CN112880608A - 传感器信息融合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种传感器信息融合方法，包括：获取第一板片式位移传感器和第二板片式位移传感器输出的差分信号，所述差分信号作为差分放大器输入信号，得到第一线位移信号，利用模数转换电路采集所述第一线位移信号，得到第一线位移传感器数字信号；利用旋变解码芯片解析旋转变压器输出的旋变信号得到电机转速数字信号，利用积分器对所述电机转速数字信号进行积分，得到电机转速积分信号。根据所述电机转速积分信号和所述第一线位移传感器数字信号得到第二线位移数字信号。该方法改进双冗余线位移板片的供电方式，并将利用板片式位移传感器等取得的第一线位移数字信号与电机转速积分得到的电机转速积分信号进行融合，从而获得动态响应良好、数值可靠的第二线位移数字信号。

Description

传感器信息融合方法
技术领域
本发明涉及机电伺服系统传感器信息融合技术领域，尤其涉及一种传感器信息融合方法。
背景技术
机电伺服系统相对于液压伺服系统具有成本低、免维护等优点，近年来在航天领域中应用范围逐渐扩大。随着电机驱动技术的发展，机电伺服系统逐渐向大功率、集成化方向发展。机电伺服系统供电电压等级有160V、270V、400V等。随着电压的提高，对伺服控制驱动器的电磁兼容性提出了更高的要求，尤其是控制部分电路对于功率驱动电路的抗干扰能力。其中包括控制部分电路中的传感器信息采集功能电路。在大功率机电伺服系统研制过程中发现，当供电电压等级达到400V时，伺服系统的位移传感器模拟信号会受到干扰，这对机电伺服系统的闭环控制和伺服系统性能造成了较大的影响。
目前，针对大功率机电伺服系统中传感器信息融合的研究并不多。现有机电伺服系统使用的双冗余线位移板片为同极性供电，不具有抑制共模干扰的能力；现有机电伺服系统传感器信息一般采用切比雪夫滤波器、平均值滤波器等对测量数据进行滤波，但是并没有对伺服系统中多个传感器数据进行融合，在高电压下传感器信号易受干扰，导致位置输出抖动。如何提高伺服位移数据可靠性和准确度获得动态响应良好、数值可靠的伺服位移数据是目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供一种传感器信息融合方法和传感器信息融合装置，改进双冗余线位移板片的供电方式，并将利用板片式位移传感器取得的第一线位移数字信号与电机转速数据积分得到的电机转速积分信号进行融合，从而获得动态响应良好、数值可靠的第二线位移数字信号。
本发明第一方面，提供一种传感器信息融合方法，包括：获取第一板片式位移传感器和第二板片式位移传感器输出的差分信号。
所述差分信号作为差分放大器输入信号，得到第一线位移信号。
利用模数转换电路采集所述第一线位移信号，得到第一线位移数字信号。
利用旋变解码芯片解析旋变信号得到电机转速数字信号。
利用积分器对所述电机转速数字信号进行积分，得到电机转速积分信号。
根据所述电机转速积分信号和所述第一线位移数字信号得到第二线位移数字信号。
根据本发明的一个实施例，所述第一板片式位移传感器和第二板片式位移传感器输出的差分信号通过双绞电缆传输。
根据本发明的一个实施例，第一板片式位移传感器和第二板片式位移传感器输出的差分信号通过第一板片式位移传感器和第二板片式位移传感器并列安装的方法实现，包括：
第一板片式位移传感器和第二板片式位移传感并列安装且所述第一板片式位移传感器和第二板片式位移传感的同向端接不同的供电电压。
第一电刷在所述第一板片式位移传感器上下滑动；所述第二电刷在所述第二板片式位移传感上下滑动。
根据本发明的一个实施例，所述第一线位移信号包括与所述第一板片式位移传感器线位移信号和所述第二板片式位移传感器线位移信号相关的传感器线位移信号，所述第一线位移信号与所述第一板片式位移传感器线位移信号的极性、幅值相同。
根据本发明的一个实施例，所述第二线位移数字信号，包括：经过一阶低通滤波的所述第一线位移数字信号和所述一阶高通滤波的所述电机转速积分信号。
根据本发明的一个实施例，所述第二线位移数字信号或者包括：经过二阶低通滤波的所述第一线位移数字信号和所述二阶高通滤波的所述电机转速积分信号。
本发明第二方面，公开了一种存储介质，包括：可读存储介质和计算机指令，所述计算机指令存储在所述可读存储介质中；所述计算机指令用于实现以上任一项所述的传感器信息融合方法。
本发明第三方面，一种计算机程序，其特征在于，所述计算机程序当传感器信息融合装置执行时使得传感器信息融合装置以上任一项所述的传感器信息融合方法。
本发明提供的有益效果：通过改进线位移板片的供电方式，并将线位移传感器的稳态优秀特点与伺服电机转速积分动态响应好的优点进行融合，得到更可靠的伺服位移信号。该方法对强电磁干扰环境具有很好的适用性，能够较好的过滤线伺服位移数据的噪声，对于大功率机电伺服系统有一定的应用价值。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1为本发明实施例公开的双冗余线位移板片原理图；
