一種基于施密特觸發(fā)器原理的直流電機(jī)位置控制及消抖算法

黃 峰

(臺(tái)州技師學(xué)院(籌)，浙江 臺(tái)州 318000)

0 引 言

有刷直流電機(jī)由于轉(zhuǎn)速高、結(jié)構(gòu)及控制簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在家用、工業(yè)甚至航天等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。有刷直流電機(jī)應(yīng)用中除了速度控制，在很多場景中也需要位置控制，例如機(jī)器人、閥門的轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制、數(shù)控設(shè)備、雷達(dá)或火炮的隨動(dòng)系統(tǒng)等[1]。這些系統(tǒng)一般要求直流電機(jī)具有響應(yīng)速度快、執(zhí)行效率高、位置調(diào)節(jié)精確等特性。

由于直流電機(jī)內(nèi)部參數(shù)時(shí)變、非線性的特點(diǎn)，使得直流電機(jī)位置伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。經(jīng)典的直流電機(jī)伺服控制策略有反饋線性化、自適應(yīng)魯棒和滑模變等控制算法。反饋線性法在實(shí)際中常遇到數(shù)學(xué)模型難以建立的困難，自適應(yīng)魯棒法容易受強(qiáng)干擾影響導(dǎo)致系統(tǒng)跟蹤性能變差，滑模變控制算法可能存在抖動(dòng)現(xiàn)象[2-3]?；谏鲜鲆蛩?，本文提出一種基于施密特觸發(fā)原理的直流有刷電機(jī)位置控制及消抖算法，該方法已在實(shí)際產(chǎn)品中得以運(yùn)用。據(jù)觀測，本算法具有響應(yīng)速度快、位置控制精度高、硬件要求低等優(yōu)點(diǎn)。

1 控制系統(tǒng)硬件電路

1.1 硬件選型

本控制系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)角度傳感器、微控制器、等硬件，其型號(hào)及元件參數(shù)如表1所示。

表1 有刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件主要清單

1.2 系統(tǒng)硬件框架圖

經(jīng)產(chǎn)品內(nèi)部設(shè)計(jì)，直流有刷電機(jī)通過旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)產(chǎn)品內(nèi)部齒輪箱，以促使電動(dòng)閥門進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作。旋轉(zhuǎn)角度傳感器(電位器)與齒輪箱輸出軸連接，因此旋轉(zhuǎn)角度傳感器的輸出電壓代表了電動(dòng)閥門的位置。微控制器高速采集該電壓并換算成真實(shí)位置，同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)的輸入量得到目標(biāo)位置，再通過內(nèi)部算法處理輸出對(duì)應(yīng)的PWM至電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片以促使有刷直流電機(jī)工作，系統(tǒng)的工作原理框架見圖1。

圖1 有刷直流電機(jī)位置控制系統(tǒng)硬件框架圖

2 有刷直流電機(jī)位置控制算法

2.1 有刷直流電機(jī)位置控制抖動(dòng)的危害

有刷直流電機(jī)在位置控制中最常見的問題就是抖動(dòng)，當(dāng)檢測到目標(biāo)位置和實(shí)際位置存在差異時(shí)，必須控制電機(jī)往目標(biāo)位置進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。但由于位置采樣誤差(如采用編碼器該項(xiàng)誤差可避免)、電機(jī)控制誤差(尤其是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量導(dǎo)致的誤差)等因素，往往不能一次性將電機(jī)位置帶動(dòng)到目標(biāo)位置。有刷直流電機(jī)位置控制如果存在抖動(dòng)，不僅影響產(chǎn)品的使用體驗(yàn)，也會(huì)造成過度使用內(nèi)部的碳刷導(dǎo)致電機(jī)使用壽命銳減，其啟停沖擊電流對(duì)電路電源可靠性也會(huì)造成威脅。

2.2 施密特觸發(fā)器工作原理

施密特觸發(fā)器(Schmitt trigger)是一種電壓比較器電路。正向閾值和負(fù)向閾值不相等，當(dāng)輸入電壓高于正向閾值電壓，輸出為低；當(dāng)輸入電壓低于負(fù)向閾值電壓，輸出為高。當(dāng)輸入在正負(fù)向閾值電壓之間，輸出不改變[4]?；谑┟芴赜|發(fā)器原理的有刷直流電機(jī)位置控制算法不存在如PID算法的積分誤差問題。

