电机的脉冲滤波系统、脉冲滤波方法及其控制系统

摘要

本发明公开了电机的脉冲滤波系统、脉冲滤波方法及其控制系统。其中，脉冲滤波系统包括计数模块、曲线设计模块和数字式频率发生器，由计数模块缓存控制电机转动的脉冲，记录未发出的脉冲数量；由曲线设计模块根据滤波参数、预设转速变化曲线和未发出的脉冲数产生出当前脉冲的频率，使最终输出的脉冲序列符合预设的变化曲线，从而使电机的转速变化连续；并由数字式频率发生器根据曲线设计模块给定的脉冲频率输出脉冲信号、并根据缓存的脉冲方向输出方向信号，精确控制电机转动速度和转动方向，使电机的转速平滑变化，从而使电机的速度为会突变，使电机运行平衡，振动更小。

说明书

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种电机的脉冲滤波系统、脉冲滤波方法及其控制系统。

背景技术

电机是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置，其主要作用是用于产生驱动转矩，作为电器或各种机械的动力源。在多数自动化设备应用中，电机需要从一个角度快速转到另一个角度，带动外部部件从另一个点快速运动到另一个点，在工作时，电机一直在处于频繁加速和减速的工作状态。

在高速高精度的运动控制系统中，通过脉冲和方向控制电机运动是最常用的一种方式。由负责运动控制的控制器输出脉冲到电机驱动器，控制电机的运动。每一个脉冲对应旋转电机运转一个角度，由于电机对脉冲序列的连续性要求很高，如果给出的速度指令有突变（即脉冲序列的连续性不好）、则会引起外部部件运行的振动，甚至导致外部部件位置的偏差，影响加工效果。

因而现有技术还有待改进和提高。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供电机的脉冲滤波系统、脉冲滤波方法及其控制系统，能使电机的转速平滑变化。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种电机的脉冲滤波系统，其包括：

计数模块，用于缓存用于控制电机转动的脉冲，记录未发出的脉冲数量；

曲线设计模块，用于根据滤波参数、预设转速变化曲线和未发出的脉冲数产生出当前脉冲的频率，使最终输出的脉冲序列符合预设的变化曲线，从而使电机的转速变化连续；

数字式频率发生器，根据曲线设计模块给定的当前脉冲频率输出脉冲信号、并根据缓存的脉冲方向输出方向信号，精确控制电机的转动速度和转动方向，使电机的转速平滑变化。

所述的电机的脉冲滤波系统中，所述计数模块包括：第一加法器、选择器、2-4译码器、非门、或门和第一D触发器；所述2-4译码器根据输入脉冲和输出脉冲是否有效输出对应的控制信号；当输出脉冲或者输出脉冲有效时，所述或门输出1至第一D触发器，所述选择器根据控制信号判断输入脉冲或输出脉冲的方向；所述第一加法器根据选择器的判断结果对其输出的计数值加1或者减1，并由D触器锁存加或减后的结果后输出计数值；当输出脉冲和输出脉冲均有效时，及输出脉冲和输出脉冲均无效时，第一D触发器不动作。

所述的电机的脉冲滤波系统中，所述曲线设计模块包括乘法器和第二加法器，所述乘法器用于将第一D触发器输出的计数值和cof寄存器设置的曲线斜率相乘，第二加法器用于将乘法器的输出结果与offset寄存器设置的曲线起跳点相加后输出变化平滑的转速驱动信号。

所述的电机的脉冲滤波系统中，所述数字式频率发生器包括第三加法器、第二D触发器和比较器，所述第三加法器用于根据转速驱动信号的脉冲数量循环自加、并输出脉冲信号，所述比较器根据计数模块输出的计数值判断脉冲信号的方向，输出相应方向的输出方向信号；所述第二D触发器锁存第三加法器的输出结果。

