基于旋轉(zhuǎn)變壓器的井下PMSM 軸角測量系統(tǒng)設(shè)計

高麗萍，孫峰

（勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營 257017）

在井下永磁同步電機（PMSM）伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，獲得準(zhǔn)確的電機轉(zhuǎn)子位置是決定伺服系統(tǒng)控制性能好壞甚至是系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素。為了得到準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置信息，需在電機上安裝高精度的位置傳感器，而在眾多種類的位置傳感器中，旋轉(zhuǎn)變壓器能有效抵抗沖擊和振動，工作溫度范圍大，且具有抗干擾能力強、安裝方便可靠等優(yōu)點，適應(yīng)井下高溫強振的工作環(huán)境［1－2］。由于旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號是高頻調(diào)制的模擬量，必須使用軸角變換器（RDC）對旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬信號進(jìn)解調(diào)和轉(zhuǎn)換，然而專用RDC芯片在井下高溫環(huán)境中難以保證可靠運行［3－6］。因此，本文提出一種采用DSP 對旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號解調(diào)，然后求出對應(yīng)的轉(zhuǎn)角值的測量方案，簡化了永磁同步電動機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)的成本，提高了井下智能鉆井工具控制系統(tǒng)的控制精度和控制性能。

1 旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種電磁式測角傳感器，由定子和轉(zhuǎn)子組成。旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子各有2組空間上互成90°的繞組，其工作原理和普通變壓器基本相似，區(qū)別在于普通變壓器輸出電壓和輸入電壓之比是常數(shù)，而旋轉(zhuǎn)變壓器輸出電壓的大小隨轉(zhuǎn)子角位移而發(fā)生變化，輸出繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦、余弦函數(shù)關(guān)系。

2 軸角測量原理

本設(shè)計中，旋轉(zhuǎn)變壓器與電機相連，其轉(zhuǎn)子隨電機同時轉(zhuǎn)動，隨轉(zhuǎn)角的不同輸出不同信號，旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬信號經(jīng)DSP 芯片精確解算求出角度值后，將角度值的數(shù)字量發(fā)送給主控制單元，主控制單元據(jù)此電機轉(zhuǎn)角值制定控制策略控制電機。

DSP對旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號解調(diào)解算求角度值過程中，最重要的是旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號的解調(diào)。本設(shè)計采用同步采樣的方法，通過DSP軟件定時采樣來實現(xiàn)信號解調(diào)，同步性比較好。

系統(tǒng)由DSP控制的DAC產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)變壓器的正弦參考信號，通過旋轉(zhuǎn)變壓器后輸出的2路信號送給采樣保持電路，參考信號由DSP 控制生成，峰值點已知，通過ADC定時采樣峰值點即可實現(xiàn)解調(diào)。ADC采集得到2路解調(diào)的旋變信號后，這2個信號的比值只與當(dāng)前電機轉(zhuǎn)角值有關(guān)，通過反正切運算即可求解。測量原理框圖如圖1所示，系統(tǒng)解算過程如圖2所示。

3 TMS320F21812簡介

TMS320F2812DSP是由美國TI公司推出的數(shù)字信號處理器，同時具有數(shù)字信號處理器和微控制器的特點，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。TMS320F2812上集成了很多內(nèi)核可以訪問和控制的外部設(shè)備，避免了擴(kuò)展一系列外圍設(shè)備，減小了電路板面積，避免了各個外設(shè)的相互干擾，可以有效提高系統(tǒng)的可靠性，為電機及其他運動控制領(lǐng)域應(yīng)用的實現(xiàn)提供了良好的平臺。

圖1 基于DSP的角度測量方案

圖2 RDC信號解算過程

圖3 TMS320F2812DSP內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4 電機轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 外圍電路

