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        基于旋轉(zhuǎn)變壓器的井下PMSM 軸角測量系統(tǒng)設(shè)計

        2013-07-08 01:17:46高麗萍孫峰
        石油礦場機械 2013年5期
        關(guān)鍵詞:正弦轉(zhuǎn)角中斷

        高麗萍,孫峰

        (勝利石油管理局鉆井工藝研究院,山東東營 257017)

        在井下永磁同步電機(PMSM)伺服驅(qū)動系統(tǒng)中,獲得準確的電機轉(zhuǎn)子位置是決定伺服系統(tǒng)控制性能好壞甚至是系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素。為了得到準確的轉(zhuǎn)子位置信息,需在電機上安裝高精度的位置傳感器,而在眾多種類的位置傳感器中,旋轉(zhuǎn)變壓器能有效抵抗沖擊和振動,工作溫度范圍大,且具有抗干擾能力強、安裝方便可靠等優(yōu)點,適應(yīng)井下高溫強振的工作環(huán)境[1-2]。由于旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號是高頻調(diào)制的模擬量,必須使用軸角變換器(RDC)對旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬信號進解調(diào)和轉(zhuǎn)換,然而專用RDC芯片在井下高溫環(huán)境中難以保證可靠運行[3-6]。因此,本文提出一種采用DSP 對旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號解調(diào),然后求出對應(yīng)的轉(zhuǎn)角值的測量方案,簡化了永磁同步電動機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),降低了系統(tǒng)的成本,提高了井下智能鉆井工具控制系統(tǒng)的控制精度和控制性能。

        1 旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理

        旋轉(zhuǎn)變壓器是一種電磁式測角傳感器,由定子和轉(zhuǎn)子組成。旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子各有2組空間上互成90°的繞組,其工作原理和普通變壓器基本相似,區(qū)別在于普通變壓器輸出電壓和輸入電壓之比是常數(shù),而旋轉(zhuǎn)變壓器輸出電壓的大小隨轉(zhuǎn)子角位移而發(fā)生變化,輸出繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦、余弦函數(shù)關(guān)系。

        2 軸角測量原理

        本設(shè)計中,旋轉(zhuǎn)變壓器與電機相連,其轉(zhuǎn)子隨電機同時轉(zhuǎn)動,隨轉(zhuǎn)角的不同輸出不同信號,旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬信號經(jīng)DSP 芯片精確解算求出角度值后,將角度值的數(shù)字量發(fā)送給主控制單元,主控制單元據(jù)此電機轉(zhuǎn)角值制定控制策略控制電機。

        DSP對旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號解調(diào)解算求角度值過程中,最重要的是旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號的解調(diào)。本設(shè)計采用同步采樣的方法,通過DSP軟件定時采樣來實現(xiàn)信號解調(diào),同步性比較好。

        系統(tǒng)由DSP控制的DAC產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)變壓器的正弦參考信號,通過旋轉(zhuǎn)變壓器后輸出的2路信號送給采樣保持電路,參考信號由DSP 控制生成,峰值點已知,通過ADC定時采樣峰值點即可實現(xiàn)解調(diào)。ADC采集得到2路解調(diào)的旋變信號后,這2個信號的比值只與當前電機轉(zhuǎn)角值有關(guān),通過反正切運算即可求解。測量原理框圖如圖1所示,系統(tǒng)解算過程如圖2所示。

        3 TMS320F21812簡介

        TMS320F2812DSP是由美國TI公司推出的數(shù)字信號處理器,同時具有數(shù)字信號處理器和微控制器的特點,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。TMS320F2812上集成了很多內(nèi)核可以訪問和控制的外部設(shè)備,避免了擴展一系列外圍設(shè)備,減小了電路板面積,避免了各個外設(shè)的相互干擾,可以有效提高系統(tǒng)的可靠性,為電機及其他運動控制領(lǐng)域應(yīng)用的實現(xiàn)提供了良好的平臺。

        圖1 基于DSP的角度測量方案

        圖2 RDC信號解算過程

        圖3 TMS320F2812DSP內(nèi)部結(jié)構(gòu)

        4 電機轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

        4.1 外圍電路

        DSP產(chǎn)生的差分PWM 信號需要整形為單端雙極性正弦信號才能驅(qū)動旋轉(zhuǎn)變壓器,信號調(diào)理電路如圖4所示。輸入PWM 信號為差分信號,頻率為10kHz,通過三級低通濾波電路濾除高次諧波后可生成10kHz正弦信號。

