鄢志丹， 吳光韜， 王田農(nóng)， 艾春偉， 馬士騰

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266580)

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·儀器設(shè)備研制與開發(fā)·

永磁同步電機(jī)測(cè)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄢志丹， 吳光韜， 王田農(nóng)， 艾春偉， 馬士騰

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266580)

為解決連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制算法優(yōu)化設(shè)計(jì)以及減速器傳動(dòng)比精確測(cè)量的問題，設(shè)計(jì)了一套由浸泡在油浴中的永磁同步電機(jī)組件，旋轉(zhuǎn)變壓器解碼電路，驅(qū)動(dòng)電路，計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件等組成的綜合性測(cè)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在闡述永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速控制原理，旋轉(zhuǎn)變壓器解碼算法以及空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM 技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用速度環(huán)Fuzzy-PID控制算法，獲得了上升時(shí)間短、超調(diào)量小、穩(wěn)態(tài)誤差小的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線，并基于雙旋變的轉(zhuǎn)子角度測(cè)量方式精確得到了減速器12.245∶1的傳動(dòng)比。該系統(tǒng)將傳感器、自動(dòng)化，電機(jī)傳動(dòng)等多種技術(shù)有機(jī)融合，可作為學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)踐平臺(tái)，以鞏固學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)課程知識(shí)，提高學(xué)生分析和解決問題的實(shí)踐能力。

永磁同步電機(jī)； 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)； 轉(zhuǎn)速控制； 連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器

0 引 言

近年來，蓬勃發(fā)展的隨鉆測(cè)量/錄井(MWD/LWD)技術(shù)，在增強(qiáng)大位移井、高難度水平井、分支井的地質(zhì)導(dǎo)向和地層評(píng)價(jià)能力，提高油層鉆遇率等方面具有重大作用[1-3]。但隨著井下信息量不斷增多，數(shù)據(jù)信號(hào)高速傳輸在隨鉆測(cè)量/錄井系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的地位日益突出，成為隨鉆測(cè)量/錄井技術(shù)持續(xù)向前發(fā)展必須面對(duì)的問題。特別地，基于無線傳輸方式的連續(xù)波脈沖以其傳輸速率較高，抗干擾能力強(qiáng)，是泥漿脈沖傳輸前沿發(fā)展方向[4]。

連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器采用直流電機(jī)來周期性改變轉(zhuǎn)子與定子過流斷面的相對(duì)位置而產(chǎn)生連續(xù)壓力波信號(hào)，永磁同步電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、功率因數(shù)高、損耗小等諸多特點(diǎn)，成為優(yōu)選的井下動(dòng)力源。此外，為了增強(qiáng)永磁同步電機(jī)的輸出扭矩，通常在電機(jī)前端加裝有減速器。為保證編碼可靠、發(fā)送數(shù)據(jù)正確，連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器必須具有很高的輸出轉(zhuǎn)速控制精度，同時(shí)考慮到整機(jī)實(shí)驗(yàn)成本高、設(shè)備復(fù)雜、時(shí)間長(zhǎng)，為此，設(shè)計(jì)了一套永磁同步電機(jī)測(cè)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，不但可以優(yōu)化轉(zhuǎn)速控制算法，還可對(duì)減速器的傳動(dòng)比數(shù)值進(jìn)行精確測(cè)量。

值得一提的是，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)涉及到傳感器檢測(cè)、電機(jī)拖動(dòng)、自動(dòng)控制原理、微機(jī)原理、智能儀表開發(fā)、C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)等多種學(xué)科知識(shí)，將傳感器、自動(dòng)化、電機(jī)傳動(dòng)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等有機(jī)融合，可以用作學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)踐平臺(tái)，成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效載體。這不但有助于鞏固學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)課程知識(shí)，接觸專業(yè)的前沿應(yīng)用方向，而且能有效提高學(xué)生分析和解決問題的實(shí)踐能力[5-10]。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

