MICROMOTORS
第53卷第1期020年 12月
Vol. 53. Nx 1
Dec. 2020
黄峰
(台州技师学院(筹/浙江台州318000)
摘 要：有刷直流电机的位置控制是一种常用的工作场景，对系统的响应速度、调节速度和控制精度等都有一定要
求。经典的有刷直流电机位置控制算法一般都较理论，算法编写和调试较为复杂。基于现实应用需求，提岀了一种 新型的控制算法。该算法基于电子电路中施密特触发器的工作原理，实测具有响应速度快、控制精度较高、无抖
动、适用范围广和编程简易等特点，可供相关技术人员参考借鉴。
关键词：有刷直流电机，有刷直流电机位置控制，有刷直流电机位置控制消抖
中图分类号：TM339； TM332; TP778 文献标志码：A 文章编号：109-6848(2020)12-019-03
A Simple Position Control With Chattering Elimination Algorithm
of DC Motoo Baser on Schmith Principle
HUANG Feng
(Taizhou Technical Collear , Taizhou Zhejiang 31200 , China /
Abstroci : The position control of the bnsh DC motor is a common worUing scene ； which requires the re
sponse speed , regulation speed anV control accyncy of the system. The classicai algorithm of position controi
of BLDCM is giiPiy more thinticaT anV the algorithm is more compleo to w/io anV Ulup. Based on the nqiiinmiis of practicai application , a new control algorithm was pnposed. The algorithm was based on the
p/ncipte of Schmitt tugger in electronic circuit. The measurement has the characte/stics of fast response ；
high control accvraco , no fitter , wipe applicaUon range anV simpte pngramming , which can be used far ref-
ienco bp relevvvt technicians.
Key worOt : brush D C motor ； position control of brush DC motor ； chatte/ng elimination of position controi
tnobouseDCmnino
o 引言
有刷直流电机由于转速高、结构及控制简单、 成本低廉等优点，在家用、工业甚至航天等领域都
得到了广泛应用。有刷直流电机应用中除了速度控
制，在很多场景中也需要位置控制，例如机器人、 阀门的转动角度控制、数控设备、雷达或火炮的随 动系统等J ］。这些系统一般要求直流电机具有响应
速度快、执行效率高、位置调节精确等特性。
由于直流电机内部参数时变、非线性的特点，
使得直流电机位置伺服控制系统设计较为复杂。经
典的直流电机伺服控制策略有反馈线性化、自适应 鲁棒和滑模变等控制算法。反馈线性法在实际中常 遇到数学模型难以建立的困难，自适应鲁棒法容易 受强干扰影响导致系统跟踪性能变差，滑模变控制
算法可能存在抖动现象［4］。基于上述因素，本文提
出一种基于施密特触发原理的直流有刷电机位置控 制及消抖算法，该方法已在实际产品中得以运用。 据观测，本算法具有响应速度快、位置控制精度高、 硬件要求低等优点。
1控制系统硬件电路
1.1硬件选型
本控制系统采用旋转角度传感器、微控制器、
等硬件，其型号及元件参数如表1所示。
收稿日期：2020—03 —03
作者简介：黄 峰(1969)，硕士研究生，讲师，研究方向为智能阀门控制
-112•微电机55卷表1有刷直流电机控制系统硬件主要清单
元件名称型号元件参数
有刷直FC-280SC吩一9/，额定转速-500
流电机转，额定扭力4.76mNm
旋转角度传感器SV01A103AEA01
额定电压，标准阻值-k Q,
线性度
微控制器STM8L151K4T6最高频率9MHz,32KB内部Flash.9位ADC等
电机驱动芯片RZ7899最高电压，双向4'2A
电流马达驱动，多重保护
1.2系统硬件框架图
经产品内部设计，直流有刷电机通过旋转轴带动产品内部齿轮箱，以促使电动阀门进行开关动作。旋转角度传感器（电位器-与齿轮箱输出轴连接，因此旋转角度传感器的输出电压代表了电动阀门的位置。微控制器高速采集该电压并换算成真实位置，同时根据系统的输入量得到目标位置，再通过内部算法处理输出对应的PWM至电机驱动芯片以促使有刷直流电机工作，系统的工作原理框架见图9
