基于PCM 的地下管道探測(cè)系統(tǒng)恒流發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

劉松卓，任旭虎，喬輝玥，馮陽(yáng)，由鄭

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）海洋與空間信息學(xué)院，山東青島 266580）

多頻管中電流法(Pipeline Current Mapper,PCM)因設(shè)備價(jià)格便宜、操作簡(jiǎn)單，已被行業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用于埋地管道的檢測(cè)[1-2]。隨著埋地管網(wǎng)的建設(shè)里程不斷攀升，長(zhǎng)輸油氣管道的里程也顯著增長(zhǎng)，目前我國(guó)長(zhǎng)輸油氣管道總里程數(shù)已超過16 萬(wàn)公里，這類管道多采用定向鉆拖拽方式進(jìn)行鋪設(shè)，管道埋深均超過10 m[3-4]。目前市面上PCM 設(shè)備發(fā)射機(jī)的功率均在150 W 以下，只適用于非開挖埋深小于6 m 的管線，超過這一埋深則無(wú)法對(duì)管道施加足夠的檢測(cè)電流，因此開發(fā)一款適用于大埋深管道探測(cè)的發(fā)射機(jī)成為石油行業(yè)目前亟需解決的問題。

在檢測(cè)管道長(zhǎng)度相對(duì)較短的檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，檢測(cè)人員可以通過短接法提高檢測(cè)電流強(qiáng)度[5-6]，但是對(duì)于檢測(cè)端較長(zhǎng)或是穿越航道的管段，短接法往往由于環(huán)境限制難以實(shí)施；天津嘉信公司創(chuàng)造了一種新的大埋深管段檢測(cè)信號(hào)施加方法——衛(wèi)星同步的埋地及水下金屬管道探測(cè)信號(hào)發(fā)射裝置及其探測(cè)方法，開發(fā)出了能夠?qū)崿F(xiàn)電流信號(hào)同步施加的發(fā)射機(jī)——衛(wèi)星同步發(fā)射機(jī)[7]。多臺(tái)發(fā)射機(jī)的同步機(jī)制能夠使檢測(cè)信號(hào)呈現(xiàn)疊加效果，得到大埋深管道檢測(cè)所需的信號(hào)強(qiáng)度。

針對(duì)上述問題，該文提出了一種基于STM32 的地下管道探測(cè)系統(tǒng)發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)方法，其輸出電流大且電流頻率、幅值可調(diào)，可以滿足大埋深管道探測(cè)的需求，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

1 PCM設(shè)備探測(cè)地下管道原理

PCM 管道檢測(cè)系統(tǒng)由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩部分組成，如圖1 所示。發(fā)射機(jī)通過測(cè)試樁向管道施加特定頻率(4 Hz、8 Hz、128 Hz)的電流信號(hào)，電流通過大地電容流向大地，使發(fā)射機(jī)、管道和大地構(gòu)成一個(gè)回路。根據(jù)畢奧-薩法爾定律，電流流經(jīng)管道時(shí)會(huì)以管道為軸心產(chǎn)生一個(gè)同頻率的磁場(chǎng)，通過接收機(jī)分析磁場(chǎng)分布便可確定管道走向、埋深以及防腐層破損點(diǎn)位置。

圖1 PCM探測(cè)地下管道示意圖

2 發(fā)射機(jī)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

由畢奧-薩法爾定律可知，地面磁場(chǎng)強(qiáng)度大小與管道電流大小成正比，通過增加管道電流強(qiáng)度，即可增加檢測(cè)深度。現(xiàn)有的PCM 發(fā)射機(jī)輸出電流幅值在0～3 A 之間，可滿足埋深5 m 以內(nèi)的管道檢測(cè)需求，因此要實(shí)現(xiàn)對(duì)埋深10 m 以上的大埋深管道進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)射機(jī)輸出電流要在現(xiàn)有設(shè)備兩倍以上。

綜合PCM 檢測(cè)原理與大埋深管道探測(cè)需求之后，確定了發(fā)射機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)：可在單頻、雙頻和三頻模式下輸出0～10 A 的交流電流，發(fā)射機(jī)最大功率為500 W。

在確定技術(shù)指標(biāo)之后對(duì)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，發(fā)射機(jī)整體框圖如圖2 所示。發(fā)射機(jī)主要包括主控系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路、逆變主電路、濾波電路、電流電壓采樣電路以及保護(hù)電路等模塊。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

主控芯片STM32 接收到來(lái)自交互界面的指令后輸出SPWM 調(diào)制信號(hào)，調(diào)制信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路后通過控制逆變電路MOSFET 的導(dǎo)通與關(guān)斷，將直流輸入逆變?yōu)榻涣餍盘?hào)，經(jīng)過濾波模塊濾除高次諧波之后，即可得到平滑的交流信號(hào)。電壓電流采樣電路對(duì)輸出電流和負(fù)載電壓進(jìn)行采樣，經(jīng)過調(diào)理電路后送入STM32 的AD 模塊，根據(jù)電流采樣結(jié)果經(jīng)過內(nèi)部PI 運(yùn)算實(shí)時(shí)調(diào)整SPWM 信號(hào)的占空比，從而改變電壓實(shí)現(xiàn)恒流的功能，根據(jù)采集的電壓與電流數(shù)據(jù)可以得到發(fā)射機(jī)輸出的瞬時(shí)功率，當(dāng)輸出功率超過額定功率時(shí)系統(tǒng)停止工作。保護(hù)電路的功能主要是當(dāng)設(shè)備過流過壓時(shí)，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的中斷信號(hào)及時(shí)關(guān)閉設(shè)備，達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。人機(jī)交互模塊通過串口通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)與STM32 的雙向通信進(jìn)行逆變電源實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示和設(shè)置。

