[發(fā)明專利]一種截止頻率自調(diào)整低通濾波器及設(shè)計方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010897502.4
• 申請日: 2020-08-31
• 公開（公告）號: CN112054778A
• 公開（公告）日: 2020-12-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 高欽和;陳志翔;牛海龍;劉大偉;鄧鋼鋒;劉志浩;馬棟
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍火箭軍工程大學
• 主分類號: H03H7/01
• 分類號: H03H7/01;H03H17/02
• 代理公司: 西安研創(chuàng)天下知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 61239
• 代理人: 郭璐

本發(fā)明公開一種截止頻率自調(diào)整低通濾波器的設(shè)計方法，該方法包括以下步驟：步驟S1：從頻域的角度分析量化噪聲；步驟S2：根據(jù)步驟S1分析的結(jié)果設(shè)計出截止頻率自調(diào)整的低通濾波器。本發(fā)明設(shè)計的截止頻率自調(diào)整低通濾波器，可以根據(jù)伺服電機轉(zhuǎn)速實時地調(diào)整截止頻率，有效地抑制量化噪聲對閉環(huán)系統(tǒng)的影響，位移信號和速度信號估計精度更高，控制信號振動減弱，系統(tǒng)能耗降低。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于伺服電機控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種截止頻率自調(diào)整低通濾波器及設(shè)計方法。

背景技術(shù)

對于伺服電機控制系統(tǒng)，高精度的位置傳感器，是實現(xiàn)高精度位置控制的基礎(chǔ)，對于旋轉(zhuǎn)位置的檢測與控制，常使用光電編碼器。光電編碼器根據(jù)能否檢測絕對位置，可分為絕對式和增量式，無論哪種形式，測量的基礎(chǔ)都是編碼器碼盤上的刻線，刻線的間隔造成了位置測量中的分辨率限制，這也從原理上決定了光電編碼器的輸出信號對于真實的位置信息具有“量化效應(yīng)”，檢測得到的信號與真實位置之間具有“量化誤差”，也被稱為量化噪聲。

將帶有量化噪聲的編碼器信號用于反饋控制，會降低位移和速度的控制精度，甚至造成極限環(huán)振蕩。特別是在伺服電機轉(zhuǎn)速較低的情況下，編碼器測角的量化噪聲對控制系統(tǒng)系統(tǒng)的影響非常明顯，影響位移信號和速度信號的估計精度，同時會導(dǎo)致控制信號的振動，增加系統(tǒng)的能耗。

目前的研究主要是將量化噪聲近似為均勻分布的白噪聲，建立量化噪聲的統(tǒng)計模型，通過Kalman濾波來抑制量化噪聲，這種近似將量化噪聲視為隨機信號，雖然便于處理但沒有反映出量化噪聲的本質(zhì)。同時有研究認為，量化效應(yīng)是一種確定性和無記憶的非線性環(huán)節(jié)，并采用基于觀測器理論的狀態(tài)估計器，用于從量化的信號中提取有用的信息，雖然便于實現(xiàn)但是適應(yīng)性較差，當伺服電機轉(zhuǎn)速變化較大時，閉環(huán)系統(tǒng)性能下降嚴重。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對上述存在的技術(shù)問題，提出了一種截止頻率自調(diào)整低通濾波器，可以根據(jù)伺服電機轉(zhuǎn)速實時地調(diào)整截止頻率，有效地抑制量化噪聲對閉環(huán)系統(tǒng)的影響，位移信號和速度信號估計精度更高，控制信號振動減弱，系統(tǒng)能耗降低。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案：

一種截止頻率自調(diào)整低通濾波器的設(shè)計方法，

該方法包括以下步驟：

步驟S1：從頻域的角度分析量化噪聲；

(1)編碼器量化噪聲是關(guān)于位移輸入的奇函數(shù)，隨位移輸入的變化呈鋸齒狀周期變化，周期為Δ_q，Δ_q表示量化階，其為編碼器能夠檢測到的最小角度位置變化量；

(2)則令x表示位移輸入，f(x)表示關(guān)于位移輸入的量化誤差，利用傅里葉級數(shù)對f(x)展開：

其中，

計算可知：

則公式1可寫為

以時刻t作為初始時刻，伺服電機轉(zhuǎn)速為ω，則有x＝ωt，公式3可寫為

根據(jù)公式4可知定義f_q＝ω/Δ_q，則量化噪聲f(x)是由頻率為nf_q幅值為的諧波分量構(gòu)成；

步驟S2：根據(jù)步驟S1分析的結(jié)果設(shè)計出截止頻率自調(diào)整的低通濾波器。

優(yōu)選的，上述步驟S2中，截止頻率自調(diào)整的低通濾波器設(shè)計過程如下：

(1)伺服電機轉(zhuǎn)速為ω時，對應(yīng)的角頻率為可推得：