一种电机的脉冲滤波系统的脉冲滤波方法，其包括：

由计数模块缓存控制电机转动的脉冲，记录未发出的脉冲数量；

由曲线设计模块根据滤波参数、预设转速变化曲线和未发出的脉冲数产生出当前脉冲的频率，使最终输出的脉冲序列符合预设的变化曲线，从而使电机的转速变化连续；

由数字式频率发生器根据曲线设计模块给定的脉冲频率输出脉冲信号、并根据缓存的脉冲方向输出方向信号，精确控制电机转动速度和转动方向，使电机的转速平滑变化。

所述的电机转速的脉冲滤波方法中，所述由计数模块缓存控制电机转动的脉冲，记录未发出的脉冲数量的步骤包括：

所述2-4译码器根据输入脉冲和输出脉冲是否有效输出对应的控制信号；

当输出脉冲或者输出脉冲有效时，所述或门输出1至第一D触发器，所述选择器根据控制信号判断输入脉冲或输出脉冲的方向；所述第一加法器根据选择器的判断结果对其输出的计数值加1或者减1，并由D触器锁存加或减后的结果后输出计数值；当输出脉冲和输出脉冲均有效时，及输出脉冲和输出脉冲均无效时，第一D触发器不动作。

所述的电机转速的脉冲滤波方法中，所述由曲线设计模块根据滤波参数、预设转速变化曲线和未发出的脉冲数量生成发出脉冲序列，使电机的转速变化连续的步骤包括：

乘法器将第一D触发器输出的计数值和cof寄存器设置的曲线斜率相乘，将相乘结果输出给第二加法器；

由所述第二加法器将相乘结果与offset寄存器设置的曲线起跳点相加后输出变化平滑的转速驱动信号。

所述的电机转速的脉冲滤波方法中，所述由数字式频率发生器根据曲线设计模块给定的脉冲频率输出脉冲信号、并根据缓存的脉冲方向输出方向信号，精确控制电机转动速度和转动方向，使电机的转速平滑变化的步骤包括：

第三加法器根据转速驱动信号的脉冲数量循环自加、并输出脉冲信号；同时，由比较器根据计数模块输出的计数值判断脉冲信号的方向，输出相应方向的输出方向信号，并由第二D触发器锁存第三加法器的计数值。

一种电机的控制系统，包括控制器、电机驱动器、电机和脉冲滤波系统，所述控制器、脉冲滤波系统、电机驱动器和电机依次连接。

相较于现有技术，本发明提供的电机的脉冲滤波系统、脉冲滤波方法及其控制系统。其中，脉冲滤波系统包括计数模块、曲线设计模块和数字式频率发生器，由计数模块缓存控制电机转动的脉冲，记录未发出的脉冲数量；由曲线设计模块根据滤波参数、预设转速变化曲线和未发出的脉冲数量生成发出脉冲的速度信息，使电机的转速变化连续；并由数字式频率发生器根据曲线设计模块给定的脉冲频率输出脉冲信号、并根据缓存的脉冲方向输出方向信号，精确控制电机转动速度和转动方向，使电机的转速平滑变化，从而使电机的速度为会突变，使电机运行平衡，振动更小。

附图说明

图1为本发明实施例提供的电机的脉冲滤波系统的结构框图。

图2为本发明实施例提供的电机的脉冲滤波系统中计数模块的电路图。

图3为本发明实施例提供的电机的脉冲滤波系统中曲线设计模块的电路图。

图4为本发明实施例提供的电机的脉冲滤波系统中数字式频率发生器的电路图。

图5为本发明实施例提供的电机的脉冲滤波系统的滤波效果示意图。

图6为本发明实施例提供的脉冲滤波方法的流程图。

图7为本发明实施例提供的电机的控制系统的结构框图。

具体实施方式

本发明提供电机的脉冲滤波系统、脉冲滤波方法及其控制系统。为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的电机的脉冲滤波系统的结构框图。本发明提供的电机的脉冲滤波系统使用硬件逻辑方法(如现场可编程逻辑器件FPGA）通过对脉冲序列的缓存，按照设定的模式再产生相应的脉冲系列，来达到频率平滑的效果。通过本发明的电机的脉冲滤波系统调节滤波参数使输出脉冲序列的变化规率，从而在快速性和平滑性之间进行协调。

本发明实施例中，所述的脉冲滤波系统包括计数模块10、曲线设计模块20和数字式频率发生器30，计数模块10、曲线设计模块20和数字式频率发生器30依次连接。由计数模块10缓存控制电机转动的脉冲，记录未发出的脉冲数量；由曲线设计模块20根据滤波参数、预设转速变化曲线和未发出的脉冲数量产生出当前脉冲的频率；使最终输出的脉冲序列符合预设的变化曲线，从而使电机的转速变化连续；并由数字式频率发生器30根据曲线设计模块20给定的当前脉冲频率输出脉冲信号、并根据缓存的脉冲方向输出方向信号，精确控制电机转动速度和转动方向，使电机的转速平滑变化，从而使电机的速度为会突变，使电机运行平衡，振动更小。

