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在自动焊接机的焊丝移动检测中，信号常受焊接电弧、电机振动、电磁干扰（如 50Hz 工频）等影响，表现为高频噪声、尖峰脉冲或基线漂移，需通过滤波器处理以提取稳定的送丝速度、位移等有效信号。以下是具体的滤波方案设计、实现方式及参数调试方法：

一、焊丝移动检测信号的特征与干扰分析

1. 有效信号特征

• 焊丝移动信号（如编码器脉冲、激光测速信号）通常为低频平稳信号：

• 送丝速度范围：3-15m/min（对应低频波动，频率≤1Hz）；

• 位移信号：随送丝持续累积，变化缓慢（准直流特性）。

2. 主要干扰类型

• 高频噪声：焊接电弧产生的电磁辐射（100Hz-1MHz）、电机电刷火花干扰，表现为信号上叠加的快速波动；

• 工频干扰：50Hz（或 60Hz）电网干扰，通过电缆耦合进入信号回路，形成周期性波动；

• 脉冲干扰：送丝轮打滑、焊丝抖动产生的瞬时尖峰信号（毫秒级突发）；

• 基线漂移：传感器温度漂移（如编码器信号随环境温度缓慢偏移）。

二、滤波器选型与设计

根据干扰类型和信号特征，需组合使用数字滤波（适合 PLC / 控制器实现）和模拟滤波（适合传感器输出端预处理），具体方案如下：

1. 模拟滤波：预处理抑制高频与工频干扰

在传感器信号输出端（如编码器、激光测速仪）与采集模块（PLC 模拟量输入 / 高速计数口）之间加装模拟滤波器，抑制高频干扰，减轻后续数字处理压力。

• （1）RC 低通滤波器（抑制高频噪声）

• 目标：保留≤10Hz 的送丝信号（因送丝速度最大 15m/min，对应变化频率≤0.25Hz，留足余量），滤除 100Hz 以上高频噪声；

• 计算：取$f_c=10Hz$，则$RC=1/(2\pi \times 10)\approx 0.016s$，可选 R=10kΩ、C=1.6μF（实际可通过示波器调试）。

• 原理：通过电阻（R）和电容（C）构成一阶低通电路，截止频率$f_c=1/(2\pi RC)$，高于$f_c$的高频信号被衰减。

• 参数选择：

• 安装位置：编码器信号线、激光测速仪模拟量输出端（靠近传感器侧）。

• （2）陷波滤波器（抑制 50Hz 工频干扰）

• 原理：针对 50Hz（或 60Hz）频率设计的带阻滤波器，大幅衰减工频信号，对其他频率影响小。

• 实现：采用专用陷波滤波模块（如工业级 50Hz 陷波器，衰减量≥40dB），或通过运放搭建双 T 型陷波电路（中心频率 50Hz，Q 值 5-10）。

• 适用场景：当信号中 50Hz 干扰明显（如示波器观察到周期性波动）时使用，避免干扰被误判为送丝速度波动。

2. 数字滤波：进一步抑制脉冲与漂移（PLC / 控制器实现）

模拟滤波后，信号进入 PLC 或控制器，通过数字算法处理残留干扰（如脉冲尖峰、缓慢漂移），常用算法如下：

• （1）中值滤波：抑制脉冲干扰（送丝轮打滑 / 抖动）

• 原理：连续采集 N 个数据（如 5 个），排序后取中间值作为有效输出，可消除瞬时尖峰（如焊丝抖动产生的异常脉冲）。

• 参数选择：N 取 5-9（奇数），兼顾响应速度与滤波效果（N 过大导致信号滞后）。

• PLC 实现示例（以西门子 S7-1500 为例，ST 语言）：

  st

• // 中值滤波函数：输入5个采样值，返回中值
  FUNCTION_BLOCK MedianFilter
  VAR_INPUT
      DataArray: ARRAY[1..5] OF REAL;  // 采样数组
  END_VAR
  VAR_OUTPUT
      Median: REAL;  // 中值
  END_VAR
  VAR_TEMP
      SortedArray: ARRAY[1..5] OF REAL;  // 排序后数组
      i, j: INT;
      Temp: REAL;
  END_VAR
  
  // 冒泡排序
  SortedArray := DataArray;
  FOR i := 1 TO 4 DO
      FOR j := 1 TO 5 - i DO
          IF SortedArray[j] > SortedArray[j+1] THEN
              Temp := SortedArray[j];
              SortedArray[j] := SortedArray[j+1];
              SortedArray[j+1] := Temp;
          END_IF;
      END_FOR;
  END_FOR;
  Median := SortedArray[3];  // 取中间值
  END_FUNCTION_BLOCK

• （2）滑动平均滤波：平滑高频残留噪声

• 原理：取最近 N 次采样的平均值作为当前输出，抑制随机高频噪声（如滤波后仍存在的微小波动）。

• 参数选择：N=8-16（根据采样频率调整，如 100ms 采样一次，N=10 对应 1 秒内的平均，兼顾平滑与响应速度）。

• 注意：与中值滤波结合使用（先中值去脉冲，再平均去高频），效果更佳。

• （3）一阶滞后滤波：抑制基线漂移

• 原理：通过加权计算当前采样值与上一次滤波结果，公式：$Y(n)=\alpha \times X(n)+(1-\alpha )\times Y(n-1)$，其中$\alpha$为滤波系数（0<α<1），α 越小，滤波效果越强（滞后越大）。

• 应用：修正传感器温度漂移（如编码器信号的缓慢基线偏移），α 取 0.2-0.5（送丝信号变化慢，可接受一定滞后）。

三、滤波流程与参数调试

1. 整体滤波流程

传感器信号 → 模拟低通滤波（RC，10Hz 截止） → 模拟陷波滤波（50Hz） → PLC 采集（A/D 转换） → 数字中值滤波（N=5） → 数字滑动平均滤波（N=10） → 输出有效信号（送丝速度 / 位移）。

2. 调试步骤

• （1）干扰识别：用示波器观察原始信号，记录干扰频率（如是否有 50Hz 峰值、高频噪声范围）和类型（脉冲 / 连续）。

• （2）模拟滤波调试：

• 调整 RC 低通的 R、C 值，使示波器中高频噪声（>10Hz）基本消除，同时送丝信号无明显失真；

• 开启陷波滤波后，确认 50Hz 干扰幅值降低至原来的 1/10 以下。

• （3）数字滤波调试：

• 无脉冲干扰时，单独测试滑动平均滤波，调整 N 值使信号平滑且响应延迟≤0.5 秒（避免影响送丝闭环控制）；

• 人为制造焊丝抖动（模拟脉冲干扰），测试中值滤波效果，确保尖峰信号被有效过滤，且正常送丝信号不受影响。

四、注意事项

1. 滤波与响应速度平衡：滤波强度过大会导致信号滞后（如送丝速度变化后，检测值延迟更新），需根据焊接工艺要求调整（如高速焊接需更小的 N 值，优先保证响应）。

2. 接地与屏蔽：滤波器安装时，信号电缆需用屏蔽双绞线，屏蔽层单端接地（与 PLC 共地），减少干扰源耦合。

3. 适配不同焊丝直径：细焊丝（如 φ0.8mm）易受抖动影响，需加强中值滤波（N=9）；粗焊丝（如 φ1.6mm）信号稳定，可减小 N 值（N=5）。

通过以上组合滤波方案，可将焊丝移动检测信号的信噪比提升 10-20dB，确保送丝速度测量误差≤±0.1m/min，为焊接质量闭环控制（如电流、电压随送丝速度动态调整）提供可靠数据基础。