如圖1所示，永磁同步電機(jī)測(cè)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由浸泡在油浴中的永磁同步電機(jī)組件(包括旋轉(zhuǎn)變壓器1、永磁同步電機(jī)和減速器、聯(lián)軸器和旋轉(zhuǎn)變壓器2)，旋轉(zhuǎn)變壓器解碼電路1和2，驅(qū)動(dòng)電路，核心電路以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件組成。具體實(shí)物如圖2所示。

圖1 永磁同步電機(jī)測(cè)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)中，分別設(shè)置了MCU(MC9S12XS128)和DSP(TMS320F28335)兩種核心電路，其中MCU電路用于計(jì)算旋轉(zhuǎn)變壓器解碼電路2輸出的減速器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速值，并通過RS-232協(xié)議傳輸至上位機(jī)軟件；而DSP核心電路除了獲取旋轉(zhuǎn)變壓器解碼電路1輸出的電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速值，并通過CAN協(xié)議傳輸至上位機(jī)軟件外，還要依據(jù)運(yùn)行Fuzzy-PID速度環(huán)和PI電流環(huán)控制算法，生成相應(yīng)的PWM波形圖，控制驅(qū)動(dòng)電路，以保證永磁同步電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。

圖2 永磁同步電機(jī)測(cè)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

2 永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速控制原理

圖3所示為永磁同步電機(jī)控制原理框圖，其中，s、r分別為設(shè)定轉(zhuǎn)速和實(shí)際測(cè)量轉(zhuǎn)速；E和Ec分別為轉(zhuǎn)速誤差及其變化率；Kp、Ki、Kd分別為比例、積分和微分控制參數(shù)；id*、id和iq*、iq分別為d軸和q軸電流PI調(diào)節(jié)器的設(shè)定以及實(shí)際輸入值；ud和uq分別為d軸和q軸電流PI調(diào)節(jié)器輸出電壓；iα、iβ和uα、uβ分別為α、β軸電流和電壓；ia、ib、ic和ua、ub、uc分別為永磁同步電機(jī)三相電流和電壓；θ為電機(jī)轉(zhuǎn)子角度值?？刂扑惴ㄖ行枰M(jìn)行a-b-c坐標(biāo)系、α-β坐標(biāo)系和d-q坐標(biāo)系間相互轉(zhuǎn)化，其響應(yīng)數(shù)學(xué)公式可參考文獻(xiàn)[11]。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的具體流程為：①設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速s；②由旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)量出轉(zhuǎn)子角度θ和轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速r；③用霍爾電流傳感器檢測(cè)出電機(jī)三相電流(ia、ib和ic，ia+ib+ic=0)中的任意兩相，并經(jīng)Clark和Park變換后，得到id和iq；④由速度環(huán)Fuzzy-PID控制器輸出q軸電流給定值iq*；⑤由d、q軸電流PI調(diào)節(jié)器輸出ud和uq，經(jīng)Park逆變換得到uα和uβ；⑥依據(jù)SVPWM技術(shù)，判斷扇區(qū)位置，設(shè)置三路DSP中的PWM波發(fā)生寄存器，操控電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路；⑦反復(fù)進(jìn)行②～⑥步驟，使實(shí)際轉(zhuǎn)速r穩(wěn)定在設(shè)定轉(zhuǎn)速s的允許誤差范圍內(nèi)；⑧若改變電機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速s，則執(zhí)行①～⑦步驟。

2.1 旋轉(zhuǎn)變壓器解碼算法

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種精密的測(cè)角機(jī)電元件[12]。圖4所示為旋轉(zhuǎn)變壓器典型的原理結(jié)構(gòu)，主要構(gòu)件為定子和轉(zhuǎn)子，分別在其上安裝有原邊(R1、R2)和相互垂直的副邊繞組(S1～S3，S2～S4)。原、 副邊繞組之間的電磁耦合程度由θ決定，即轉(zhuǎn)子繞組的輸出電壓大小及相位與轉(zhuǎn)角有關(guān)。在工作時(shí)，原邊繞組作為勵(lì)磁繞組由電壓Ur供電，即：

(1)

式中：Up、ω和t分別為勵(lì)磁電壓的幅值、角頻率及時(shí)間。勵(lì)磁電流產(chǎn)生的交變磁通，在副邊輸出繞組中將產(chǎn)生正弦相Ub和余弦相Ua感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即：

