專利名稱：速度反饋信號的濾波方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種升降機(jī)電動機(jī)驅(qū)動裝置中速度反饋信號的濾波方法，該驅(qū)動裝置配備有速度控制器，升降機(jī)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速即在速度控制器中測出。
為抑制升降機(jī)驅(qū)動裝置中速度反饋信號的雜波，通常采用低通濾波器。但這些低通濾波器延遲了主信號的處理時間，從而使伺服系統(tǒng)更難以控制。此外，也有人采用非線性中間濾波器對測速發(fā)電機(jī)測出的反饋信號進(jìn)行濾波，但這些濾波器也在控制回路中產(chǎn)生不希望有的延遲作用。例如，S.J.Ovaska在1988年9月第三卷第3期的電氣與電子工程師協(xié)會儀表和測量學(xué)報(IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement)。第466-468頁上發(fā)表的題為“測速計信號雜波的多級數(shù)字預(yù)濾波”的文章中就涉及到對出現(xiàn)在測速計信號中的雜波進(jìn)行處理。
本發(fā)明的目的是消除現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點。本發(fā)明對配備有速度控制器的升降機(jī)驅(qū)動裝置中速度反饋信號的濾波方法是按本申請?zhí)岢龅臋?quán)利要求書中所述的方式對速度反饋信號的取樣信號進(jìn)行預(yù)測和延遲進(jìn)行的。根據(jù)本發(fā)明所提供的升降機(jī)電動機(jī)驅(qū)動裝置中速度反饋信號的一種濾波方法，該驅(qū)動裝置配備有速度控制器，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速即在該速度控制器中測定，其特征在于，該方法包括對速度反饋信號進(jìn)行取樣;
用濾除速度反饋信號的雜波的預(yù)測方法預(yù)測下一個取樣信號;然后通過使上述預(yù)測延遲一段相當(dāng)于一個取樣信號的時間來估算出最后的取樣信號。
本發(fā)明的濾波方法既適用于抑制一般測速發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的速度反饋信號中的雜波，也適用于減少包含在速度信號中的由脈沖編碼器的脈沖持續(xù)時間計算得出的隨機(jī)誤差。本發(fā)明的濾波方法不會在控制回路中產(chǎn)生任何額外的延遲。采用這種方法可以提高速度控制器遵循基準(zhǔn)的能力，從而提高升降機(jī)系統(tǒng)給乘客帶來的舒適程度。
下面參照附圖借助于一個實例詳細(xì)說明本發(fā)明的內(nèi)容。


圖1是升降機(jī)系統(tǒng)連同其電動機(jī)驅(qū)動裝置的示意圖;
圖2是測出的速度信號典型雜波頻譜和FIR(有限脈沖響應(yīng))式預(yù)測器輸出的頻譜;
圖3是中間延遲的示意圖;
圖4是FIR延遲的示意圖;
圖5是的測出的典型速度信號的示意圖;
圖6是用一般方法濾波的速度信號的示意圖;
圖7a和7b是FIR預(yù)測器的頻率響應(yīng)曲線;
圖8是按本發(fā)明的濾波方法加以濾波的速度信號的示意圖。
在圖1所示的升降機(jī)系統(tǒng)中，變頻器2由接插件1a-1c連接到三相網(wǎng)絡(luò)L1-L3上，以便給三相鼠籠式電動機(jī)(M)3饋電。軸4把電動機(jī)的轉(zhuǎn)動傳給牽引皮帶輪5，皮帶輪5則借助于起重纜繩6帶動升降機(jī)箱7和平衡錘8運動。變頻器由配備有速度控制器的控制單元9控制。電動機(jī)轉(zhuǎn)速由測速發(fā)電機(jī)10測定。返回到控制單元9的速度反饋信號由濾波器11進(jìn)行濾波。
本發(fā)明的濾波方法采用了頻率響應(yīng)為低通式的預(yù)測器。按照本發(fā)明，預(yù)測器的輸出經(jīng)過了相當(dāng)于一個取樣的延遲，以便估算出所獲得的最后的實際取樣。
