無刷直流電機RBF磁場定向控制及監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

摘 要： 針對現(xiàn)有無刷直流電機轉(zhuǎn)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(xué)習(xí)算法復(fù)雜，不利于推廣的問題，將RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與磁場定向控制相結(jié)合，選用Luminary 615微控制器和無刷電機專用芯片MC33035，設(shè)計了無刷直流電機磁場定向控制系統(tǒng)。并開發(fā)基于Visual Basic的配套電機上位機監(jiān)控系統(tǒng)，能在低成本下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速等參數(shù)的圖形化顯示及電機參數(shù)等的設(shè)置。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的無刷直流電機RBF磁場定向控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動小、控制精度高。

關(guān)鍵詞： 無刷直流電機； 磁場定向控制； RBF； 監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號： TN948.64?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)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(zhuǎn)矩脈動及其抑制研究是目前無刷電機領(lǐng)域的研究熱點之一[1?6]?，F(xiàn)有的無刷直流電機轉(zhuǎn)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(xué)習(xí)算法復(fù)雜，不利于產(chǎn)業(yè)化問題。個別文獻(xiàn)在無刷直流電機控制系統(tǒng)中使用磁場定向控制策略，能一定程度降低其轉(zhuǎn)矩脈動[4?5]。文獻(xiàn)[5]設(shè)計了基于磁場定向控制的無刷直流電機控制系統(tǒng)試驗平臺，電機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速脈動較小，但其控制性能有待進(jìn)一步提高。文獻(xiàn)[6]提出利用 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動，該智能控制方法轉(zhuǎn)矩脈動抑制效果好，但學(xué)習(xí)算法復(fù)雜，收斂慢，不利于大規(guī)模推廣。本文用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)速度環(huán)取代文獻(xiàn)[5]中的普通速度環(huán)，基于Luminary 615微控制器和無刷電機專用芯片MC33035[7]，設(shè)計了無刷直流電機RBF磁場定向控制系統(tǒng)?，F(xiàn)有的電機監(jiān)控系統(tǒng)要實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)圖形化顯示，一般設(shè)計較復(fù)雜[8]。本文基于Visual Basic開發(fā)了配套的上位機監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計簡單，能在低成本下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速等實時數(shù)據(jù)的波形顯示及參數(shù)設(shè)置，具有一定的理論意義和實用價值。

1 基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)

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

圖1給出了基于RBF的無刷直流電機磁場定向控制系統(tǒng)框圖。

1.2 RBF速度環(huán)

1.2.1 RBF速度環(huán)結(jié)構(gòu)

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是三層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，一個隱層，函數(shù)逼近能力好、學(xué)習(xí)速度較快且無局部極小值。本設(shè)計中，磁場定向控制系統(tǒng)中的速度環(huán)采用兩輸入、單輸出的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，RBF速度環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2.2 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見圖3。

2 RBF磁場定向無刷電機控制系統(tǒng)及監(jiān)控系 統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)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(qū)動電路等為控制系統(tǒng)的主要組成部分，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(fā)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(zhuǎn)換。

系統(tǒng)選擇采用MAXIM MAX232串行公司生產(chǎn)的接收/發(fā)送驅(qū)動芯片，外圍電路簡單，只需4個0.1 μF電容器可以實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換功能。

2.4 邏輯電路

本設(shè)計選用無刷電機專用芯片MC33035[7]，穩(wěn)定性高，具體電路圖見圖6。

3 系統(tǒng)下位機軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的下位機軟件采用模塊化的方法進(jìn)行設(shè)計，采用IAR編程環(huán)境，IAR編程環(huán)境風(fēng)格簡易方便，功能齊全，采用C語言進(jìn)行編程。軟件的編寫流程見圖7。

4 控制系統(tǒng)上位機監(jiān)控軟件設(shè)計結(jié)論

4.1 上位機監(jiān)控軟件流程

開發(fā)電機監(jiān)控系統(tǒng)，希望能方便、靈活地選擇電機參數(shù)、進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測及發(fā)送電機命令。如圖8所示為本文上位機監(jiān)控系統(tǒng)的軟件流程圖。

