基于旋转变压器的井下PMSM 轴角测量系统设计

高丽萍，孙峰

（胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营 257017）

在井下永磁同步电机（PMSM）伺服驱动系统中，获得准确的电机转子位置是决定伺服系统控制性能好坏甚至是系统稳定性的主要因素。为了得到准确的转子位置信息，需在电机上安装高精度的位置传感器，而在众多种类的位置传感器中，旋转变压器能有效抵抗冲击和振动，工作温度范围大，且具有抗干扰能力强、安装方便可靠等优点，适应井下高温强振的工作环境［1－2］。由于旋转变压器的输出信号是高频调制的模拟量，必须使用轴角变换器（RDC）对旋转变压器输出的模拟信号进解调和转换，然而专用RDC芯片在井下高温环境中难以保证可靠运行［3－6］。因此，本文提出一种采用DSP 对旋转变压器输出信号解调，然后求出对应的转角值的测量方案，简化了永磁同步电动机控制系统的结构，降低了系统的成本，提高了井下智能钻井工具控制系统的控制精度和控制性能。

1 旋转变压器工作原理

旋转变压器是一种电磁式测角传感器，由定子和转子组成。旋转变压器的定子和转子各有2组空间上互成90°的绕组，其工作原理和普通变压器基本相似，区别在于普通变压器输出电压和输入电压之比是常数，而旋转变压器输出电压的大小随转子角位移而发生变化，输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系。

2 轴角测量原理

本设计中，旋转变压器与电机相连，其转子随电机同时转动，随转角的不同输出不同信号，旋转变压器输出的模拟信号经DSP 芯片精确解算求出角度值后，将角度值的数字量发送给主控制单元，主控制单元据此电机转角值制定控制策略控制电机。

DSP对旋转变压器输出信号解调解算求角度值过程中，最重要的是旋转变压器输出信号的解调。本设计采用同步采样的方法，通过DSP软件定时采样来实现信号解调，同步性比较好。

系统由DSP控制的DAC产生旋转变压器的正弦参考信号，通过旋转变压器后输出的2路信号送给采样保持电路，参考信号由DSP 控制生成，峰值点已知，通过ADC定时采样峰值点即可实现解调。ADC采集得到2路解调的旋变信号后，这2个信号的比值只与当前电机转角值有关，通过反正切运算即可求解。测量原理框图如图1所示，系统解算过程如图2所示。

3 TMS320F21812简介

TMS320F2812DSP是由美国TI公司推出的数字信号处理器，同时具有数字信号处理器和微控制器的特点，其内部结构如图3所示。TMS320F2812上集成了很多内核可以访问和控制的外部设备，避免了扩展一系列外围设备，减小了电路板面积，避免了各个外设的相互干扰，可以有效提高系统的可靠性，为电机及其他运动控制领域应用的实现提供了良好的平台。

图1 基于DSP的角度测量方案

图2 RDC信号解算过程

图3 TMS320F2812DSP内部结构

4 电机转角测量系统结构设计

4.1 外围电路

DSP产生的差分PWM 信号需要整形为单端双极性正弦信号才能驱动旋转变压器，信号调理电路如图4所示。输入PWM 信号为差分信号，频率为10kHz，通过三级低通滤波电路滤除高次谐波后可生成10kHz正弦信号。

图4 旋转变压器输出信号调理电路

正弦参考信号通过旋转变压器后将输出的2路信号包络由DSP片内ADC 采集，由于采用的DSP芯片TMS320F2812片内ADC只能采集0～3V的电平，而旋转变压器输出信号时有双极性的，因此需要将信号衰减并抬升。电压抬升原理如图5所示，通过电阻分压将此信号衰减至－1.5～＋1.5V 后，采用一级运放加法电路和电压跟随，将2路旋变信号抬升至0～3V 供ADC定时采样。

图5 电压抬升原理

4.2 系统软件

系统软件设计了基于实时、多任务核心框架，采用了一种优先级的PIE 任务机制，其框架如图6所示。使用CCS3.1版本软件开发平台完成软件编程系统。在完成初始化工作之后，通过硬件中断触发和软件设置中断标志2种方式结合，调用和响应用户任务，实时性好，具备多任务并行处理能力，并且架构简洁，可扩展性好。

系统关键的用户任务主要包括：eCAN 中断、PWM 生成、ADC 采集以及电机控制算法的位置环、速度环和电流环。其中：eCAN 中断、PWM 生成、ADC采集由硬件中断源触发；软件触发则调用CallSWI函数设置相应任务的中断标志位。

DSP利用时间管理器的定时中断、PWM 生成、ADC采样来完成定时采样，实现软件解调RDC 信号的功能。利用DSP2812的时间管理器定时采样，在同一个DSP事件管理器内设定对应延时，然后中断触发ADC采样。程序流程如图7所示。

图6 系统软件框架

图7 DSP事件管理器程序流程

4.3 电机转角测量方案的仿真及测试

在试验台中对DSP测量电机转角的算法做了仿真及测试，结果如图8所示。图8a是2相供DSP片内ADC采集的信号，2相信号包络正交，1相为正弦支路，另1相为余弦支路。图8b是根据定时采样算法后，在电机匀速转动的情况下，将正弦包络信号与余弦包络信号同步采样后，并进行低通滤波后的波形，锯齿波是根据2路信号求反正切运算求解的角度值，由于电机匀速运转，角度超过360°时，回到0°继续运转，故该图形呈现为交替的一次函数（锯齿波）。

图8 DSP测量电机转角仿真测试

5 结语

本文介绍了旋转变压器和TMS320F2812DSP在井下PMSM 电机伺服控制系统中的应用，充分利用DSP 芯片TMS320F2812的片内资源，简化了外设电路的结构，减小了电路板的面积，避免了因大量外围电路本身产生的信号干扰和传输失真等问题。此转角测试系统已成功应用于某井下智能钻井工具电机伺服系统的电机转子位置检测中。实际应用表明：此轴角测量方案测角精度高，可靠性好，大幅提高了系统的稳定性。

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