基于DSP的连续波泥浆脉冲器转阀驱动电机的控制研究

高景景++张荣

摘要：永磁同步电机控制作为连续波泥浆脉冲发生器传输信息的核心部分之一，对钻井工程来说具有重要意义。文中基于TMS320F2812的永磁同步电机（PMSM）满足二进制FSK调制方式对转阀电机的调速要求。

关键词：TMS320F2812；PMSM控制

中图分类号：TM383 ； 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）04-0212-02

1 引言

21世纪石油钻井工业的迅速发展，随钻测量和随钻测井的技术也得以迅速发展，其对地质导向钻井来说至关重要，因而对其要求越来越高。而连续波泥浆脉冲发生器作为目前国外大型石油公司独有的商业化产品，具有传输速率快等优点，是随钻测量信号最重要的传输方式之一。

连续波泥浆脉冲发生器中传输信息的核心部分之一是永磁同步电机的控制系统。永磁同步电机（Permanent Magnet Motor，简称PMSM）具有体积小、力矩惯量大、效率和功率因数高等优点。因而在测井系统中运用永磁同步电机，能够降低成本，减少维修，节约能源。基于这些优点，本文介绍采用TMS320F2812控制永磁同步电机，以满足二进制FSK调制方式对转阀电机的调速要求[1，2，3]。

2 控制框图

井下传感器将采集到的数据进行信号编码，然后通过转阀驱动电机控制系统驱动转阀旋转，进而产生泥浆压力脉冲，压力脉冲经过钻杆中的泥浆上传信息，地面传感器接收到脈冲信号以后，通过滤波整形，信号译码，得到井下采集的数据信息，然后经过数据的分析和处理反馈到计算机，实时了解井下工况。控制工作原理框图如图1示。

3 硬件控制设计

为了使永磁同步电机能够在不同的转速间迅速切换，获得较好的2FSK调制信号。本文以 TMS320F2812 为控制核心，以此数字信号处理器负责完成大部分的计算和控制功能[4，5，6]。在MATLAB/Simulink中建立永磁同步电机的向量控制系统的原理图如图2所示。

本文中采用空间脉宽调制（SVPWM）控制策略，此时定子电流励磁分量 [id]=0，永磁同步电机相当于一台他励直流电机，定子电流中只有X，Y轴分量，且永磁体磁动势空间向量与定子磁动势空间向量正交，此时永磁同步电机转矩中只剩永磁转矩分量 [Te1]，只需要控制定子电流的转矩分量 [iq]的大小即可。这样电磁转矩就只依赖于交轴电流，能够实现交、直轴电流的解耦。永磁同步电机的定子由三相SVPWM逆变器供电，转子位置传感器检测转子转速 n和转角 [θ]。由转速外环和电流内环经过PI调节并经过反PARK变化得到SVPWM调制器的电压调制信号。检测到的定子电流经CLARKE变换和PARK变换，得到定子电流[id]和[iq]作为电流的回馈信号。

4 软件控制设计

根据软件模块化设计思路，充分利用 DSP 的资源特点，根据建模编写相应的控制系统程序，包括检测模块、算法模块、SVPWM模块等。软件主程序主要针对系统硬件及各变量设定初始值，完成寄存器的配置和给定初始值，在循环等待中，当中断触发时，开始执行子程序，中断服务子程序作为系统软件部分的核心，主要包括定时器中断和功率驱动保护中断[7]。软件控制主流程图如图3所示。

5 仿真结果

设电机在0～0.3s时的PMSM的转速响应仿真波形图如图4

其中图5横坐标为时间轴t，单位为s，纵坐标为转速n，单位为m/s，所得转速响应仿真波形图如图5所示。

从图5以看出，在转速为600m/s的时候，采用PI控制，转速上下波动幅值为10，波动率为 。满足二进制FSK调制方式对转阀电机的调速要求。

参考文献：

[1] 坤梅，李铁才.电机控制技术.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社（修订版），2002.

[2] 李明炎.基于SMO的PMSM的控制方法的研究[D].杭州：杭州电子科技大学，2014：15-20.

[3] 孙元岗，李宏，石文龙.基于模糊滞环空间矢量的变换器控制策略[J].电力系统保护与控制：2015，43（8）：69-73.

[4] 魏吕洲，薛重德，翟红存.基于SVPWM变频调速系统的建模与仿真7J].中小型电机，2005， 32（3）：45-48.

[5] 张志超.永磁同步电机直接转矩控制方法研究[D].天津大学硕士学位论文.2008.

[6] 葛宝明，林飞，李国国.先进控制理论及其应用[M].北京：机械工业出版社，2007.

[7] 谢宝昌，任永德.电机的DSP控制技术及其应用.北京：北京航天航空大学出版社，2004.