图2为本发明实施例公开的线位移信号差分对示意图；
图3为本发明实施例公开的信号流图；
图4为本发明实施例公开的一阶互补滤波原理框图；
图5为本发明实施例公开的二阶互补滤波原理框图；
图6为本发明实施例公开的传感器信号流图；
图7为本发明实施例公开的机电伺服传感器信息融合算法流程图。
通过上述附图，已示出本公开明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本公开构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本公开的概念。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本发明的目的在于提供一种传感器信息融合的方法和装置。该方法改进双冗余线位移板片的供电方式，并将利用板片式位移传感器取得的第一线位移数字信号与电机转速数字信号积分得到的电机转速积分信号进行融合，从而获得动态响应良好、数值可靠的第二线位移数字信号。
该方法对强电磁干扰环境具有很好的适用性，能够较好的过滤线伺服位移数据的噪声，对于大功率机电伺服系统有一定的应用价值。
具体地，对于双冗余线位移板片，将现有同极性供电方式改进为反极性供电方式，从而将传统双冗余线位移板片的两路同极性输出改进为差分输出。
利用差分放大电路，将第一板片式线位移传感器和第二板片式线位移传感器输出的差分信号作为差分放大器输入，调整为单极性电压信号。可抑制线路上的共模干扰电压，提高线位移信号的信噪比。
两个板片式线位移传感器输出的差分信号使用双绞电缆传输。
进一步，利用模数转换器得到线位移数字信号，利用旋变解码芯片得到电机转速数字信号。
在高电压(270V及以上)机电伺服系统中，线位移模拟信号容易受到电磁干扰，导致叠加噪声。如果直接使用低通滤波器对线位移信号滤波，会严重影响信号动态特性，从而导致伺服系统动态特性变差。对电机转速数字信号积分可得到动态特性好的电机转速积分信号，但由于积分作用容易产生累计误差。本专利对第一线位移数字信号和电机转速积分信号进行互补融合滤波，可得到动态特性良好且稳态干扰小的第二线位移数字信号。
该方法成本低，转化快，可快速改进线位移信号干扰问题，且无不良影响。
本发明通过改进双冗余线位移板片的供电方式，并将利用板片式位移传感器取得的第一线位移数字信号与电机转速积分得到的电机转速积分信号进行融合，从而获得动态响应良好、数值可靠的第二线位移数字信号。此技术方案与现有国内外现有方案相比，提高了机电伺服系统伺服位移数据的可靠性与信号质量。
对于双冗余线位移板片，如图1所示，电刷1为第一电刷，电刷2为第二电刷，线位移板片1和电刷1组成第一板片式位移传感器，线位移板片2和电刷2组成第二板片式位移传感器，将两个板片式位移传感器并列安装，线位移板片1的上端接+9V供电，下端接 -9V供电，而线位移板片2的上端接-9V供电，下端接+9V供电。
当电刷1和电刷2分别在第一板片式位移传感器和第二板片式位移传感器上下滑动时，如图2所示，第一板片式位移传感器输出的第一板片式位移传感器线位移信号与第二板片式位移传感器输出的第二板片式位移传感器线位移信号幅值相同，极性相反，形成差分信号。
利用差分放大电路，将第一板片式位移传感器线位移信号与第二板片式位移传感器线位移信号做差并除以2，得到第一线位移信号。第一线位移信号的幅值、极性与第一板片式位移传感器线位移信号相同。
如图3所示，第一板片式位移传感器、第二板片式位移传感器与差分放大电路的连接线采用双绞缠绕方式可提高利用线位移板片采集线位移信号的质量，抑制共模干扰。
进一步，利用模数转换电路采集第一线位移信号，得到第一线位移数字信号。利用旋变解码芯片解析旋变信号得到电机转速数字信号。
利用积分器对所述电机转速数字信号进行积分，得到电机转速积分信号。
电机转速积分信号与第一线位移数字信号正相关，通过系数可归一化至相同量纲。
利用板片式位移传感器采集的线位移信号没有累积误差，但由于模拟信号受强电磁环境干扰，易产生高频噪声，动态响应较差。通过对电机转速数字信号积分取得的电机转速积分信号动态特性好，但由于积分作用，长时间工作时会产生累积误差，使得电机转速积分信号出现漂移。它们在频域上具有互补特性。利用互补滤波原理，对第一线位移信号进行低通滤波，对电机转速积分信号进行高通滤波，得到在低频段、高频段都较好的伺服位移信号，提高测量精度和系统的动态性能。
一阶互补滤波的方框图如图4所示。
其中，Λd(s)为第一线位移数字信号，M(s)为电机转速数字信号，
Figure RE-GDA0003017362250000051
为一阶互补滤波融合后的第二线位移数字信号，kp为比例控制器系数。
传递函数如式(1)所示。