4.2 上位機監(jiān)控系統(tǒng)的串行通信程序設(shè)計

4.3 基于VB的上位機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

Visual Basic 2005語言功能強大，易于學(xué)習(xí)。它不僅保留了原有Basic的所有功能，還新增加了面向?qū)ο缶幊坦δ?。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(tǒng)的運行參數(shù)監(jiān)控及參數(shù)設(shè)置。圖10和圖11分別為開發(fā)系統(tǒng)的電機參數(shù)設(shè)置及通信設(shè)置界面。

5 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試采用的無刷直流電機型號為42BLF03，參數(shù)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(zhuǎn)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(jiān)控軟件上打開相應(yīng)的通信串口，在PC機監(jiān)控界面設(shè)定電機的轉(zhuǎn)速為正轉(zhuǎn)3 000 r/min（水平拖動移動塊時，調(diào)的最小單位1代表50 r/min），下位機將采集的系統(tǒng)輸入電壓和實際測得的轉(zhuǎn)速傳回給電腦，在監(jiān)控軟件上顯示出來，如圖12所示。電腦顯示電機實際轉(zhuǎn)速為3 010 r/min，存在的誤差為0.33%，無刷直流電機的實際轉(zhuǎn)速達(dá)到上位機設(shè)定的轉(zhuǎn)速值，由速度波形可見設(shè)計的無刷直流電機RBF磁場定向控制轉(zhuǎn)速脈動小，說明其轉(zhuǎn)矩脈動小（文獻(xiàn)[2]提出了電機轉(zhuǎn)矩脈動衡量指標(biāo)，認(rèn)為轉(zhuǎn)速脈動小，轉(zhuǎn)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(shè)計的無刷直流電機RBF磁場定向控制轉(zhuǎn)矩脈動小、控制精度高，監(jiān)控系統(tǒng)功能達(dá)到設(shè)計要求。

6 結(jié) 論

設(shè)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(tǒng)中采用RBF速度環(huán)，設(shè)計了無刷直流電機磁場定向控制系統(tǒng)，并開發(fā)了基于Visual Basic的配套上位機監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行了42BLF03無刷直流電機實驗，結(jié)果表明，設(shè)計的無刷直流電機RBF磁場定向控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動小、控制精度高，開發(fā)的配套監(jiān)控系統(tǒng)能在低成本下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電壓等參數(shù)的圖形化顯示及參數(shù)設(shè)置。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱俊杰，楊龍，賢揚.基于轉(zhuǎn)矩脈動特性的無刷直流電機換相轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法[J].信息與控制，2014，43（6）：762?768.

[2] 殷帥.無刷直流電機做電動汽車驅(qū)動電機時轉(zhuǎn)矩脈動降低方法[D].太原：中北大學(xué)，2014.

[3] SHI J， LI T C. New method to eliminate commutation torque ripple of brushless DC motor with minimum commutation time [J]. IEEE transactions on industrial electronics， 2013， 60（6）： 2139?2146.

[4] 吳茂剛，趙榮祥.矢量控制永磁同步電動機的轉(zhuǎn)矩脈動分析[J].電工技術(shù)學(xué)報，2007，22（2）：9?14.

[5] 肖金鳳，張壘，盛義發(fā).無刷直流電機磁場定向控制策略研究與實現(xiàn)[J].控制工程，2013，20（1）：158?162.

[6] 李春峰.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無刷直流電機換相轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法的研究[J].長春大學(xué)學(xué)報，2012，22（10）：1181?1185.

[7] 吳濤，楊靖.基于MC33035的無刷直流電機電控糾偏控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電氣傳動，2014，44（5）：58?61.

[8] 徐剛，王馬林，周東輝，等.基于LabVIEW RT 的交流伺服電機實時監(jiān)控系統(tǒng)[J].自動化應(yīng)用，2015（7）：30?31.