基于DSP的水平井牵引器驱动电机控制系统新型控制算法仿真.pdf

基于 DSP 的水平井牵引器驱动电机控制系统新型控制算法仿真Simulation of a New Control Algorithm for Horizontal WellTraction Drive Motor Control System Based on DSP周文洁朱清祥通信作者陈永军阮波渊长江大学电子信息学院袁 湖北荆州434023冤摘要水平井牵引器使用无位置传感器控制的无刷直流电机 渊BLDCM冤 作为驱动电机袁 能够适应恶劣工作环境袁 在水平井牵引器领域有着广泛的应用遥 在实际页岩气开采工况中袁 电机达到一定转速后袁 继续升高电压会产生失步现象袁 针对这种情况本文提出了一种新型控制算法袁 使用了新的换相时刻计算及相位补偿算法袁 搭建了基于 TMS320F28335 型 DSP 的仿真系统实验平台遥关键词DSP曰 BLDC曰 水平井牵引器曰 无位置传感器中图分类号TM33文献标识码A基于 DSP 的水平井牵引器驱动电机控制系统新型控制算法仿真周文洁袁 等0引言随着水平井技术不断革新袁 油气藏开发时广泛应用水平井技术1遥 但开发水平井的难点在于测井以及修井时如何将各种井下仪器顺利送到井下目标位置袁 牵引器技术顺利解决了这个难题2遥 为了更好地开发资源袁 提高采收率和开发效率袁 降低成本袁时下常用的水平井技术有阶梯水平井尧 分支水平井尧 鱼骨状水平井等袁 这些水平井技术大都有自己独有的优缺点袁 要想使用水平井技术实现高效开发往往需要根据所处环境做出选择遥 随着我国加大对油气的开发袁 水平井作业需求增多袁 各种非常规油气勘探及井筒开发环境对牵引器提出了更高的技术要求袁 如牵引力尧 井下适应性等3遥水平井牵引器需要电机驱动袁 相较于传统的有刷电机袁 无刷直流电机避免了机械换向器的缺点袁 提高了系统的稳定性和安全性袁 且结构简单尧效率高尧 适应环境强4遥 在恶劣的高温尧 潮湿工作环境袁 无 Hall 的无刷直流电机能稳定输出5遥 由于检测到的反电动势会产生相移袁 使无位置传感器控制的电机在一定转速后袁 无法继续提升转速袁需要设计一个新的控制算法进行相位补偿袁 实现野最佳换相冶袁 从而能够继续提高电机转速遥1无刷直流电机工作原理无刷直流电机定子绕组有吟绕组和 Y 绕组两种接法袁 本系统选择 Y 绕组且中心节点不引出袁驱动电路如图 1 所示遥基金项目院2022 年度 野湖北省高等学校省级教学研究项目冶渊No院2022257冤曰 长江大学湖北省级自动化一流专业建设项目渊No院2021-03冤-1-叶仪器仪表与分析监测曳 2023 年第 3期图 1电机驱动电路图无刷直流电机在稳定运行时产生梯形的反电动势波形尧 矩形的电流波形遥 反电动势控制技术是通过检测反电动势过零点从而控制电机换相的技术袁 但只有在相电流的相位与该相反电动势的相位一致时袁 才能获得电机的最大输出转矩袁 因此在每个电周期需要换相 6 次袁 每个电周期360毅袁 也就是每 60毅电角度换相一次遥 每相一个电周期内转换两次袁 每次转换期的电角度是 60毅袁所以反电动势过零点要领先换相信号 30毅遥 但是反电动势过零点无法直接通过 ADC 采集模块得到袁 需要通过相电压计算得出遥 依据三相基尔霍夫定律得到无刷直流电机数学模型为6院渊1冤式中院 Ux为三相绕组端电压袁 rx尧 ix分别为相电阻和相电流袁 Lx为相绕组自感袁 Ex尧 Vn为反电动势电压和中性点电势遥在理想情况下袁 每相电感和电阻相等袁 并且忽略电枢反应尧 剩磁尧 磁滞和涡流损耗的影响袁电机三相绕组对称7遥 当 c 相悬空时袁 有 ic为 0袁可得到 c 相相电压和反电动势的关系式院渊2冤因此袁 当反电动势过零点时袁 c 相相电压与中性点电压相等遥 