其中，所述计数模块10缓存的信息包括电机的速度信息和位置信息等，主要用于完成脉冲的缓冲，对输入的脉冲进行加计数，对输出的脉冲进行减计数，并记录还有多少个脉冲没有发出去。

请一并参阅图2，其为本发明实施例提供的电机的脉冲滤波系统中计数模块的电路图。所述计数模块10包括：第一加法器lpm_add_sub2、选择器21mux、2-4译码器24dmux、非门not、或门or2和第一D触发器dffe1。

所述2-4译码器24dmux根据输入脉冲和输出脉冲是否有效输出对应的控制信号；当输出脉冲或者输出脉冲有效时，所述或门or2输出1至第一D触发器dffe1，所述选择器21mux根据控制信号判断输入脉冲或输出脉冲的方向；所述第一加法器lpm_add_sub2根据选择器21mux的判断结果对其输出的计数值加1或者减1，并由D触器锁存加或减后的结果后输出计数值；当输出脉冲和输出脉冲均有效时，及输出脉冲和输出脉冲均无效时，第一D触发器dffe1不动作。

具体实施时，所述2-4译码器24dmux的A端为输入脉冲信号的输入端、连接外部控制器，2-4译码器24dmux的B端为输出脉冲信号的输入端连接数字式频率发生器30，来获取数字频率发生输出的输出脉冲信号，2-4译码器24dmux的Q1端连接或门or2的第2输入端和所述选择器21mux的S端，2-4译码器24dmux的Q3端连接或门or2的第1输入端，所述或门or2的输出端连接第一D触发器dffe1的ENA端，所述非门not的输入端为输出方向信号的输入端、连接数字式频率发生器30的输出方向信号的输出端，非门not的输出端连接选择器21mux的B端，选择器21mux的A端为输入方向信号的输出端、连接外部控制器，所述选择器21mux的Y端连接第一加法器lpm_add_sub2，所述第一加法器lpm_add_sub2的输出端连接第一D触发器dffe1的D端，所述第一加法器lpm_add_sub2的A端连接第一D触发器dffe1的Q端，所述第一加法器lpm_add_sub2的B端的输入为1，所述第一D触发器dffe1的Q端连接曲线设计模块20和数字式频率发生器30。

由于控制电机运动需要有方向信号（其用于指示运转的方向）和脉冲信号。对于旋转电机而言，脉冲个数表示运转的角度，脉冲的频率表示电机的转速，因此，电机以尽可能快的速度响应脉冲信号。

在图2中，Pulse_in为输入脉冲信号，Dir_in为输入方向信号，pulse_out为输出脉冲信号，Dir_out为输出方向信号。2-4译码器24dmux的工作原理为：当A=0、B=0时，Q0为有效输出1；A=1、B=0时，Q1有效；A=1、B=1时，Q2有效；A=0、B=1时，Q3有效。为方便描述，本发明默认Pulse_in到Pulse_out的有效电平宽度为1个时钟周期，且各硬件电路的时钟同步，确保处理结果准确。

在所述脉冲滤波系统的计数模块10中，其具体处理方式如下：

1、当pulse_in为有效时，表示脉冲滤波系统有一个指令脉冲输入。此时2-4译码器24dmux的Q1端有效，选择器21mux输出为输入方向信号Dir_In的状态。如果输入方向为1（表示正向运动），则第一加法器lpm_add_sub2的输出值为计数值加1，反之第一加法器lpm_add_sub2的输出值为计数值减1。在pulse_in为有效周期内，第一触发器锁存住加或减后的结果，也即向2-4译码器24dmux输入一个正向脉冲，第一加法器lpm_add_sub2的计数值加1，反之减1。

2、当pulse_out为有效时，表示脉冲滤波系统输出了一个脉冲。此时2-4译码器24dmux的Q3端有效，选择器21mux输出为输出方向信号Dir_out的状态。如果输出方向为1（表示正向运动），则第一加法器lpm_add_sub2的输出值为计数值减1，反之第一加法器lpm_add_sub2的输出值为计数值加1。在pulse_out为有效周期内，第一触发器锁存住加或减后的结果，也即脉冲滤波系统输出一个正向脉冲，第一加法器lpm_add_sub2的计数值减1，反之加1。

