基于DSP的連續(xù)波泥漿脈沖器轉(zhuǎn)閥驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制研究

高景景++張榮

摘要：永磁同步電機(jī)控制作為連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器傳輸信息的核心部分之一，對鉆井工程來說具有重要意義。文中基于TMS320F2812的永磁同步電機(jī)（PMSM）滿足二進(jìn)制FSK調(diào)制方式對轉(zhuǎn)閥電機(jī)的調(diào)速要求。

關(guān)鍵詞：TMS320F2812；PMSM控制

中圖分類號(hào)：TM383 ； 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）04-0212-02

1 引言

21世紀(jì)石油鉆井工業(yè)的迅速發(fā)展，隨鉆測量和隨鉆測井的技術(shù)也得以迅速發(fā)展，其對地質(zhì)導(dǎo)向鉆井來說至關(guān)重要，因而對其要求越來越高。而連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器作為目前國外大型石油公司獨(dú)有的商業(yè)化產(chǎn)品，具有傳輸速率快等優(yōu)點(diǎn)，是隨鉆測量信號(hào)最重要的傳輸方式之一。

連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器中傳輸信息的核心部分之一是永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)。永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Motor，簡稱PMSM）具有體積小、力矩慣量大、效率和功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。因而在測井系統(tǒng)中運(yùn)用永磁同步電機(jī)，能夠降低成本，減少維修，節(jié)約能源?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，本文介紹采用TMS320F2812控制永磁同步電機(jī)，以滿足二進(jìn)制FSK調(diào)制方式對轉(zhuǎn)閥電機(jī)的調(diào)速要求[1，2，3]。

2 控制框圖

井下傳感器將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)編碼，然后通過轉(zhuǎn)閥驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)閥旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生泥漿壓力脈沖，壓力脈沖經(jīng)過鉆桿中的泥漿上傳信息，地面?zhèn)鞲衅鹘邮盏矫}沖信號(hào)以后，通過濾波整形，信號(hào)譯碼，得到井下采集的數(shù)據(jù)信息，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)的分析和處理反饋到計(jì)算機(jī)，實(shí)時(shí)了解井下工況?？刂乒ぷ髟砜驁D如圖1示。

3 硬件控制設(shè)計(jì)

為了使永磁同步電機(jī)能夠在不同的轉(zhuǎn)速間迅速切換，獲得較好的2FSK調(diào)制信號(hào)。本文以 TMS320F2812 為控制核心，以此數(shù)字信號(hào)處理器負(fù)責(zé)完成大部分的計(jì)算和控制功能[4，5，6]。在MATLAB/Simulink中建立永磁同步電機(jī)的向量控制系統(tǒng)的原理圖如圖2所示。

本文中采用空間脈寬調(diào)制（SVPWM）控制策略，此時(shí)定子電流勵(lì)磁分量 [id]=0，永磁同步電機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)他勵(lì)直流電機(jī)，定子電流中只有X，Y軸分量，且永磁體磁動(dòng)勢空間向量與定子磁動(dòng)勢空間向量正交，此時(shí)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩中只剩永磁轉(zhuǎn)矩分量 [Te1]，只需要控制定子電流的轉(zhuǎn)矩分量 [iq]的大小即可。這樣電磁轉(zhuǎn)矩就只依賴于交軸電流，能夠?qū)崿F(xiàn)交、直軸電流的解耦。永磁同步電機(jī)的定子由三相SVPWM逆變器供電，轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n和轉(zhuǎn)角 [θ]。由轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)經(jīng)過PI調(diào)節(jié)并經(jīng)過反PARK變化得到SVPWM調(diào)制器的電壓調(diào)制信號(hào)。檢測到的定子電流經(jīng)CLARKE變換和PARK變換，得到定子電流[id]和[iq]作為電流的回饋信號(hào)。

4 軟件控制設(shè)計(jì)

根據(jù)軟件模塊化設(shè)計(jì)思路，充分利用 DSP 的資源特點(diǎn)，根據(jù)建模編寫相應(yīng)的控制系統(tǒng)程序，包括檢測模塊、算法模塊、SVPWM模塊等。軟件主程序主要針對系統(tǒng)硬件及各變量設(shè)定初始值，完成寄存器的配置和給定初始值，在循環(huán)等待中，當(dāng)中斷觸發(fā)時(shí)，開始執(zhí)行子程序，中斷服務(wù)子程序作為系統(tǒng)軟件部分的核心，主要包括定時(shí)器中斷和功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷[7]。軟件控制主流程圖如圖3所示。

5 仿真結(jié)果

設(shè)電機(jī)在0～0.3s時(shí)的PMSM的轉(zhuǎn)速響應(yīng)仿真波形圖如圖4

其中圖5橫坐標(biāo)為時(shí)間軸t，單位為s，縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速n，單位為m/s，所得轉(zhuǎn)速響應(yīng)仿真波形圖如圖5所示。

從圖5以看出，在轉(zhuǎn)速為600m/s的時(shí)候，采用PI控制，轉(zhuǎn)速上下波動(dòng)幅值為10，波動(dòng)率為 。滿足二進(jìn)制FSK調(diào)制方式對轉(zhuǎn)閥電機(jī)的調(diào)速要求。

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