DSP產(chǎn)生的差分PWM 信號需要整形為單端雙極性正弦信號才能驅(qū)動旋轉(zhuǎn)變壓器，信號調(diào)理電路如圖4所示。輸入PWM 信號為差分信號，頻率為10kHz，通過三級低通濾波電路濾除高次諧波后可生成10kHz正弦信號。

圖4 旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號調(diào)理電路

正弦參考信號通過旋轉(zhuǎn)變壓器后將輸出的2路信號包絡(luò)由DSP片內(nèi)ADC 采集，由于采用的DSP芯片TMS320F2812片內(nèi)ADC只能采集0～3V的電平，而旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號時有雙極性的，因此需要將信號衰減并抬升。電壓抬升原理如圖5所示，通過電阻分壓將此信號衰減至－1.5～＋1.5V 后，采用一級運放加法電路和電壓跟隨，將2路旋變信號抬升至0～3V 供ADC定時采樣。

圖5 電壓抬升原理

4.2 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件設(shè)計了基于實時、多任務(wù)核心框架，采用了一種優(yōu)先級的PIE 任務(wù)機制，其框架如圖6所示。使用CCS3.1版本軟件開發(fā)平臺完成軟件編程系統(tǒng)。在完成初始化工作之后，通過硬件中斷觸發(fā)和軟件設(shè)置中斷標(biāo)志2種方式結(jié)合，調(diào)用和響應(yīng)用戶任務(wù)，實時性好，具備多任務(wù)并行處理能力，并且架構(gòu)簡潔，可擴(kuò)展性好。

系統(tǒng)關(guān)鍵的用戶任務(wù)主要包括：eCAN 中斷、PWM 生成、ADC 采集以及電機控制算法的位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)。其中：eCAN 中斷、PWM 生成、ADC采集由硬件中斷源觸發(fā)；軟件觸發(fā)則調(diào)用CallSWI函數(shù)設(shè)置相應(yīng)任務(wù)的中斷標(biāo)志位。

DSP利用時間管理器的定時中斷、PWM 生成、ADC采樣來完成定時采樣，實現(xiàn)軟件解調(diào)RDC 信號的功能。利用DSP2812的時間管理器定時采樣，在同一個DSP事件管理器內(nèi)設(shè)定對應(yīng)延時，然后中斷觸發(fā)ADC采樣。程序流程如圖7所示。

圖6 系統(tǒng)軟件框架

圖7 DSP事件管理器程序流程

4.3 電機轉(zhuǎn)角測量方案的仿真及測試

在試驗臺中對DSP測量電機轉(zhuǎn)角的算法做了仿真及測試，結(jié)果如圖8所示。圖8a是2相供DSP片內(nèi)ADC采集的信號，2相信號包絡(luò)正交，1相為正弦支路，另1相為余弦支路。圖8b是根據(jù)定時采樣算法后，在電機勻速轉(zhuǎn)動的情況下，將正弦包絡(luò)信號與余弦包絡(luò)信號同步采樣后，并進(jìn)行低通濾波后的波形，鋸齒波是根據(jù)2路信號求反正切運算求解的角度值，由于電機勻速運轉(zhuǎn)，角度超過360°時，回到0°繼續(xù)運轉(zhuǎn)，故該圖形呈現(xiàn)為交替的一次函數(shù)（鋸齒波）。

圖8 DSP測量電機轉(zhuǎn)角仿真測試

5 結(jié)語

本文介紹了旋轉(zhuǎn)變壓器和TMS320F2812DSP在井下PMSM 電機伺服控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，充分利用DSP 芯片TMS320F2812的片內(nèi)資源，簡化了外設(shè)電路的結(jié)構(gòu)，減小了電路板的面積，避免了因大量外圍電路本身產(chǎn)生的信號干擾和傳輸失真等問題。此轉(zhuǎn)角測試系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某井下智能鉆井工具電機伺服系統(tǒng)的電機轉(zhuǎn)子位置檢測中。實際應(yīng)用表明：此軸角測量方案測角精度高，可靠性好，大幅提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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