(2)

式中：Es為輸出電動(dòng)勢(shì)幅值。將該兩路信號(hào)輸入專用解碼器ADS1205或經(jīng)ADC由數(shù)字處理芯片DSP處理后，可解算出轉(zhuǎn)子的當(dāng)前轉(zhuǎn)角值θ，并得到轉(zhuǎn)速信息，

(3)

圖4 旋轉(zhuǎn)變壓器原理結(jié)構(gòu)

2.2 空間矢量脈寬調(diào)制 SVPWM 技術(shù)

SVPWM是近年發(fā)展的一種永磁同步電機(jī)的控制方法[13-14]，是由三相功率逆變器的6個(gè)功率開關(guān)元件組成的特定開關(guān)模式產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波，使電機(jī)獲得理想圓形磁鏈軌跡。該技術(shù)使得繞組電流波形的諧波成分小，直流母線電壓利用率高，且更易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。

如圖5(a)所示，在α-β坐標(biāo)系中，兩電平三相功率逆變器輸出共有8個(gè)空間矢量(Uk，k=0,1，…，7)，其中包括6個(gè)非零矢量 (Uk，k=1,2，…，6)和2個(gè)零矢量U0和U7。

如圖5(b)所示, 以第一扇區(qū)為例，選擇相鄰的2個(gè)電壓矢量U1、U2以及零矢量U0和U7，按照伏秒平衡的原則可合成扇區(qū)內(nèi)的任意期望電壓矢量Uref，即：

(4)

圖5 空間電壓矢量調(diào)制

令Uref和U1間的夾角為θ(與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同)，可得：

(5)

式中：Ts為采樣周期；T1、T2、T0分別為對(duì)應(yīng)2個(gè)非零電壓矢量和零電壓矢量在的作用時(shí)間；uα、uβ分別為α和β軸的分量電壓(同上)。

下面討論扇區(qū)判斷和各矢量作用時(shí)間計(jì)算方法。令：

(6)

則電壓矢量的所處扇區(qū)k可通過表1來判斷。

表1 電壓矢量扇區(qū)判斷規(guī)則

相應(yīng)非零矢量和零矢量作用時(shí)間Tk，Tk+1和T0為：

(7)

式中，T為2×2矩陣，即：

(8)

若已知扇區(qū)和各矢量作用時(shí)間，便可用常規(guī)的PWM算法來操作三相橋路開關(guān)，以合成某一扇區(qū)內(nèi)的任意期望電壓矢量。

2.3 速度環(huán)Fuzzy-PID控制算法

速度環(huán)Fuzzy-PID 控制器原理圖如圖3右側(cè)所示，該控制器由模糊化模塊和傳統(tǒng)PID控制器兩部分組成。依據(jù)建立的模糊規(guī)則，使PID 參數(shù)能夠滿足在線檢測(cè)的轉(zhuǎn)速誤差n和轉(zhuǎn)速誤差變化率nc的自適應(yīng)要求，以實(shí)現(xiàn)PID 參數(shù)的最佳調(diào)整。Fuzzy-PID控制算法主要包括輸入/輸出變量模糊化，模糊推理及去模糊化三部分[15-16]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6為電機(jī)轉(zhuǎn)速控制曲線圖，其中圖6(a)為電機(jī)轉(zhuǎn)速控制軟件的某一界面，該軟件由Vc++語(yǔ)言編寫，可以控制電機(jī)的啟動(dòng)與停止、分段設(shè)置運(yùn)行轉(zhuǎn)速及相應(yīng)時(shí)間、保存轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)及操控繪圖控件。圖中紅色曲線為當(dāng)設(shè)定轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)，永磁同步電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速值；圖6(b)為電機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速分別為600、300、400和500 r/min運(yùn)行時(shí)，其實(shí)際轉(zhuǎn)速的響應(yīng)曲線。從圖中可以看出，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線上升時(shí)間短，超調(diào)量小，穩(wěn)態(tài)誤差小，實(shí)際恒速效果好。

