采用FPGA器件实现滤波器的设计和验证方法

光电脉冲编码器是一种集光、机、电为一体的用于检测机械位移或间接检测速度的光电传感器，根据其用于检测角位移及旋转速度或直线位移及直线运动速度又分为光电轴角编码器和直线编码器。根据形成代码的方式不同，光电轴角编码器分为增量式和绝对式两大类。光电脉冲编码器因其精度高、响应快、使用可靠等优点，已广泛应用于数控机床、轧钢、纺织器械、电梯、印刷、卷烟机、机器人、磁卡机、电脑刺绣机等工业控制和测试领域。

在工业生产现场，存在光、电、磁和振动等干扰。光电脉冲编码器输出脉冲信号的产生和传输过程中都可能会受到上述干扰的影响而导致波形畸变，一个实际的光电脉冲编码器的输出波形如图2所示。

图1 编码器理想输出波形 图2编码器实际输出波形

为了从信号中获得有用的信息，人们对干扰及其过滤进行了大量的研究。已经开展的研究主要是通过对干扰信号的特征提取按照抑制干扰、切断干扰传播路径或者提高敏感器件的抗干扰性能等原则进行干扰处理，并基本满足了信号滤波的要求。但因工业现场干扰非常复杂，其随机性、动态性、不可预测性等使抗干扰成为开发和调试工作永恒的课题。

1 基于信号认知的脉冲信号滤波原理

根据香农信息论系统模型，可将到达信号处理单元的信号表达为：

程度。对于脉冲信号，其特征规范，只有脉冲电平、脉冲宽度、频率等特征。这些特征都容易认知和检测。因此，对脉冲信号的整形与滤波应以第二种策略为主。下面以旋转编码器为例说明对其输出脉冲信号特征的认知过程：

1.1 对信号电平的认知

脉冲信号的电平只有高电平“1”和低电平 “0”两种。

1.2 对信号脉冲宽度的认知

1.3 对信号脉冲宽度变化量

由于能源的有限性和机械材料强度的限制，任何运动机械的加速度都会有限定。例如设被测机械在时间 秒内从静止上升到额定转速，则任意两个相连脉冲的宽度变化为：

（4）

1.4 对脉冲信号相关性特征的认知

2 基于FPGA的滤波器设计

随着电子设计技术的飞速发展，可编程门阵列（FPGA）所具备的功能也越来越强大，可完成极其复杂的时序和组合逻辑电路功能，适用于高速、高密度的高端数字逻辑电路设计领域。

图3 脉冲信号滤波器原理

图中采用对M/T法实现转速的实时测量如图3中测速模块所示，通过在一定采样时间T内，计取MP个脉冲信号的脉冲数和MS个高频时标脉冲个数，最终输出实时转速n。

（5）

式中： 为采样周期内计取的高频时标信号数。

采用FPGA正边沿触发器和负边沿触发器实现对脉冲正跳变或者负跳变信号的检测，利用脉宽计数器进行比较现脉宽变化率的控制。通过多路选择器根据输出脉冲与输入脉冲关系对正/负边沿触发器通道进行选择，再由脉宽计数器对脉冲宽度计数，如果计数宽度值在合法的宽度范围内，则为合法脉冲信号并输出，否则为干扰信号，予以滤除。

在实际运转过程中，运转速度存在波动，实际转速应该留有一定裕量。

3 实验系统及结果分析

3.1 实验方法

脉冲信号源取自一型号为P60B1835MXSIJ的伺服电机，额定功率为2.7KW，AC200V，电流10.7A，额定转速为1500rpm，内置增量式编码器为2000线。滤波器采用ACTEL公司的大容量多门FPGA ProASIC APA300按图2构成。FPGA采样频率为4MHz，高频时标频率为40MHz。

实验首先使电机在整个速度范围内运行，分别观察电机编码器信号输出（滤波器输入信号）和滤波器的输出并进行比较，再用本文设计的滤波器输出信号作为位置控制信号对该永磁同步电机进行控制实验。

图4速度150rpm时脉冲处理效果 图5速度1500rpm时脉冲处理效果

3.2 实验结果分析

实验在电机从静止到额定转速范围内能将编码器输出的脉冲信号进行有效滤波和整形，150rpm和1500rpm时编码器的输出脉冲波形和滤波输出波形如图4，图5所示。其中1号通道为滤波器输出端采集脉冲波形，2号通道为滤波器输入端采集脉冲波形。用本文设计的滤波器输出信号作为位置控制信号对该永磁同步电机进行控制实验时能够在各种速度下进行有效控制，表明滤波器能够满足脉冲信号滤波要求。

4 结论

到达信宿的信号为合法信号与干扰信号的叠加，因此可以采用认知合法信号特征或认知干扰信号特征两种策略来有效地滤除干扰信号。具体选择时应该根据两者哪个的特征容易被认知。脉冲信号特征简单、规范，只有电平、周期、脉宽等特征参数以及相互关系特征。因此，脉冲信号宜采用对合法信号认知并滤除非法信号的滤波策略。本文采用对合法信号认知并滤除非法信号的滤波策略构成的滤波器满足了永磁同步电动机控制要求的信号滤波要求。

本文创新点是基于认知模式识别的思想对信号进行认知进行滤波。在干扰多且杂不可能完全分析清楚的情况下，能够实现滤波达到要求。

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