無刷直流電機RBF磁場定向控制及監控系統設計

摘 要： 針對現有無刷直流電機轉矩脈動抑制方法存在抑制效果不理想，或脈動抑制效果好但學習算法復雜，不利于推廣的問題，將RBF神經網絡與磁場定向控制相結合，選用Luminary 615微控制器和無刷電機專用芯片MC33035，設計了無刷直流電機磁場定向控制系統。并開發基于Visual Basic的配套電機上位機監控系統，能在低成本下實現轉速等參數的圖形化顯示及電機參數等的設置。實驗結果表明，所設計的無刷直流電機RBF磁場定向控制系統轉矩脈動小、控制精度高。

關鍵詞： 無刷直流電機； 磁場定向控制； RBF； 監控系統

中圖分類號： TN948.64?34； TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）20?0171?04

Abstract： The available torque ripple suppression method of brushless DC motor has unsatisfactory suppression effect， or good ripple suppression effect while owning complicated learning algorithm， and is bad for promotion. To solve these problems， the field?oriented control system of the brushless DC motor was designed， which combines the RBF neural network and field?oriented control， and uses Luminary 615 microcontroller and brushless motor dedicated chip MC33035. The Visualbasic?based upper computer monitoring system matching with the motor was developed， which can realize the graphical display of parameters such as rotate speed and setting of motor parameters with low cost. The experimental results show that the designed RBF field?oriented control system of brushless DC motor has small torque ripple and high control accuracy.

Keywords： brushless DC motor； field?oriented control； RBF； monitoring system

無刷直流電機的轉矩脈動及其抑制研究是目前無刷電機領域的研究熱點之一[1?6]。現有的無刷直流電機轉矩脈動抑制方法抑制效果仍不理想，抑制效果較好的又存在學習算法復雜，不利于產業化問題。個別文獻在無刷直流電機控制系統中使用磁場定向控制策略，能一定程度降低其轉矩脈動[4?5]。文獻[5]設計了基于磁場定向控制的無刷直流電機控制系統試驗平臺，電機轉矩和轉速脈動較小，但其控制性能有待進一步提高。文獻[6]提出利用 BP 神經網絡算法抑制換相轉矩脈動，該智能控制方法轉矩脈動抑制效果好，但學習算法復雜，收斂慢，不利于大規模推廣。本文用RBF神經網絡速度環取代文獻[5]中的普通速度環，基于Luminary 615微控制器和無刷電機專用芯片MC33035[7]，設計了無刷直流電機RBF磁場定向控制系統。現有的電機監控系統要實現實時數據圖形化顯示，一般設計較復雜[8]。本文基于Visual Basic開發了配套的上位機監控系統，設計簡單，能在低成本下實現轉速等實時數據的波形顯示及參數設置，具有一定的理論意義和實用價值。

1 基于RBF神經網絡的無刷直流電機磁場定

向控制策略

1.1 基于RBF的無刷直流電機磁場定向控制系統

與永磁同步電機磁場定向控制相比，目前沒有學者給出無刷直流電機d?q坐標系下的精確等效電路。本設計參照文獻[5]，通過跟蹤控制各相電流設定值，實現無刷直流電機的ID=0控制。電流的跟蹤方式為滯環跟蹤，系統采用RBF速度環。

圖1給出了基于RBF的無刷直流電機磁場定向控制系統框圖。

1.2 RBF速度環

1.2.1 RBF速度環結構

RBF神經網絡是三層前饋神經網絡，一個隱層，函數逼近能力好、學習速度較快且無局部極小值。本設計中，磁場定向控制系統中的速度環采用兩輸入、單輸出的RBF神經網絡，RBF速度環結構如圖2所示。