图1有刷直流电机位置控制系统硬件框架图
2有刷直流电机位置控制算法
25有刷直流电机位置控制抖动的危害
有刷直流电机在位置控制中最常见的问题就是抖动，当检测到目标位置和实际位置存在差异时，必须控制电机往目标位置进行偏转。但由于位置采样误差（如采用编码器该项误差可避免-、电机控制误差（尤其是电机转动惯量导致的误差）等因素，往往不能一次性将电机位置带动到目标位置。有刷直流电机位置控制如果存在抖动，不仅影响产品的使用体验，也会造成过度使用内部的碳刷导致电机使用寿命锐减，其启停冲击电流对电路电源可靠性也会造成威胁。
22施密特触发器工作原理
施密特触发器（Schmitt thgeerS是一种电压比较器电路。正向阈值和负向阈值不相等，当输入电压高于正向阈值电压，输出为低；当输入电压低于负向阈值电压，输出为高。当输入在正负向阈值电压之间，输出不改变⑷。基于施密特触发器原理的有刷直流电机位置控制算法不存在如PIU算法的积分误差问题。23算法工作流程
记电机真实位置为X，电机目标位置为Y，计算得到位置误差为S，设系统允许误差绝对值为W o 本系统的控制算法为
（9当s的绝对值与w相差较大时，根据目标方向系统输出满额度PWM控制电机进行转动。
（2）当S的绝对值与W相差小于临界值（可据系统行程及转动惯量等特性设定）后，根据目标方向系统减小PWM输出控制电机进行转动，以减小电机的转动惯量。
（3）当电机继续转动，一直到S的绝对值小于等于W时，系统关闭PWM输出，保持电机处于静止状态。
（4）理想情况下，电机转动到系统认为的目标位置后，保持停止就可以了。但由于位置采样误差（模拟传感器不可避免），难免会造成检测位置与目标位置超出偏差，从而造成电机转动和抖动。为消除这种抖动，在上述算法基础上增加基于施密特触发原理的消抖算法，并设定触发界限。当电机首次停止后，记录电机的检测位置为R，若后续检测的电机位置与R的误差小于触发界限时，可认为是系统存在的干扰，可不予理会；当后续检测的电机位置与R的误差大于触发界限时，认为首次停止的并非误差允许范围内的目标位置，需要进一步进行调整。经过实测，该算法在执行中运算效率高，硬件要求低，系统响应和位置控制精度都较高。
该算法的流程图如图3所示。
图3有刷直流电机位置控制系统算法流程图
2.4参考核心程序(C语言版)
uU SchmitFilterf u—Realdos,u—AimPos-{
int PosMinns=2 ,SchmitPosMinus=2；
PosMinns=AimVoltaye-RealVolta；
if(( fab s(Po s M inn s-<=Pennis s i v vErrof[
&&
12期黄峰：一种基于施密特触发器原理的直流电机位置控制及消抖算法-110•
(StateBit-=6)){
SateBit-1；
PmAimPes-RealPos；
mtu/1；}
SchmitPosMkus-RealPos-EreAimPes；
if(fads(SchmithosMinos)<-SchmitPpmissmeEo uo-{
mtu/1；}
StateBit-6 ；
mtu/6；
(
3算法实测及改进想法
根据产品设计需求，需完成电动阀门6至14度之间的任意转动角度位置调节。通过使用该算法，将控制信号(4-22mA电流)完整周期内与电机转动角度之间的数据进行记录，测得电机控制的最大角度误差为1.2度，即最大线性误差为6.8%，同时测得该控制系统的重复性误差约正负1度。控制信号与电机角度之间的对应关系制成图标，如图4所示。
实践证明本算法可在常规有刷直流电机位置控制中进行采用。针对本算法的进一步改进，有如下思考：①调节过程中增加电流监测，实现软启动。
②建立常用电机的状态模型，进行不同负载和速度之间的数据测试，以匹配不同应用场景的速度调节、系统允许误差及误差触发界限等参数。③在此基础上，探究实现更高位置控制精度的可能性。
4结语
本文从实践应用需求出发，在学习有刷直流电机位置控制经典算法的基础上，提出了一种新型的控制算法。经过实测及产品级应用，表明该算法具有响应速度快、程序编写较为简易、硬件支持要求低、调节精度较高、不会出现抖动的特点，可供相关行业人士借鉴参考。同时本文对该算法的后续改进提
出了思考。
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图4控制信号输入(电流mA)与电动阀门角度(度)
输出关系曲线
(上接第103页)
此，无感线圈应用电机温升测量还需要各电机生产厂家的大力推广和相应的仪表厂协同生产这种测温仪表。
5结语
无感线圈必须预先同绕组一起嵌入电机铁芯槽中，才能准确测量电机绕组温度。再次，无感线圈固定在电机铁芯槽里，测量值稳定可靠。无感线圈的线径尽量较小，其电阻就较大。电阻越大，对温度的计算值就较准确。该方式测量准确度和可靠性要高于目前的标准中的测量方法，并且能够弥补断电测量电机绕组温度的缺陷。参考文献
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