由于设计的系统未引出中性点袁需要通过中性点电压与三相相电压的关系计算出中性点电压遥 联立公式 渊1冤 的 3 个相电压方程袁得到公式院渊3冤由于 c 相悬空袁 所以 a尧 b 相的电流数值等大反向袁 相电流产生的反电动势电压值也等大反向遥故 渊3冤 式可化简得院渊4冤将计算出的中性点电压与各相相电压比较袁得出各相反电动势过零点信号袁 从而得到换相信号袁 最后控制电机换相遥2换相时刻计算及相位补偿算法因无位置传感器确定转子位置袁 无刷直流电机需要特殊的启动算法才能启动遥 本文使用三段式启动算法袁 经过转子预定位尧 外同步加速和自同步运行三个阶段后袁 电机平稳运行8遥采集相电压信号电路如图 2 所示遥由图 2 可知袁 引入非线性元件袁 反电动势发生相移变化袁 相电流与该相反电动势的相位不一致袁 电机无法完成最佳换相袁 因此需要做动态相位补偿袁 实现最佳换相逻辑遥具体的换相计算如下院渊5冤其中袁遥故幅频特性为院渊6冤相频特性为院渊7冤图 2相电压检测电路-2-即产生的相移为院渊8冤式中院 Uin和 Uout分别表示 A 端的相电压和滤波后输出的电压袁 f 为反电动势频率遥电机转速将会影响反电动势频率袁 因此随着电机转速的改变袁 反电动势过零点的相位移角度驻渍 也将不断变化曰 并且转速越大袁 产生的相移角度也就越大遥在实际工况中袁 各种噪音及干扰将会影响系统袁 使 ADC 采样模块采集到错误的过零信息袁 需要使用择多函数滤波得到准确的过零信息曰 然后使用相位补偿算法袁 计算出偏移电角度 驻渍袁 因此需延时 30毅-驻渍 电角度后再进行换相遥3控制系统设计本次信息采集控制系统的设计如图 3 所示遥该控制系统以 TMS320F28335 作为控制器的主控芯片袁 电压传感器将采集到的三相电压数据发送给控制器 ADC 模块后袁 再发送到控制模块遥图 4 为控制算法仿真图袁 控制模块对电压信息进行处理得到换相信息袁 最后再由控制模块发出驱动电平控制 PWM 生成模块产生 PWM袁 使逆变器相应 MOSFET 管导通或者关闭袁 电机成功换相遥4电机参数及其配置搭建仿真算法平台时袁 需确定无刷直流电机的相关参数袁 才能达到预期的仿真效果遥 仿真电路中设置的 BLDCM 相关参数如下遥1冤 定子电阻 R院 5.5 赘遥2冤 定子自感 L院 16.75 mH遥3冤 定子互感 M院-6.7 mH遥4冤 Vpk/krpm院 53.46 V遥图 3电机控制系统总体仿真图基于 DSP 的水平井牵引器驱动电机控制系统新型控制算法仿真周文洁袁 等-3-叶仪器仪表与分析监测曳 2023 年第 3期图 4控制算法仿真图5冤Vrms/krpm院 37.8 V遥6冤极对数 P院 4遥7冤惯性矩院 22 滋m4遥8冤轴时间常数院 0.42 s遥9冤传导脉冲宽度院 180毅遥在本次仿真中袁 设置仿真步长为 8E-06 s袁仿真时长为 11 s袁 换相采样时间设置为 250 滋s遥5仿真结果在 PSIM 软件上构建电机控制系统袁 进行仿真袁 得到多个参数的仿真波形遥 图 5尧 图 6 是使用相位补偿算法前的相电压与相电流波形图袁 图8和图 9 是使用相位补偿算法后的相电压与相电流波形图袁 图 7 和图 10 是使用相位补偿算法前后的转速波形图袁 图 11 和图 12 是元器件的图 5相位补偿前 a 相相电压波形图 6相位补偿前 a 相相电流波形图 7 相位补偿前转速波形图 8 相位补偿后 a 相相电压波形-4-图 10 相位补偿后转速波形幅频和相频特性图遥 在得到较好的仿真结果后袁使用 PSIM 生成了代码袁 搭建图 13 所示电机驱动平台袁 进行实物测试袁 取得了较好的成果遥 相位补偿前后的反电动势和换相信号波形如图 14 和图 15所示遥6结语与展望根据水平井牵引器的作业环境袁 