1.2.2 RBF神經網絡

RBF神經網絡拓撲圖見圖3。

2 RBF磁場定向無刷電機控制系統及監控系 統硬件設計

2.1 系統硬件結構

本系統微控制器選擇Luminary 615，電機控制芯片采用專用無刷電機控制芯片MC33035。微控制器單元、電源電路、串口通信電路、邏輯電路、驅動電路等為控制系統的主要組成部分，系統硬件結構框圖如圖4所示。

2.2 微控制器Luminary 615

Luminary 615微控制器是首款基于ARM? CortexTM?M3的控制器，將高性能的32位計算引入到對價格敏感的嵌入式微控制器中。Luminary 615的最小系統板原理圖如圖5所示。

2.3 串口通信電路

下位機串行口只占用了PD2以及PD3，作為單片機接收端RXD和發送端TXD。在計算機和下位計算機通信，只需將接收信號（TX，RX）和（GND）三線接好即可。串行接口芯片級的TTL電平，它與計算機串行接口電平不一致，因此需要電平轉換。

系統選擇采用MAXIM MAX232串行公司生產的接收/發送驅動芯片，外圍電路簡單，只需4個0.1 μF電容器可以實現電平轉換功能。

2.4 邏輯電路

本設計選用無刷電機專用芯片MC33035[7]，穩定性高，具體電路圖見圖6。

3 系統下位機軟件設計

本系統的下位機軟件采用模塊化的方法進行設計，采用IAR編程環境，IAR編程環境風格簡易方便，功能齊全，采用C語言進行編程。軟件的編寫流程見圖7。

4 控制系統上位機監控軟件設計結論

4.1 上位機監控軟件流程

開發電機監控系統，希望能方便、靈活地選擇電機參數、進行狀態監測及發送電機命令。如圖8所示為本文上位機監控系統的軟件流程圖。

4.2 上位機監控系統的串行通信程序設計

4.3 基于VB的上位機監控系統設計

Visual Basic 2005語言功能強大，易于學習。它不僅保留了原有Basic的所有功能，還新增加了面向對象編程功能。本文在Visual Basic 2005編程平臺上建立了一個基于對話框的程序，完成了無刷直流電機磁場定向控制系統的運行參數監控及參數設置。圖10和圖11分別為開發系統的電機參數設置及通信設置界面。

5 系統測試

系統測試采用的無刷直流電機型號為42BLF03，參數為額定功率78 W，額定力矩0.188 N·m，電樞繞組電阻1.8 Ω，電樞繞組電感0.54 mH，額定電壓24 V，額定轉速4 000 r/min。

利用串口線將無刷電機控制板連接到PC機，并在監控軟件上打開相應的通信串口，在PC機監控界面設定電機的轉速為正轉3 000 r/min（水平拖動移動塊時，調的最小單位1代表50 r/min），下位機將采集的系統輸入電壓和實際測得的轉速傳回給電腦，在監控軟件上顯示出來，如圖12所示。電腦顯示電機實際轉速為3 010 r/min，存在的誤差為0.33%，無刷直流電機的實際轉速達到上位機設定的轉速值，由速度波形可見設計的無刷直流電機RBF磁場定向控制轉速脈動小，說明其轉矩脈動小（文獻[2]提出了電機轉矩脈動衡量指標，認為轉速脈動小，轉矩脈動肯定小）。同時上位機顯示的電壓與實際萬用表測得的電壓一致，都為23.94 V。設計的無刷直流電機RBF磁場定向控制轉矩脈動小、控制精度高，監控系統功能達到設計要求。

6 結 論

設計利用Luminary 615微控制器和無刷電機專用芯片MC33035，在無刷直流電機磁場定向控制系統中采用RBF速度環，設計了無刷直流電機磁場定向控制系統，并開發了基于Visual Basic的配套上位機監控系統，進行了42BLF03無刷直流電機實驗，結果表明，設計的無刷直流電機RBF磁場定向控制系統轉矩脈動小、控制精度高，開發的配套監控系統能在低成本下實現轉速、電壓等參數的圖形化顯示及參數設置。

參考文獻

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