劉磊

（西安石油大學(xué)，西安 710065）

0 引言

本設(shè)計(jì)所用到的泥漿脈沖器為永磁同步電機(jī)，其位于鉆鋌內(nèi)，工作在井下，連續(xù)波泥漿脈沖器以泥漿為介質(zhì)，轉(zhuǎn)子由永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生一系列的正弦壓力波，該壓力波作為井下數(shù)據(jù)的載波信號(hào)，傳送至地面，通過壓力檢測(cè)、譯碼獲得井下數(shù)據(jù)，完成信息傳輸。因此，永磁同步電機(jī)的控制對(duì)于信息的傳輸具有重要影響。本控制電路的硬件結(jié)構(gòu)框如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

1 泥漿脈沖器控制電路硬件設(shè)計(jì)

（1）主電路

主電路采用三相橋式逆變電路，根據(jù)直流母線電壓、工作頻率、電樞電流等因素，選擇IRGP4063DPbF作為開關(guān)器件，該器件耐壓值為600V，工作溫度范圍為-55℃～175℃，在100℃時(shí)，連續(xù)電流值為48A，導(dǎo)通壓降為1.65V。該器件開關(guān)速度快，導(dǎo)通時(shí)間僅為55ns。

圖2 主電路

（2）驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

由TSM320F2812控制器輸出PWM信號(hào)經(jīng)過功率放大后驅(qū)動(dòng)MOS管。驅(qū)動(dòng)芯片IR2130為三相橋式驅(qū)動(dòng)電路，該芯片可以輸出六路觸發(fā)脈沖信號(hào)[6]。芯片外的自舉電容C1～C3提供高端驅(qū)動(dòng)電源，選用10μF瓷片電容，二極管選用快速恢復(fù)型器件FR102，柵極限流電阻R1～R3阻值為15Ω。引腳HIN1～HIN3、LIN1～LIN3與TSM320F2812 PWM輸出端口相連，為器件提供PWM波。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路

（3）電源設(shè)計(jì)

井下電池為本系統(tǒng)的直流母線電源，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)所用的電源均有井下電池提供。電源設(shè)計(jì)采用階梯型穩(wěn)壓模式，由48V直流母線電壓穩(wěn)壓至15V，由15V穩(wěn)壓至5V，再由5V穩(wěn)壓至3.3V和1.8V，這樣的設(shè)計(jì)可以減少穩(wěn)壓壓差，減少芯片的發(fā)熱，提高效率。通過LM2576HV芯片外圍電路的搭建將直流母線電壓48V降至15V，為觸發(fā)電路IR2130以及緩沖電路放大器提供電源；通過LM2576外圍電路搭建，固定輸出5V電壓，5V電壓用于旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片電源；TPS73HD318PW芯片輸出四組電源作為DSP的電源，電源設(shè)計(jì)如圖4所示。

（4）電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

為了保護(hù)開關(guān)器件以及永磁同步電機(jī)正常工作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流檢測(cè)，確保過流時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)關(guān)斷PWM波。本電路采用的電流檢測(cè)傳感器為AD8212，電路中串接采樣電阻RSHUNT，其阻值為10mΩ，AD8212的V+引腳連接采樣電阻RSHUNT電源端，VSENSE引腳連接采樣電阻另一側(cè)，AD8212芯片轉(zhuǎn)換公式：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為 20kΩ，R_SHUNT為10mΩ，則輸出電壓為2V。AD8212的輸出接口連接高阻抗ADC接口，則應(yīng)在輸出端口加上緩沖電路以免芯片受到影響，如圖5所示。

（5）位置轉(zhuǎn)速檢測(cè)設(shè)計(jì)

永磁同步電機(jī)位置轉(zhuǎn)速是通過旋轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)獲得，通過對(duì)解碼芯片AD2S1200外圍電路以及緩沖電路的設(shè)計(jì)，將旋轉(zhuǎn)變壓器的模擬信號(hào)解碼成電機(jī)位置轉(zhuǎn)速數(shù)字信號(hào)輸入DSP2812控制芯片中，從而獲得永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息[4]。

圖4 電源設(shè)計(jì)

圖5 電流檢測(cè)電路

2 控制電路的軟件設(shè)計(jì)

CCStudio集成開發(fā)環(huán)境內(nèi)含有編輯器、編譯器、鏈接器等，支持C語言、C++語言和匯編語言以及各種語言混合編程，集成編寫、編譯、調(diào)試等功能，同時(shí)具有強(qiáng)大的分析能力，使用方便，提高了開發(fā)效率。軟件流程如圖6所示。

3 測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如圖7所示，采樣電流、給定速度以及反饋速度通過CCStudio監(jiān)控軟件顯示，實(shí)現(xiàn)電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制。

圖7 系統(tǒng)測(cè)試圖

圖6 軟件流程圖

參考文獻(xiàn)：

[1]王田農(nóng).泥漿連續(xù)波脈沖器的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].中國(guó)石油大學(xué)(華東),2015.

[2]邢增臻.發(fā)動(dòng)機(jī)48V電氣系統(tǒng)ISG電機(jī)控制研究[D].吉林大學(xué),2017.

[3]姚金,王彥梅.新型DSP芯片TMS320F2812在電機(jī)控制系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].微型電腦應(yīng)用,2007(10)：31-33+5.

[4]汪劍鳴,袁臣虎,劉瑞,李凱.基于四線旋轉(zhuǎn)變壓器及AD2S1200的叉車線控轉(zhuǎn)向永磁同步電及機(jī)角度解碼研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2015,30(S2)：95-100.

[5]王濤.永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中的位置解碼研究[D].哈爾濱理工大學(xué)，2014.

[6]謝運(yùn)祥.IR2130驅(qū)動(dòng)器及其在逆變器中的應(yīng)用[J].微電機(jī)(伺服技術(shù))，2001(02)：50-52.