无刷直流电机RBF磁场定向控制及监控系统设计

摘 要： 针对现有无刷直流电机转矩脉动抑制方法存在抑制效果不理想，或脉动抑制效果好但学习算法复杂，不利于推广的问题，将RBF神经网络与磁场定向控制相结合，选用Luminary 615微控制器和无刷电机专用芯片MC33035，设计了无刷直流电机磁场定向控制系统。并开发基于Visual Basic的配套电机上位机监控系统，能在低成本下实现转速等参数的图形化显示及电机参数等的设置。实验结果表明，所设计的无刷直流电机RBF磁场定向控制系统转矩脉动小、控制精度高。

关键词： 无刷直流电机； 磁场定向控制； RBF； 监控系统

中图分类号： TN948.64?34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 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

无刷直流电机的转矩脉动及其抑制研究是目前无刷电机领域的研究热点之一[1?6]。现有的无刷直流电机转矩脉动抑制方法抑制效果仍不理想，抑制效果较好的又存在学习算法复杂，不利于产业化问题。个别文献在无刷直流电机控制系统中使用磁场定向控制策略，能一定程度降低其转矩脉动[4?5]。文献[5]设计了基于磁场定向控制的无刷直流电机控制系统试验平台，电机转矩和转速脉动较小，但其控制性能有待进一步提高。文献[6]提出利用 BP 神经网络算法抑制换相转矩脉动，该智能控制方法转矩脉动抑制效果好，但学习算法复杂，收敛慢，不利于大规模推广。本文用RBF神经网络速度环取代文献[5]中的普通速度环，基于Luminary 615微控制器和无刷电机专用芯片MC33035[7]，设计了无刷直流电机RBF磁场定向控制系统。现有的电机监控系统要实现实时数据图形化显示，一般设计较复杂[8]。本文基于Visual Basic开发了配套的上位机监控系统，设计简单，能在低成本下实现转速等实时数据的波形显示及参数设置，具有一定的理论意义和实用价值。

1 基于RBF神经网络的无刷直流电机磁场定

向控制策略

1.1 基于RBF的无刷直流电机磁场定向控制系统

与永磁同步电机磁场定向控制相比，目前没有学者给出无刷直流电机d?q坐标系下的精确等效电路。本设计参照文献[5]，通过跟踪控制各相电流设定值，实现无刷直流电机的ID=0控制。电流的跟踪方式为滞环跟踪，系统采用RBF速度环。

图1给出了基于RBF的无刷直流电机磁场定向控制系统框图。

1.2 RBF速度环

1.2.1 RBF速度环结构

RBF神经网络是三层前馈神经网络，一个隐层，函数逼近能力好、学习速度较快且无局部极小值。本设计中，磁场定向控制系统中的速度环采用两输入、单输出的RBF神经网络，RBF速度环结构如图2所示。

1.2.2 RBF神经网络

RBF神经网络拓扑图见图3。

2 RBF磁场定向无刷电机控制系统及监控系 统硬件设计

2.1 系统硬件结构

本系统微控制器选择Luminary 615，电机控制芯片采用专用无刷电机控制芯片MC33035。微控制器单元、电源电路、串口通信电路、逻辑电路、驱动电路等为控制系统的主要组成部分，系统硬件结构框图如图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，将高性能的32位计算引入到对价格敏感的嵌入式微控制器中。Luminary 615的最小系统板原理图如图5所示。

2.3 串口通信电路

下位机串行口只占用了PD2以及PD3，作为单片机接收端RXD和发送端TXD。在计算机和下位计算机通信，只需将接收信号（TX，RX）和（GND）三线接好即可。串行接口芯片级的TTL电平，它与计算机串行接口电平不一致，因此需要电平转换。

系统选择采用MAXIM MAX232串行公司生产的接收/发送驱动芯片，电路简单，只需4个0.1 μF电容器可以实现电平转换功能。

2.4 逻辑电路

本设计选用无刷电机专用芯片MC33035[7]，稳定性高，具体电路图见图6。

3 系统下位机软件设计

本系统的下位机软件采用模块化的方法进行设计，采用IAR编程环境，IAR编程环境风格简易方便，功能齐全，采用C语言进行编程。软件的编写流程见图7。

4 控制系统上位机监控软件设计结论

4.1 上位机监控软件流程

开发电机监控系统，希望能方便、灵活地选择电机参数、进行状态监测及发送电机命令。如图8所示为本文上位机监控系统的软件流程图。

4.2 上位机监控系统的串行通信程序设计

4.3 基于VB的上位机监控系统设计

Visual Basic 2005语言功能强大，易于学习。它不仅保留了原有Basic的所有功能，还新增加了面向对象编程功能。本文在Visual Basic 2005编程平台上建立了一个基于对话框的程序，完成了无刷直流电机磁场定向控制系统的运行参数监控及参数设置。图10和图11分别为开发系统的电机参数设置及通信设置界面。

5 系统测试

系统测试采用的无刷直流电机型号为42BLF03，参数为额定功率78 W，额定力矩0.188 N・m，电枢绕组电阻1.8 Ω，电枢绕组电感0.54 mH，额定电压24 V，额定转速4 000 r/min。

利用串口线将无刷电机控制板连接到PC机，并在监控软件上打开相应的通信串口，在PC机监控界面设定电机的转速为正转3 000 r/min（水平拖动移动块时，调的最小单位1代表50 r/min），下位机将采集的系统输入电压和实际测得的转速传回给电脑，在监控软件上显示出来，如图12所示。电脑显示电机实际转速为3 010 r/min，存在的误差为0.33%，无刷直流电机的实际转速达到上位机设定的转速值，由速度波形可见设计的无刷直流电机RBF磁场定向控制转速脉动小，说明其转矩脉动小（文献[2]提出了电机转矩脉动衡量指标，认为转速脉动小，转矩脉动肯定小）。同时上位机显示的电压与实际万用表测得的电压一致，都为23.94 V。设计的无刷直流电机RBF磁场定向控制转矩脉动小、控制精度高，监控系统功能达到设计要求。

6 结 论

设计利用Luminary 615微控制器和无刷电机专用芯片MC33035，在无刷直流电机磁场定向控制系统中采用RBF速度环，设计了无刷直流电机磁场定向控制系统，并开发了基于Visual Basic的配套上位机监控系统，进行了42BLF03无刷直流电机实验，结果表明，设计的无刷直流电机RBF磁场定向控制系统转矩脉动小、控制精度高，开发的配套监控系统能在低成本下实现转速、电压等参数的图形化显示及参数设置。

参考文献

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