处理模块连接；滤波模块用于对采集到的磁悬浮轴承传感器的信号进行初始滤波；信号处理模块用于对初始滤波后的磁悬浮轴承传感器信号进行预设的信号运算处理，得到实际滤波电阻值；参数调整模块用于基于实际滤波电阻值调整滤波参数，并根据调整后的滤波参数对滤波模块进行参数调整，以便进行硬件滤波。通过上述硬件滤波装置对磁悬浮轴承传感器的信号进行滤波，可以降低人工生产成本，无需人工进行滤波电阻阻值的调整，同时提高滤波设备的产品一致性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种硬件滤波装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种硬件滤波装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种现有的带阻滤波器的滤波电路；

图4为本发明实施例提供的一种硬件滤波的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种硬件滤波方法的流程示意图；

图6为本发明实施例提供的一种硬件滤波系统的结构示意图。

图标：10-滤波模块；20-信号处理模块；30-参数调整模块；201-模数转换子模块；202-数字信号处理子模块。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

考虑到在采集磁悬浮传感器信号时，不同的磁悬浮轴承传感器信号不同，在高速旋转过程中带来高频噪声频率不同，因此进行滤波处理时需要人为的调整滤波电阻的阻值，且需要针对不同的产品进行调整，人工成本较高。基于此，本发明实施例提供了一种硬件滤波装置、方法和系统，可以降低人工生产成本，无需逐个调整硬件滤波电阻，同时提高滤波设备的产品一致性。

为便于理解，首先对本发明实施例提供的一种硬件滤波装置进行详细说明，参见图1所示的一种硬件滤波装置的结构示意图，该硬件滤波装置主要包括连接滤波模块10、信号处理模块20和参数调整模块30，其中，参数调整模块30分别与滤波模块10和信号处理模块20连接，滤波模块10分别与磁悬浮轴承传感器和信号处理模块20连接，参数调整模块30可以根据信号处理模块20的处理结果对滤波模块10进行反馈(也即参数调整)。在实际应用时，对磁悬浮控制过程中的传感器信号(也即磁悬浮轴承传感器的信号)进行采集，由于不同的磁悬浮轴承传感器信号不同，因此首先通过滤波模块10对采集到的磁悬浮轴承传感器的信号进行初始滤波，该初始滤波可以为：将滤波模块10(也可以为滤波器)的初始参数设定为一个固定值，诸如1K，此时滤波器对磁悬浮轴承传感器信号不起任何滤波作用。滤波模块10的初始参数首先设置为固定值是为了根据设置的参数调整模块30进行准确的滤波参数输出，从而可以准确的进行信号的滤波。在一种实施方式中，参数调整模块30可以包括可以调节通路阻值的设备。信号处理模块20用于对初始滤波后的磁悬浮轴承传感器信号进行预设的信号运算处理，得到实际滤波电阻值，该预设的信号运算处理诸如可以包括模数转换、数字信号处理(也可以简称DSP)等操作。参数调整模块30可以基于信号处理模块20运算得到的实际滤波电阻值进行滤波参数的调整，并根据调整后的滤波参数对滤波模块10进行参数调整，从而可以准确的确定滤波模块10的滤波参数，以便对磁悬浮轴承传感器的信号进行硬件滤波。

本发明实施例提供的硬件滤波装置，通过可以用于调整通路阻值的参数调整模块30，可以根据信号处理模块20的计算结果进行计算参数调整模块30的参数，以便基于该参数对滤波模块10进行参数调整，从而无需人工进行滤波电阻阻值的调整，可以降低人工生产成本，同时提高了信号滤波设备的产品一致性。

在一种实施方式中，信号处理模块20主要可以包括依次连接的模数转换子模块201和数字信号处理子模块202，因此，硬件滤波装置还可以参见图2所示的另一种硬件滤波装置的结构示意图，参数调整模块30的两端分别连接滤波模块10和数字信号处理子模块202，在进行硬件滤波时，首先通过滤波模块10进行初始滤波，在进行初始滤波时，同样可以参照上述初始滤波的方式进行滤波模块10的参数设定。在进行初始滤波后，通过模数转换子模块201对磁悬浮轴承传感器信号进行模数转换(也可以简称为AD转换)，并将经过模数转换的信号通过数字信号处理子模块202进行数字信号处理，该数字信号处理子模块202诸如可以是DSP板，通过该DSP板进行傅里叶变换后得出高频噪声的频率K，DSP板进一步根据高频噪声频率K运算得出所需滤波器(也即调整参数后的滤波模块10)的实际滤波电阻值R，然后通过数字信号处理器根据数字信号处理子模块202的计算结果通过串行总线设置滤波调整参数，也即根据计算得到的电阻值R通过SPI串行总线设置参数调整模块30的输出值，并基于滤波调整参数确定滤波子模块的滤波参数。

在一种实施方式中，上述参数调整模块30可以包括电阻调整模块，电阻调整模块也即通过数字化编程进行电阻阻值调整的模块。

在一种实施方式中，上述电阻调整模块可以具体为数字电位器。诸如，可以选用分辨率为16bit、量程为100K、电阻分辨率1.5Ω的数字电位器。数字电位器通过串行总线接口，配置较简单。为便于理解，以带阻滤波器电路为例进行说明，首先参见图3所示的一种现有的带阻滤波器的滤波电路，该电路的截止频率为F＝1/2πRC，根据图3中参数所示，则确定截止频率为2.84KHz。通过本实施例的硬件滤波装置实现图3中的电路滤波，可以通过图4所示的一种硬件滤波的示意图进行硬件滤波，通过将图3中的电阻R1、R2接到数字电位器的通道上实现，数字电位器可以选用MCP42100双通道数字电位器，电阻输出范围0至100KΩ。