3、当pulse_in和pulse_out同时有效时，表示脉冲滤波系统输出了一个脉冲，同时输入了一个脉冲，此时2-4译码器24dmux的Q2端有效。第一触发器不动作。

4、当pulse_in和pulse_out同时无效，表示脉冲滤波系统的状态没有变化，此时2-4译码器24dmux的Q0有效，第一触发器不动作。

所述曲线设计模块20由剩余未发出的脉冲，计算得到一个发脉冲的速度。从而使剩余的脉冲越多发的越快，并且速度变化要连续，在具体实施时，可以设计不同的曲线。

请一并参阅图3，其为本发明实施例提供的电机的脉冲滤波系统中曲线设计模块的电路图。所述曲线设计模块20包括乘法器lpm_mult0和第二加法器lpm_add_sub0。所述乘法器lpm_mult0用于将第一D触发器dffe1输出的计数值和cof寄存器设置的曲线斜率相乘，第二加法器lpm_add_sub0用于将乘法器lpm_mult0的输出结果与offset寄存器设置的曲线起跳点相加后输出变化平滑的转速驱动信号。

其中，cof寄存器和offset寄存器位于外部控制器中，所述第二乘法器lpm_mult0的第1输入端连接第一D触发器dffe1的Q端，乘法器lpm_mult0的第2输入端连接cof寄存器，所述乘法器lpm_mult0的输出端连接第二加法器lpm_add_sub0的A端，第二加法器lpm_add_sub0的B端连接offset寄存器，第二加法器lpm_add_sub0的A+B端连接数字式频率发生器30。

在曲线设计模块20中，Cof寄存器设置曲线的斜率、offset寄存器设置曲线的起跳，Cof寄存器和offset寄存器位于外部计算机的控制器中，其中，曲线的斜率越大，速度变化越平滑。

在图3中，输入counter是前一级计数器的输出，即第一加法器lpm_add_sub2的输出数值。Cof是可以设置的参数，对应着曲线的斜率。Offset也是可设置的参数，对应曲线上下的偏移，因此曲线设计模块20的输出等效公式如下：

Speed=counter*cof+offset。

需要了解的是本曲线设计模块20是通过硬件电路实现的，在输入改变时，其输出同时改变。

进一步的，所述数字式频率发生器30根据给定的速度发出脉冲Pulse_out。由于Clk时钟频率是固定的，当speed的值大时，溢出频率快，反之则溢出频率慢，其输出的频率和给定的速度值是线性对应的，同时根据缓冲的脉冲数方向，确定运动的方向。

请一并参阅图4，所述数字式频率发生器30包括第三加法器lpm_add_sub1、第二D触发器dffe2和比较器lpm_compare0，所述第三加法器lpm_add_sub1用于根据转速驱动信号的脉冲数量循环自加、并输出脉冲信号，所述比较器lpm_compare0根据计数模块10输出的计数值判断脉冲信号的方向，输出相应方向的输出方向信号；所述第二D触发器dffe2锁存第三加法器lpm_add_sub1的输出结果。

其中，所述第三加法器lpm_add_sub1的A端连接第二D触发器dffe2的Q端，所述第三加法器lpm_add_sub1的B端连接第二加法器lpm_add_sub0的A+B端，所述第三加法器lpm_add_sub1的cout端输出脉冲信号；所述比较器lpm_compare0的第1输入端连接第一D触发器dffe1的Q端，比较器lpm_compare0的第2输入端的输入信号为0，所述比较器lpm_compare0的输出端输出方向信号。

在图4中，第三加法器lpm_add_sub1为循环自加方式，在每个时钟周期到达时，加上一个speed的数值。当数值超过最大值max（图4中为16位加法器，计数在2的16次方减1，即65535时，为溢出）时，就会溢出（如65535加1，则变成0），溢出需要累加的次数近似为：max/speed。

假设脉冲滤波系统的时钟周期为t，此处t一般为几ns到几十ns。

则溢出的周期则为：t*max/speed。

则溢出的频率为：speed/(t*max)

从而得到一个和speed成正比的输出脉冲频率。

而比较器lpm_compare0一端是脉冲计数器（即第一加法器lpm_add_sub2输出的计数值），一端输出的数值为0，因计数结果是有方向的，所以根据比较的结果可知道是正向脉冲还是负向脉冲，作为输出的脉冲方向。