        圖4 旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號調(diào)理電路

        正弦參考信號通過旋轉(zhuǎn)變壓器后將輸出的2路信號包絡(luò)由DSP片內(nèi)ADC 采集,由于采用的DSP芯片TMS320F2812片內(nèi)ADC只能采集0~3V的電平,而旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號時有雙極性的,因此需要將信號衰減并抬升。電壓抬升原理如圖5所示,通過電阻分壓將此信號衰減至-1.5~+1.5V 后,采用一級運放加法電路和電壓跟隨,將2路旋變信號抬升至0~3V 供ADC定時采樣。

        圖5 電壓抬升原理

        4.2 系統(tǒng)軟件

        系統(tǒng)軟件設(shè)計了基于實時、多任務(wù)核心框架,采用了一種優(yōu)先級的PIE 任務(wù)機制,其框架如圖6所示。使用CCS3.1版本軟件開發(fā)平臺完成軟件編程系統(tǒng)。在完成初始化工作之后,通過硬件中斷觸發(fā)和軟件設(shè)置中斷標志2種方式結(jié)合,調(diào)用和響應(yīng)用戶任務(wù),實時性好,具備多任務(wù)并行處理能力,并且架構(gòu)簡潔,可擴展性好。

        系統(tǒng)關(guān)鍵的用戶任務(wù)主要包括:eCAN 中斷、PWM 生成、ADC 采集以及電機控制算法的位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)。其中:eCAN 中斷、PWM 生成、ADC采集由硬件中斷源觸發(fā);軟件觸發(fā)則調(diào)用CallSWI函數(shù)設(shè)置相應(yīng)任務(wù)的中斷標志位。

        DSP利用時間管理器的定時中斷、PWM 生成、ADC采樣來完成定時采樣,實現(xiàn)軟件解調(diào)RDC 信號的功能。利用DSP2812的時間管理器定時采樣,在同一個DSP事件管理器內(nèi)設(shè)定對應(yīng)延時,然后中斷觸發(fā)ADC采樣。程序流程如圖7所示。

        圖6 系統(tǒng)軟件框架

        圖7 DSP事件管理器程序流程

        4.3 電機轉(zhuǎn)角測量方案的仿真及測試

        在試驗臺中對DSP測量電機轉(zhuǎn)角的算法做了仿真及測試,結(jié)果如圖8所示。圖8a是2相供DSP片內(nèi)ADC采集的信號,2相信號包絡(luò)正交,1相為正弦支路,另1相為余弦支路。圖8b是根據(jù)定時采樣算法后,在電機勻速轉(zhuǎn)動的情況下,將正弦包絡(luò)信號與余弦包絡(luò)信號同步采樣后,并進行低通濾波后的波形,鋸齒波是根據(jù)2路信號求反正切運算求解的角度值,由于電機勻速運轉(zhuǎn),角度超過360°時,回到0°繼續(xù)運轉(zhuǎn),故該圖形呈現(xiàn)為交替的一次函數(shù)(鋸齒波)。

        圖8 DSP測量電機轉(zhuǎn)角仿真測試

        5 結(jié)語

        本文介紹了旋轉(zhuǎn)變壓器和TMS320F2812DSP在井下PMSM 電機伺服控制系統(tǒng)中的應(yīng)用,充分利用DSP 芯片TMS320F2812的片內(nèi)資源,簡化了外設(shè)電路的結(jié)構(gòu),減小了電路板的面積,避免了因大量外圍電路本身產(chǎn)生的信號干擾和傳輸失真等問題。此轉(zhuǎn)角測試系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某井下智能鉆井工具電機伺服系統(tǒng)的電機轉(zhuǎn)子位置檢測中。實際應(yīng)用表明:此軸角測量方案測角精度高,可靠性好,大幅提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

        [1]白立業(yè),趙洪山,劉新華.捷聯(lián)式自動垂直鉆井系統(tǒng)現(xiàn)場試驗研究[J].石油礦場機械,2012,41(12):45-47.

        [2]聶云飛,吳仲華,孫浩玉,等.自動垂直鉆井執(zhí)行系統(tǒng)試驗研究[J].石油礦場機械,2011,40(5):21-24.

        [3]王晨,梁雁冰,殷鳳群.旋轉(zhuǎn)變壓器在動量輪測角系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科學技術(shù)與工程,2007(15):3681-3683.

        [4]AD Inc.Analog Device.Resolve-To-Digital Converter-AD2S80A[Z].2000.

        [5]吳紅星,洪俊杰,李立毅.基于旋轉(zhuǎn)變壓器的電動機轉(zhuǎn)子位置檢測研究[J].微電機,2008(1):1-3.

        [6]姜燕平.旋轉(zhuǎn)變壓器原理及其應(yīng)用[J].電氣時代,2005(10):98-99.

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