此外，本实施例的硬件滤波装置可以包括初始化模块，该初始化模块用于通过数字信号处理子模块202对参数调整模块30进行初始化。诸如在磁悬浮控制初始化过程中，磁悬浮控制初始化需要将传感器进行原始数据采集并自动寻找磁轴承中心零点，初始化脉冲宽度调制(Pulse width modulation，PWM)控制输出为0以及将滤波器参数初始化，从而实现对参数调整模块30进行初始化，也即设置数字电位器的初始值。

针对上述硬件滤波装置，本发明实施例提供了一种硬件滤波方法，该方法应用于前述实施方式任一项的硬件滤波装置，参见图5所示的一种硬件滤波方法的流程示意图，该方法主要包括如下步骤S502至步骤S508：

步骤S502，设置滤波器的滤波参数初始值；

步骤S504，基于滤波参数初始值对传感器信号进行初始滤波操作；

步骤S506，对初始滤波操作后的传感器信号进行预设的信号运算处理，得到实际滤波所需的电阻值；

步骤S508，基于实际滤波的电阻值调整滤波参数，基于调整后的滤波参数对滤波模块进行参数调整，以便进行硬件滤波。

本发明实施例提供的硬件滤波方法，通过可以用于调整通路阻值的参数调整模块，可以根据信号处理模块的计算结果进行计算参数调整模块的参数，以便基于该参数对滤波模块进行参数调整，从而无需人工进行滤波电阻阻值的调整，可以降低人工生产成本，同时提高了信号滤波设备的产品一致性。

在一种实施方式中，在对初始滤波操作后的传感器信号进行预设的信号运算处理，得到实际滤波电阻值时，首先对初始滤波操作后的传感器信号进行模数转换，得到数字化的传感器信号，进而对数字化的传感器信号进行数字信号处理，得到实际滤波电阻值。具体的，在对数字化的传感器信号进行数字信号处理，得到实际滤波电阻值时，可以首先对数字化的传感器信号进行傅里叶变换，得到高频噪声频率，进而基于高频噪声频率计算实际滤波电阻值。

本发明实施例还提供了一种硬件滤波系统，参见图6所示的一种硬件滤波系统的结构示意图，该硬件滤波系统包括前述实施方式任一项的硬件滤波装置，以及与硬件滤波装置连接的磁悬浮轴承传感器。

本发明实施例提供的硬件滤波系统，由于包括简述任一项实施方式中的硬件滤波装置，因此通过可以用于调整通路阻值的参数调整模块，可以根据信号处理模块的计算结果进行计算参数调整模块的参数，以便基于该参数对滤波模块进行参数调整，从而无需人工进行滤波电阻阻值的调整，可以降低人工生产成本，同时提高了信号滤波设备的产品一致性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种硬件滤波装置，其特征在于，所述硬件滤波装置包括滤波模块、信号处理模块和参数调整模块；其中，所述参数调整模块分别与所述滤波模块和信号处理模块连接；

所述滤波模块用于对采集到的磁悬浮轴承传感器的信号进行初始滤波；

所述信号处理模块用于对初始滤波后的磁悬浮轴承传感器信号进行预设的信号运算处理，得到实际滤波电阻值；

所述参数调整模块用于基于所述实际滤波电阻值调整滤波参数，并根据调整后的滤波参数对所述滤波模块进行参数调整，以便进行硬件滤波。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号处理模块包括依次连接的模数转换子模块和数字信号处理子模块；所述参数调整模块的两端分别连接所述滤波模块和数字信号处理子模块；

所述参数调整模块还用于基于所述数字信号处理子模块的计算结果通过串行总线设置滤波调整参数，并基于所述滤波调整参数确定所述滤波模块的滤波参数。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述参数调整模块包括电阻调整模块。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述电阻调整模块包括数字电位器。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述数字电位器包括分辨率为16bit、量程为100K、电阻分辨率1.5Ω的数字电位器。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：初始化模块；

所述初始化模块用于通过所述数字信号处理子模块对所述参数调整模块进行初始化。

7.一种硬件滤波方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1至6任一项所述的硬件滤波装置；所述方法包括：

设置滤波器的滤波参数初始值；

基于滤波参数初始值对传感器信号进行初始滤波操作；

对初始滤波操作后的传感器信号进行预设的信号运算处理，得到实际滤波所需的电阻值；

基于所述实际滤波的电阻值调整滤波参数，基于调整后的滤波参数对所述滤波模块进行参数调整，以便进行硬件滤波。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述对初始滤波操作后的传感器信号进行预设的信号运算处理，得到实际滤波电阻值的步骤，包括：

对所述初始滤波操作后的传感器信号进行模数转换，得到数字化的传感器信号；

对所述数字化的传感器信号进行数字信号处理，得到所述实际滤波电阻值。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述对所述数字化的传感器信号进行数字信号处理，得到所述实际滤波电阻值的步骤，包括：

对所述数字化的传感器信号进行傅里叶变换，得到高频噪声频率；

基于所述高频噪声频率计算所述实际滤波电阻值。

10.一种硬件滤波系统，其特征在于，所述系统包括权利要求1至6任一项所述的硬件滤波装置，以及与所述硬件滤波装置连接的磁悬浮轴承传感器。

Images