本发明脉冲滤波系统主要用来滤除速度的突变，把频率变化比较大的脉冲序列变成频率变化比较小的脉冲序列，如图5中的（A）所示；如果原始速度曲线为方波，经脉冲滤波系统滤波后为梯形波，如图5中的（B）所示；如果原始信速度曲线为梯形波经脉冲滤波系统滤波后为S形波，如图5中的（C）所示。

应当说明的是，第一加法器lpm_add_sub2、选择器21mux、2-4译码器24dmux、乘法器lpm_mult0、第二加法器lpm_add_sub0、第三加法器lpm_add_sub1、比较器lpm_compare0等可以采用常用硬件电路实现，本发明对此不作限制。

本发明还相应提供一种电机的脉冲滤波系统的脉冲滤波方法，如图6所示，所述的脉冲滤波方法包括：

S100、由计数模块缓存控制电机转动的脉冲，记录未发出的脉冲数量；

S200、由曲线设计模块根据滤波参数、预设转速变化曲线和未发出的脉冲数产生出当前脉冲的频率；使最终输出的脉冲序列符合预设的变化曲线，从而使电机的转速变化连续；

S300、由数字式频率发生器根据曲线设计模块给定的脉冲频率输出脉冲信号、并根据缓存的脉冲方向输出方向信号，精确控制电机转动速度和转动方向，使电机的转速平滑变化。具体请参阅上述脉冲滤波系统对应的实施例。

其中，所述步骤S100具体包括：S101、所述2-4译码器根据输入脉冲和输出脉冲是否有效输出对应的控制信号；S102、当输出脉冲或者输出脉冲有效时，所述或门输出1至第一D触发器，所述选择器根据控制信号判断输入脉冲或输出脉冲的方向；所述第一加法器根据选择器的判断结果对其输出的计数值加1或者减1，并由D触器锁存加或减后的结果后输出计数值；当输出脉冲和输出脉冲均有效时，及输出脉冲和输出脉冲均无效时，第一D触发器不动作。具体请参阅上述脉冲滤波系统对应的实施例。

所述步骤S200具体包括：S201、乘法器将第一D触发器输出的计数值和cof寄存器设置的曲线斜率相乘，将相乘结果输出给第二加法器；S202、由所述第二加法器将相乘结果与offset寄存器设置的曲线起跳点相加后输出变化平滑的转速驱动信号。具体请参阅上述脉冲滤波系统对应的实施例。

所述步骤S300具体包括：第三加法器根据转速驱动信号的脉冲数量循环自加、并输出脉冲信号；同时，由比较器根据计数模块输出的计数值判断脉冲信号的方向，输出相应方向的输出方向信号，并由第二D触发器锁存第三加法器的计数值。具体请参阅上述脉冲滤波系统对应的实施例。

基于上述的脉冲滤波系统和脉冲滤波方法，本发明还相应提供一种电机的控制系统，如图7所示，其包括控制器、电机驱动器、电机和脉冲滤波系统，所述控制器、脉冲滤波系统、电机驱动器和电机依次连接。所述控制器设置于计算机中，由计算机设置电机的转速和运动轨迹，经控制器处理后输出相应的速度信号和方向信号，经脉冲滤波系统滤波把频率变化比较大的脉冲序列变成频率变化比较小的脉冲序列，从而使电机运行平稳，振动更小。而且还可达到更快的运动速度，提高生产效率。

与现在技术相比，本发明提供的电机的脉冲滤波系统、脉冲滤波方法及其控制系统具有以下有益效果：

1）相比软件滤波可以更快速反应。软件滤波一般通过定时器，周期可达到50us~1000us，而这个周期会限制滤波的效果。例如在50us时，如果脉冲频率达到20KHZ以上时，就不能保证每个脉冲进行速度调整。

2）使用硬件逻辑实现滤波功能，没有周期效应，可以精细在每个脉冲进行速度调整。

3）适合高速运动下的脉冲滤波。

4）可以保证总脉冲个数不变。

5）可适用于多种电机，如步进电机、伺服电机、直线电机等。

本发明可运用于点到点运动或矢量连续运动加工中，电机工作平稳，而且工作速度也大幅提高。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。