圖2示出了升降電動機(jī)速度反饋信號的典型頻率響應(yīng)曲線13和頻率響應(yīng)為低通式的預(yù)測器的頻率響應(yīng)曲線14的簡化示意圖。從圖2可以看出，這種預(yù)測器通過對高頻的抑制，有效地消除了速度信號中的雜波。
例如，P.Heinonen和Y.Neuvo在1988年6月第36卷第6期的電子與電氣工程師學(xué)會學(xué)報(IEEE Transactions on Acoustics，Speech and Signal Processing)第892-899頁上發(fā)表的題為“具預(yù)測性FIR子結(jié)構(gòu)的FIR中間混合濾波器”(Multistage Digital Prefiltering of Noisy Tachometer Signals)一文中介紹了適宜與本發(fā)明的濾波方法配用的FIR(有限脈沖響應(yīng))式預(yù)測方法。在本發(fā)明的濾波方法中，除上述文章中所述的FIR式預(yù)測器外，還可以采用其它型式的預(yù)測器。此外，還可以采用IIR(無限脈沖響應(yīng))式預(yù)測器。例如，Oppenheim A.V和Schefer R.W發(fā)表的題為離散時間信號處理的文章(Discrete-Time Signal Processing，Englewood Cliffs，NJPrentice-Hall，1989，pp.290-317)中就介紹了FIR和IIR式的預(yù)測器。
IIR濾波器(預(yù)測器)可以數(shù)學(xué)方式表示為下列恒定系數(shù)的微分方程式
FIR濾波器(預(yù)測器)可以數(shù)學(xué)方式表示為下列恒定系數(shù)的微分方程式
當(dāng)一些初步值已知時，這些預(yù)測器適宜對低次多項式的未來值進(jìn)行外插處理。在實際應(yīng)用中，多項式的次數(shù)不大于三項。升降機(jī)速度基準(zhǔn)曲線由這類一次和二次曲線段組成。
所使用的上述預(yù)測器能有效地減少迭加到主信號上的正常分布和均勻分布的雜波。
按照本發(fā)明，預(yù)測濾波器11的輸入端供以按一定的取樣頻率測出/計算出的速度取樣信號，濾波器11的輸出端則預(yù)測下一個取樣信號。通過輸出延遲一個相當(dāng)于一個取樣信號的時間可以預(yù)測出最遲出現(xiàn)的真實取樣信號。該預(yù)測過程中包括的雜波偏差(冪級)低于所測取樣信號中的雜波。
我們也可以不用延遲器12而采用持續(xù)時間相當(dāng)于例如三個取樣信號的中間濾波器15(圖3)，這時，總的延遲時間等于一個取樣信號。例如，參考文獻(xiàn)“非線性數(shù)字濾波器;原理與應(yīng)用”(I.Pitas，A.N.VenetsanopoulosNonliner Digital Filters;Principles and Applications，Kluwer Academic Publishers，Boston，MA，1990，pp.63-65)中就介紹了中間濾波器。中間濾波器可置于預(yù)測器之前或之后。這樣就可以進(jìn)一步減少雜波的特快瞬變部分。此外還可以采用例如持續(xù)時間相當(dāng)于三個取樣信號的線性相位FIR濾波器(圖4)，其中各取樣信號的加權(quán)因數(shù)a、b和c對稱于濾波器的中心，各取樣信號在加法元件16中加起來。用FIR延遲器可以濾除例如電源中的雜波，中間延遲器則可用以濾除象脈沖之類的雜波。
為觀測本發(fā)明濾波方法的作用，我們進(jìn)行了這樣的試驗對取樣時間間隔為500赫，持續(xù)時間相當(dāng)于2000個取樣信號的無雜波速度信號進(jìn)行了一系列的計算機(jī)模擬試驗。
往無雜波速度信號上加上標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.02并且均勻分布的雙極雜波。
先用中間濾波器(持續(xù)時間24個取樣信號)濾除速度信號中的雜波(圖5，用中水平軸線表示時間，數(shù)值2000相當(dāng)于4秒)，在抑制雜波方面，用該中間濾波器濾除正常和均勻分布的雜波是最佳的。結(jié)果，在其它方面都極其優(yōu)異，只是濾波器的輸出(虛線)比實際信號(實線)延遲了(圖6，水平軸線與圖5中的一樣)。采用其它類型的低通濾波器時，也取得了類似的結(jié)果。