选择了无位置传感器控制的无刷直流电机作为驱动电机袁 在此基础上袁 通过研究无刷直流电机的三相电压方程组袁 并分析反电动势控制过程中的影响因素袁再根据反电动势检测电路的元器件特性袁 提出了新的换相算法遥 仿真结果表明袁 该新型控制算法能够驱动电机正常工作袁 并展现出较好的控制效图 9 相位补偿后 a 相相电流波形图 11元器件幅频特性仿真图图 12 元器件相频特性仿真图图 13电机驱动实验平台图 14 相位补偿前波形图 15 相位补偿后波形基于 DSP 的水平井牵引器驱动电机控制系统新型控制算法仿真周文洁袁 等-5-叶仪器仪表与分析监测曳 2023 年第 3期果遥 结果证明控制算法有效袁 可为实际的水平井牵引器驱动电机的控制算法设计提供参考遥通信作者院 朱清祥袁 参考文献院1 孙可平,杨东超,常旭,陈恳,张福兴,李洪军.水平井电缆牵引器滚轮与管壁压力的测量 J.石油学报,2018,39(06):712-718.2 周劲辉,张勇,李翠.水平井自扶正式电缆牵引器的设计J.石油机械,2015,43(02):79-82.3 郑杰,窦益华,任丰伟,万志国,毕成,杨旭.大牵引力连续油管牵引器设计及仿真 J.科学技术与工程,2021,21(26):11144-11150.4 何舟,陈永军,蔡昌新,阮波.水平井牵引器无刷直流驱动电机无位置控制系统的设计J.仪器仪表与分析监测,2018(02):19-22.5 余书瀚袁 陈永军袁 阮波袁 周骏文袁 沈阳袁 何舟.基于C#的水平井牵引器监控系统设计J.仪器仪表与分析监测,2017渊03冤.6 任志斌,陈柳彬,房梦程.BLDC 新型无位置传感器调速系统实现J.微电机,2021,54(10):79-83.7 任璟燚,张莉萍,申景双,陈宇晨.基于 DSP 的阀门开度控制系统设计J.传感器与微系统,2022,41(09):73-76.8 邓攀登,陈永军,徐璐.低速电动汽车用无刷直流电机控制系统J.微电机,2015,48(03):67-70+84.基于 FPGA 的 SDIO 接口并行扩展方法Parallel Expansion Method of the SDIO Interface Based on FPGA辛克廷1,2祖利辉1,2李春辉1渊1.南京科远智慧科技集团股份有限公司袁 江苏南京211102曰2.江苏省热工过程智能控制重点实验室袁 江苏南京211102冤摘要SD 卡 渊Secure Digital Menory Card袁 安全数字存储卡冤 是目前通用性较高的大容量尧 高速度 flash 存储设备袁 SDIO 渊Secure Digital IO冤 接口是在 SD 卡接口上发展而来袁 为国内大多数处理器所支持遥 并行总线 渊Local Bus冤 接口简单可靠袁 在外扩 RAM 或者主从双口RAM 通信中仍大量被采用遥 为了丰富通用 SDIO 接口的功能袁 通过 FPGA 渊Field ProgrammableGate Array袁 现场可编程门阵列冤 实现 SDIO 接口和 Local Bus 并行总线接口的桥接袁 通过SDIO 和 Local Bus 协议的转换袁 使处理器对于不同的应用场合具有更高的适用性遥关键词SDIO曰 FPGA袁 并行总线中图分类号 TP311.1+1文献标识码B0引言随着设备国产化的发展袁 越来越多的国产处理器被选用遥 但是目前国产处理器存在行业匹配度不高及外设种类的限制袁 对国产处理器的应用存在诸多阻碍曰 因此袁 设计一种通用性的接口转换模块对提高国产芯片的适配度有重要的意义遥在众多国产处理器外设接口中袁 SDIO 渊SecureDigital IO袁 安全数字输入 输出接口冤 接口应用普及度比较高袁 本文通过 SDIO 接口扩展一种中-6-