(a) 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制軟件的某一界面

(b) 電機(jī)變速特性

圖6 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制曲線

永磁同步電機(jī)組件中的減速器在電機(jī)和負(fù)載執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間起著非常重要的匹配轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩的作用，其傳動(dòng)比數(shù)值需要精確測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中，令電機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速為600 r/min，待電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后，通過旋轉(zhuǎn)變壓器1的θ周期性變化，來計(jì)算減速器輸入圈數(shù)，以旋轉(zhuǎn)變壓器2的轉(zhuǎn)子角度周期性變化來計(jì)算減速器輸出圈數(shù)，兩者之比即為傳動(dòng)比。圖7所示為L(zhǎng)abVIEW graph控件表示的旋轉(zhuǎn)變壓器2測(cè)量的角度輸出曲線，每條完整斜線表示減速器旋轉(zhuǎn)1圈。表2給出了3組實(shí)際傳動(dòng)比測(cè)定數(shù)據(jù)，可以看出，該減速器傳動(dòng)穩(wěn)定性好，精度高，傳動(dòng)比約為12.245∶1。

圖7 旋轉(zhuǎn)變壓器2測(cè)量的角度輸出曲線

電機(jī)輸出圈數(shù)減速器輸出圈數(shù)傳動(dòng)比3000245.012.245∶16000490.112.242∶112000979.812.247∶1

4 結(jié) 語(yǔ)

為保證編碼可靠，發(fā)送數(shù)據(jù)正確，永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速控制和減速器傳動(dòng)比測(cè)量是連續(xù)波泥漿脈沖發(fā)生器研制過程中的重要環(huán)節(jié)，為此開發(fā)了一套將傳感器技術(shù)、自動(dòng)化，電機(jī)傳動(dòng)及計(jì)算機(jī)有機(jī)融合的永磁同步電機(jī)測(cè)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過采用高精度旋轉(zhuǎn)變壓器，空間矢量SVPWM調(diào)制技術(shù)和Fuzzy-PID控制算法，可以實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)恒速良好控制和減速器傳動(dòng)比的精確測(cè)量。

同時(shí)，結(jié)合測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)課程建設(shè)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革要求，將當(dāng)前課題組科學(xué)研究的這一中間成果轉(zhuǎn)化為學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)踐平臺(tái)，將有助于鞏固學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)課程知識(shí)，接觸專業(yè)的前沿應(yīng)用方向，能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)及團(tuán)隊(duì)合作精神。

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Design and Implementation of Experimental System for Measuring and Controlling Permanent Magnet Synchronous Motor

YANZhi-dan,WUGuang-tao,WANGTian-nong,AIChun-wei,MAShi-teng

(College of Information & Control Engineering, China University of Petroleum(East China), Qingdao 266580, China)

To solve the problems of the speed control algorithm optimization and reducer drive ratio determination of a permanent magnet synchronous motor in a continuous wave mud pulse generator, a comprehensive experimental system for permanent magnet synchronous motor has been developed. The system mainly includes permanent magnet synchronous motor components soaking in the oil bath, resolver decoding circuit, drive circuit and computer application software. The speed response curve shows the characteristics of short rising time, less overshoot and minor steady-state error. The design applies the Fuzzy-PID control algorithm based on the analysis of speed control principle, decoding algorithm and space vector pulse width modulation (SVPWM) technology. A precise reducer drive ratio of 12.245:1 is obtained by a way of double-resolver rotor angle measurement. Moreover, the designed system is the organic integration of sensor, automation, and motor driving technologies. It can be used as a students' innovative experimental platform, to help them to consolidate the knowledge of professional foundation courses, and to improve their professional abilities of analyzing and solving problems.

permanent magnet synchronous motor; experimental system; rotational speed control; continuous wave mud pulse generator

2015-01-26

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金(11104354)

鄢志丹(1983-)，男，甘肅文縣人，講師，現(xiàn)主要從事隨鉆測(cè)量技術(shù)、目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別方面的研究。

Tel.: 0532-86983468; E-mail：zhidanyan@upc.edu.cn

TM 341；G 642.423

A

1006-7167(2015)11-0042-04