接著，用本發(fā)明的延遲FIR預(yù)測器(持續(xù)時間24個取樣信號)濾除同一信號中的雜波，該預(yù)測器的頻率響應(yīng)曲線如圖7a(振幅)和7b(相位)所示。圖7a和7b中的水平軸線表示頻率。數(shù)值1相當(dāng)于奈奎斯特(Nyquist)頻率，等于所使用的取樣頻率的一半。雜波電平減少的程度不象中間濾波器的情況那么大，但在此情況下，主信號沒有延遲(圖8，其中水平軸線相當(dāng)于圖5中的水平軸線)。預(yù)測器的各系數(shù)按P.Heinonen和Y.Neuvo的上述文章中給出的(17)式計算。
將得出的結(jié)果用各種不同持續(xù)時間(N)的預(yù)測器按下表進(jìn)行分析(包含在未濾波信號的誤差冪已歸一化為數(shù)值1)。
N 輸入誤差冪 中間濾波器誤差冪 預(yù)測器誤差冪8 1.0 0.5085 0.618116 1.0 1.3837 0.263424 1.0 2.8611 0.164632 1.0 4.9042 0.125340 1.0 7.5069 0.1053應(yīng)用最小平方和法和可以用數(shù)學(xué)式計算出輸出誤差冪(包括雜波分量和延遲時間)。
P輸出(中間濾波器)＝0.01461N1.675輸出誤差冪大致上與濾波器持續(xù)時間的平方成正比，即誤差冪隨濾波器持續(xù)時間而增加。
P輸出(預(yù)測濾波器)＝6.008N-1.114輸出誤差冪幾乎與預(yù)測濾波器中的系數(shù)量成反比，即誤差冪隨濾波器持續(xù)時間而減小。
本技術(shù)領(lǐng)域的內(nèi)行人士都知道，本發(fā)明并不局限于上述實施例，可以對這些實例進(jìn)行修改而并不脫離下述權(quán)利要求書的范圍。
權(quán)利要求
1.升降機(jī)電動機(jī)驅(qū)動裝置中速度反饋信號的一種濾波方法，該驅(qū)動裝置配備有速度控制器，電動機(jī)(3)的轉(zhuǎn)速即在該速度控制器中測定，其特征在于，該方法包括對速度反饋信號進(jìn)行取樣；用濾除速度反饋信號的雜波的預(yù)測方法預(yù)測下一個取樣信號；然后通過使上述預(yù)測延遲一段相當(dāng)于一個取樣信號的時間來估算出最后的取樣信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，取樣以基本不變的取樣頻率進(jìn)行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，用持續(xù)時間等于預(yù)定數(shù)量取樣信號的中間濾波器(15)延遲預(yù)測過程，其中總的延遲時間等于一個取樣信號的持續(xù)時間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，用持續(xù)時間等于預(yù)知數(shù)量取樣信號的FIR(有限脈沖響應(yīng))濾波器(16)延遲預(yù)測過程，其中總的延遲時間等于一個取樣信號的持續(xù)時間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，對下一個取樣信號的預(yù)測是借助外插低次(例如最高三次)多項式的低通式預(yù)測方法進(jìn)行的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，對下一個取樣信號的預(yù)測是用FIR或IIR(無限脈沖響應(yīng))式預(yù)測方法進(jìn)行的。
全文摘要
一種升降電動機(jī)驅(qū)動裝置中速度反饋信號的濾波方法，該驅(qū)動裝置配備有速度控制器，升降電動機(jī)(3)的轉(zhuǎn)速即在速度控制器中測出。本發(fā)明的濾波方法包括對速度反饋信號進(jìn)行取樣；用濾除速度反饋信號中雜波的預(yù)測方法預(yù)測下一個取樣信號。然后通過使預(yù)測過程延遲相當(dāng)于一個取樣信號的時間來預(yù)測最后的取樣信號。
文檔編號H03H17/02GK1067534SQ92104448
公開日1992年12月30日 申請日期1992年6月4日 優(yōu)先權(quán)日1991年6月5日
發(fā)明者S·奧瓦斯卡 申請人:科恩升降機(jī)股份有限公司