连续波泥浆脉冲器控制电路的设计

刘磊

（西安石油大学，西安 710065）

0 引言

本设计所用到的泥浆脉冲器为永磁同步电机，其位于钻铤内，工作在井下，连续波泥浆脉冲器以泥浆为介质，转子由永磁同步电机驱动，转子旋转时产生一系列的正弦压力波，该压力波作为井下数据的载波信号，传送至地面，通过压力检测、译码获得井下数据，完成信息传输。因此，永磁同步电机的控制对于信息的传输具有重要影响。本控制电路的硬件结构框如图1所示。

图1 系统硬件结构框图

1 泥浆脉冲器控制电路硬件设计

（1）主电路

主电路采用三相桥式逆变电路，根据直流母线电压、工作频率、电枢电流等因素，选择IRGP4063DPbF作为开关器件，该器件耐压值为600V，工作温度范围为-55℃～175℃，在100℃时，连续电流值为48A，导通压降为1.65V。该器件开关速度快，导通时间仅为55ns。

图2 主电路

（2）驱动电路设计

由TSM320F2812控制器输出PWM信号经过功率放大后驱动MOS管。驱动芯片IR2130为三相桥式驱动电路，该芯片可以输出六路触发脉冲信号[6]。芯片外的自举电容C1～C3提供高端驱动电源，选用10μF瓷片电容，二极管选用快速恢复型器件FR102，栅极限流电阻R1～R3阻值为15Ω。引脚HIN1～HIN3、LIN1～LIN3与TSM320F2812 PWM输出端口相连，为器件提供PWM波。

图3 驱动电路

（3）电源设计

井下电池为本系统的直流母线电源，本系统设计所用的电源均有井下电池提供。电源设计采用阶梯型稳压模式，由48V直流母线电压稳压至15V，由15V稳压至5V，再由5V稳压至3.3V和1.8V，这样的设计可以减少稳压压差，减少芯片的发热，提高效率。通过LM2576HV芯片外围电路的搭建将直流母线电压48V降至15V，为触发电路IR2130以及缓冲电路放大器提供电源；通过LM2576外围电路搭建，固定输出5V电压，5V电压用于旋转变压器解码芯片电源；TPS73HD318PW芯片输出四组电源作为DSP的电源，电源设计如图4所示。

（4）电流检测电路设计

为了保护开关器件以及永磁同步电机正常工作，系统设计电流检测，确保过流时，系统及时关断PWM波。本电路采用的电流检测传感器为AD8212，电路中串接采样电阻RSHUNT，其阻值为10mΩ，AD8212的V+引脚连接采样电阻RSHUNT电源端，VSENSE引脚连接采样电阻另一侧，AD8212芯片转换公式：I_out=g_m×V_SENSE，V_SENSE=I_LOAD×R_SHUNT，V_out=I_out×R_out，其中：g_m=1000μA/V，取 R_out为 20kΩ，R_SHUNT为10mΩ，则输出电压为2V。AD8212的输出接口连接高阻抗ADC接口，则应在输出端口加上缓冲电路以免芯片受到影响，如图5所示。

（5）位置转速检测设计

永磁同步电机位置转速是通过旋转变压器检测获得，通过对解码芯片AD2S1200外围电路以及缓冲电路的设计，将旋转变压器的模拟信号解码成电机位置转速数字信号输入DSP2812控制芯片中，从而获得永磁同步电机的转速信息[4]。

图4 电源设计

图5 电流检测电路

2 控制电路的软件设计

CCStudio集成开发环境内含有编辑器、编译器、链接器等，支持C语言、C++语言和汇编语言以及各种语言混合编程，集成编写、编译、调试等功能，同时具有强大的分析能力，使用方便，提高了开发效率。软件流程如图6所示。

3 测试结果

系统测试结果如图7所示，采样电流、给定速度以及反馈速度通过CCStudio监控软件显示，实现电流、转速双闭环控制。

图7 系统测试图

图6 软件流程图

参考文献：

[1]王田农.泥浆连续波脉冲器的电路设计与实现[D].中国石油大学(华东),2015.

[2]邢增臻.发动机48V电气系统ISG电机控制研究[D].吉林大学,2017.

[3]姚金,王彦梅.新型DSP芯片TMS320F2812在电机控制系统中的设计及应用[J].微型电脑应用,2007(10)：31-33+5.

[4]汪剑鸣,袁臣虎,刘瑞,李凯.基于四线旋转变压器及AD2S1200的叉车线控转向永磁同步电及机角度解码研究[J].电工技术学报,2015,30(S2)：95-100.

[5]王涛.永磁同步电机控制系统中的位置解码研究[D].哈尔滨理工大学，2014.

[6]谢运祥.IR2130驱动器及其在逆变器中的应用[J].微电机(伺服技术)，2001(02)：50-52.