光電脈沖編碼器是一種集光、機、電為一體的用于檢測機械位移或間接檢測速度的光電傳感器，根據其用于檢測角位移及旋轉速度或直線位移及直線運動速度又分為光電軸角編碼器和直線編碼器。根據形成代碼的方式不同，光電軸角編碼器分為增量式和絕對式兩大類。光電脈沖編碼器因其精度高、響應快、使用可靠等優點，已廣泛應用于數控機床、軋鋼、紡織器械、電梯、印刷、卷煙機、機器人、磁卡機、電腦刺繡機等工業控制和測試領域。

在工業生產現場，存在光、電、磁和振動等干擾。光電脈沖編碼器輸出脈沖信號的產生和傳輸過程中都可能會受到上述干擾的影響而導致波形畸變，一個實際的光電脈沖編碼器的輸出波形如圖2所示。

圖1 編碼器理想輸出波形 圖2編碼器實際輸出波形

為了從信號中獲得有用的信息，人們對干擾及其過濾進行了大量的研究。已經開展的研究主要是通過對干擾信號的特征提取按照抑制干擾、切斷干擾傳播路徑或者提高敏感器件的抗干擾性能等原則進行干擾處理，并基本滿足了信號濾波的要求。但因工業現場干擾非常復雜，其隨機性、動態性、不可預測性等使抗干擾成為開發和調試工作永恒的課題。

1 基于信號認知的脈沖信號濾波原理

根據香農信息論系統模型，可將到達信號處理單元的信號表達為：

程度。對于脈沖信號，其特征規范，只有脈沖電平、脈沖寬度、頻率等特征。這些特征都容易認知和檢測。因此，對脈沖信號的整形與濾波應以第二種策略為主。下面以旋轉編碼器為例說明對其輸出脈沖信號特征的認知過程：

1.1 對信號電平的認知

脈沖信號的電平只有高電平“1”和低電平 “0”兩種。

1.2 對信號脈沖寬度的認知

1.3 對信號脈沖寬度變化量

由于能源的有限性和機械材料強度的限制，任何運動機械的加速度都會有限定。例如設被測機械在時間 秒內從靜止上升到額定轉速，則任意兩個相連脈沖的寬度變化為：

（4）

1.4 對脈沖信號相關性特征的認知

2 基于FPGA的濾波器設計

隨著電子設計技術的飛速發展，可編程門陣列（FPGA）所具備的功能也越來越強大，可完成極其復雜的時序和組合邏輯電路功能，適用于高速、高密度的高端數字邏輯電路設計領域。

圖3 脈沖信號濾波器原理

圖中采用對M/T法實現轉速的實時測量如圖3中測速模塊所示，通過在一定采樣時間T內，計取MP個脈沖信號的脈沖數和MS個高頻時標脈沖個數，最終輸出實時轉速n。

（5）

式中： 為采樣周期內計取的高頻時標信號數。

采用FPGA正邊沿觸發器和負邊沿觸發器實現對脈沖正跳變或者負跳變信號的檢測，利用脈寬計數器進行比較現脈寬變化率的控制。通過多路選擇器根據輸出脈沖與輸入脈沖關系對正/負邊沿觸發器通道進行選擇，再由脈寬計數器對脈沖寬度計數，如果計數寬度值在合法的寬度范圍內，則為合法脈沖信號并輸出，否則為干擾信號，予以濾除。

在實際運轉過程中，運轉速度存在波動，實際轉速應該留有一定裕量。

3 實驗系統及結果分析

3.1 實驗方法

脈沖信號源取自一型號為P60B1835MXSIJ的伺服電機，額定功率為2.7KW，AC200V，電流10.7A，額定轉速為1500rpm，內置增量式編碼器為2000線。濾波器采用ACTEL公司的大容量多門FPGA ProASIC APA300按圖2構成。FPGA采樣頻率為4MHz，高頻時標頻率為40MHz。

實驗首先使電機在整個速度范圍內運行，分別觀察電機編碼器信號輸出（濾波器輸入信號）和濾波器的輸出并進行比較，再用本文設計的濾波器輸出信號作為位置控制信號對該永磁同步電機進行控制實驗。

圖4速度150rpm時脈沖處理效果 圖5速度1500rpm時脈沖處理效果

3.2 實驗結果分析

實驗在電機從靜止到額定轉速范圍內能將編碼器輸出的脈沖信號進行有效濾波和整形，150rpm和1500rpm時編碼器的輸出脈沖波形和濾波輸出波形如圖4，圖5所示。其中1號通道為濾波器輸出端采集脈沖波形，2號通道為濾波器輸入端采集脈沖波形。用本文設計的濾波器輸出信號作為位置控制信號對該永磁同步電機進行控制實驗時能夠在各種速度下進行有效控制，表明濾波器能夠滿足脈沖信號濾波要求。

4 結論

到達信宿的信號為合法信號與干擾信號的疊加，因此可以采用認知合法信號特征或認知干擾信號特征兩種策略來有效地濾除干擾信號。具體選擇時應該根據兩者哪個的特征容易被認知。脈沖信號特征簡單、規范，只有電平、周期、脈寬等特征參數以及相互關系特征。因此，脈沖信號宜采用對合法信號認知并濾除非法信號的濾波策略。本文采用對合法信號認知并濾除非法信號的濾波策略構成的濾波器滿足了永磁同步電動機控制要求的信號濾波要求。

本文創新點是基于認知模式識別的思想對信號進行認知進行濾波。在干擾多且雜不可能完全分析清楚的情況下，能夠實現濾波達到要求。

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