Figure RE-GDA0003017362250000052
Figure RE-GDA0003017362250000053
在时域中，首先将第一线位移数字信号λd和上一拍的第二线位移数字信号λ做差
λerror(t)＝λd(t)-λ(t-1) (3)
然后，将λerror与比例系数kp相乘，与归一化的电机转速u之和共同进行积分运算，最终得到估计的第二线位移数字信号
Figure RE-GDA0003017362250000054
Figure RE-GDA0003017362250000055
二阶互补滤波的衰减倍数是一阶互补滤波的2倍，达到每频程40db，性能比一阶互补滤波优越。
在一阶互补滤波基础之上，将比例调节器替换为PI调节器。其方框图为图6所示。
其中，ki为积分系数。传递函数为式(5)所示。
Figure RE-GDA0003017362250000056
即式(6)所示。
Figure RE-GDA0003017362250000057
在时域中，利用二级互补滤波估计的第二线位移数字信号
Figure RE-GDA0003017362250000061
为式(7)所示。
Figure RE-GDA0003017362250000062
如图6所示，主控芯片DSP采集第一线位移数字信号和电机转速数字信号。
在主控芯片DSP中，利用软件实现互补滤波，计算融合伺服位移信号。算法流程如图 7所示。
显然，上述具体实施案例仅仅是为了说明本方法应用所作的举例，而非对实施方式的限定，对于该领域的一般技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动，用以研究其他相关问题。因此，本发明的保护范围都应以权利要求的保护范围。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所描述的电子设备等实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明的实施例进行了详细的说明，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的实施例各实施例技术方案的范围。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本发明旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求书来限制。

Claims (8)

1.传感器信息融合方法，其特征在于，所述传感器信息融合方法包括：
获取第一板片式位移传感器和第二板片式位移传感器输出的差分信号；
所述差分信号作为差分放大器输入信号，得到第一线位移信号；
利用模数转换电路采集所述第一线位移信号，得到第一线位移数字信号；
利用旋变解码芯片解析旋变信号得到电机转速数字信号；
利用积分器对所述电机转速数字信号进行积分，得到电机转速积分信号。
根据所述电机转速积分信号和所述第一线位移数字信号得到第二线位移数字信号。
2.根据权利要求1所述的传感器信息融合方法，其特征在于，所述第一板片式位移传感器和第二板片式位移传感器输出的差分信号通过双绞电缆传输。
3.根据权利要求1所述的传感器信息融合方法，其特征在于，第一板片式位移传感器和第二板片式位移传感器输出的差分信号通过第一板片式位移传感器和第二板片式位移传感器并列安装的方法实现，包括：
第一板片式位移传感器和第二板片式位移传感并列安装且所述第一板片式位移传感器和第二板片式位移传感器的同向端接不同的供电电压；
第一电刷在所述第一板片式位移传感器上下滑动；所述第二电刷在所述第二板片式位移传感上下滑动。
4.根据权利要求1所述的传感器信息融合方法，其特征在于，所述第一线位移信号包括与所述第一板片式位移传感器线位移信号和所述第二板片式位移传感器线位移信号相关的传感器线位移信号，所述第一线位移信号与所述第一板片式位移传感器线位移信号的极性、幅值相同。
5.根据权利要求1所述的传感器信息融合方法，其特征在于，所述第二线位移数字信号，包括：经过一阶低通滤波的所述第一线位移数字信号和所述一阶高通滤波的所述电机转速积分信号。
6.根据权利要求1所述的传感器信息融合方法，其特征在于，所述第二线位移数字信号或者包括：经过二阶低通滤波的所述第一线位移数字信号和所述二阶高通滤波的所述电机转速积分信号。
7.一种存储介质，其特征在于，包括：可读存储介质和计算机指令，所述计算机指令存储在所述可读存储介质中；所述计算机指令用于实现权利要求1至6任一项所述的传感器信息融合方法。
8.一种计算机程序，其特征在于，所述计算机程序当传感器信息融合装置执行时使得传感器信息融合装置执行权利要求1至6任一项所述的传感器信息融合方法。
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