圖2 施密特觸發(fā)器輸入和輸出遲滯現(xiàn)象工作原理圖

2.3 算法工作流程

記電機(jī)真實(shí)位置為X，電機(jī)目標(biāo)位置為Y，計(jì)算得到位置誤差為S，設(shè)系統(tǒng)允許誤差絕對(duì)值為W。本系統(tǒng)的控制算法為

(1)當(dāng)S的絕對(duì)值與W相差較大時(shí)，根據(jù)目標(biāo)方向系統(tǒng)輸出滿額度PWM控制電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。

(2)當(dāng)S的絕對(duì)值與W相差小于臨界值(可據(jù)系統(tǒng)行程及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等特性設(shè)定)后，根據(jù)目標(biāo)方向系統(tǒng)減小PWM輸出控制電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，以減小電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

(3)當(dāng)電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，一直到S的絕對(duì)值小于等于W時(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉PWM輸出，保持電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)。

(4)理想情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到系統(tǒng)認(rèn)為的目標(biāo)位置后，保持停止就可以了。但由于位置采樣誤差(模擬傳感器不可避免)，難免會(huì)造成檢測位置與目標(biāo)位置超出偏差，從而造成電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和抖動(dòng)。為消除這種抖動(dòng)，在上述算法基礎(chǔ)上增加基于施密特觸發(fā)原理的消抖算法，并設(shè)定觸發(fā)界限。當(dāng)電機(jī)首次停止后，記錄電機(jī)的檢測位置為R，若后續(xù)檢測的電機(jī)位置與R的誤差小于觸發(fā)界限時(shí)，可認(rèn)為是系統(tǒng)存在的干擾，可不予理會(huì)；當(dāng)后續(xù)檢測的電機(jī)位置與R的誤差大于觸發(fā)界限時(shí)，認(rèn)為首次停止的并非誤差允許范圍內(nèi)的目標(biāo)位置，需要進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過實(shí)測，該算法在執(zhí)行中運(yùn)算效率高，硬件要求低，系統(tǒng)響應(yīng)和位置控制精度都較高。

該算法的流程圖如圖3所示。

圖3 有刷直流電機(jī)位置控制系統(tǒng)算法流程圖

2.4 參考核心程序(C語言版)

u8 SchmitFilter(u16 RealPos,u16 AimPos){

int PosMinus=0,SchmitPosMinus=0;

PosMinus=AimVoltage-RealVoltg;

if((fabs(PosMinus)<=PermissiveError)&&(StateBit==0)){

StateBit=1;

PreAimPos=RealPos;

return 1;}

SchmitPosMinus=RealPos-PreAimPos;

if(fabs(SchmitPosMinus)<=SchmitPermissiveError){

return 1;}

StateBit=0;

return 0;

}

3 算法實(shí)測及改進(jìn)想法

根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求，需完成電動(dòng)閥門0至180度之間的任意轉(zhuǎn)動(dòng)角度位置調(diào)節(jié)。通過使用該算法，將控制信號(hào)(4～20 mA電流)完整周期內(nèi)與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，測得電機(jī)控制的最大角度誤差為1.5度，即最大線性誤差為0.8%，同時(shí)測得該控制系統(tǒng)的重復(fù)性誤差約正負(fù)1度?？刂菩盘?hào)與電機(jī)角度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系制成圖標(biāo)，如圖4所示。

圖4 控制信號(hào)輸入(電流mA)與電動(dòng)閥門角度(度)輸出關(guān)系曲線

實(shí)踐證明本算法可在常規(guī)有刷直流電機(jī)位置控制中進(jìn)行采用。針對(duì)本算法的進(jìn)一步改進(jìn)，有如下思考：①調(diào)節(jié)過程中增加電流監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。②建立常用電機(jī)的狀態(tài)模型，進(jìn)行不同負(fù)載和速度之間的數(shù)據(jù)測試，以匹配不同應(yīng)用場景的速度調(diào)節(jié)、系統(tǒng)允許誤差及誤差觸發(fā)界限等參數(shù)。③在此基礎(chǔ)上，探究實(shí)現(xiàn)更高位置控制精度的可能性。

4 結(jié) 語

本文從實(shí)踐應(yīng)用需求出發(fā)，在學(xué)習(xí)有刷直流電機(jī)位置控制經(jīng)典算法的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的控制算法。經(jīng)過實(shí)測及產(chǎn)品級(jí)應(yīng)用，表明該算法具有響應(yīng)速度快、程序編寫較為簡易、硬件支持要求低、調(diào)節(jié)精度較高、不會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)的特點(diǎn)，可供相關(guān)行業(yè)人士借鑒參考。同時(shí)本文對(duì)該算法的后續(xù)改進(jìn)提出了思考。