3 多頻恒流發(fā)射系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

由于單片機(jī)輸出的SPWM 信號(hào)電平較低，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)MOSFET 的導(dǎo)通與關(guān)斷，且單片機(jī)輸出的SPWM 信號(hào)屬于弱電信號(hào)，容易受到強(qiáng)電干擾，所以需要驅(qū)動(dòng)電路對(duì)SPWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母綦x與放大。圖3 為具體電路，主電路與控制電路之間使用光耦隔離芯片HCPL-4504 進(jìn)行信號(hào)連接，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電回路與弱電回路之間的電氣隔離，驅(qū)動(dòng)芯片IR2110 起到信號(hào)放大的作用，達(dá)到驅(qū)動(dòng)MOSFET 的目的。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路

3.2 逆變電路設(shè)計(jì)

逆變電路就是將輸入的直流轉(zhuǎn)換為交流的電路[7]，逆變電路有半橋與全橋兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于半橋電路的輸出效率只有全橋電路的一半，降低了直流電源的利用率，所以該文采用單相全橋逆變電路，逆變電路如圖4 所示。

圖4 逆變及LC型濾波結(jié)構(gòu)電路

根據(jù)設(shè)計(jì)的指標(biāo)，發(fā)射機(jī)輸出功率為500 W，發(fā)射機(jī)效率為85%，則發(fā)射機(jī)的輸入功率P為588 W。

直流母線電壓Ud為120 V，可得最大放電電流為：

式中，Ka表示過載因數(shù)，Kr表示安全系數(shù)。根據(jù)逆變器的設(shè)計(jì)規(guī)則，Ka一般取1.5，Kr一般取1.3[8]。

文中設(shè)計(jì)的發(fā)射機(jī)為小功率輸出，一般采用N溝道型MOSFET 作為開關(guān)器件[9]；在選擇MOS 管時(shí)，還需要留出50%的安全裕量，所以選取的MOS 管耐流值應(yīng)大于15 A，耐壓值應(yīng)大于180 V，綜合考慮之后選取型號(hào)為IXFH80N25 的MOSFET 作為逆變電路開關(guān)器件。

3.3 濾波電路設(shè)計(jì)

由逆變電路輸出信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)可知，輸出波形中含有許多高次諧波[10],需要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行濾波才能得到較為理想的波形。常用的硬件濾波有L型、LC 型和LCL 型濾波等[11]，L 型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但濾波效果差，LCL 型濾波效果好且可適應(yīng)多種場(chǎng)合，但是結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，綜合考慮之后，該文采用LC 型濾波結(jié)構(gòu)，具體電路如圖4 所示。

1）電感參數(shù)計(jì)算

對(duì)于全橋逆變電路，電感上的壓降可以表示為：

式中，TS為開關(guān)頻率，Δipp為電流紋波。由式（2）推導(dǎo)得：

假設(shè)調(diào)制度為ma，可以得到占空比為：

因此，逆變電路的輸出可以表示為：

將式（3）、（4）代入式（5）得：

對(duì)式（6）求導(dǎo)并求極點(diǎn)，可知當(dāng)sin(ωt)=0.5ma時(shí)，電流紋波取得最大值。將其再次代入式（6）可得式（7），進(jìn)而得到式（8）：

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，系統(tǒng)開關(guān)頻率為12.8 kHz，母線電壓為120 V，設(shè)電流的紋波為10%，可以得到電感的最小取值為1.65 mH。

2）電容參數(shù)計(jì)算

LC濾波器是一個(gè)二階系統(tǒng)，假設(shè)負(fù)載RL、電感L和電容C都是理想狀態(tài)時(shí)，其傳遞函數(shù)為：

可以得到LC濾波器的截止頻率為：

為了保證在開關(guān)頻率處的高頻諧波有40 dB的衰減，通常取LC濾波器的截止頻率fc為開關(guān)頻率的1/10 或更低[12]。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，系統(tǒng)的開關(guān)頻率為12.8 kHz，因此將濾波電路的截止頻率確定為1.28 kHz，根據(jù)式（10）可以得出電容的大小為10.7 μF。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試之后，最終確定電感與電容的大小為2 mH 和9.4 μF。

3.4 采樣電路設(shè)計(jì)

采樣電路包括直流母線電壓采樣電路、輸出電流采樣電路、輸出電壓采樣電路，母線電壓采樣電路實(shí)現(xiàn)母線電壓過壓、欠壓保護(hù)；輸出電壓采樣電路以及輸出電流采樣電路實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制以及過流保護(hù)、過壓保護(hù)和過功率保護(hù)。

3.4.1 電流采樣電路設(shè)計(jì)

目前常用的電流檢測(cè)方法有電阻檢測(cè)法、電流互感器檢測(cè)法、霍爾傳感器檢測(cè)法等[13]，霍爾電流傳感器因其高靈敏度、抗干擾性強(qiáng)、低功耗等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于電流采樣設(shè)計(jì)中。該文采用霍爾電流傳感器ACS724 實(shí)現(xiàn)電流采樣。具體電路如圖5 所示。

圖5 電流采樣電路

霍爾電流傳感器ACS724利用霍爾效應(yīng)將0～10 A的電流轉(zhuǎn)換為幅值0～5 V 的電壓信號(hào)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電回路與弱電回路之間的電氣隔離；電阻R42和C59組成RC低通濾波電路，濾除信號(hào)中的高頻噪聲，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，發(fā)射機(jī)輸出電流有4 Hz、8 Hz、128 Hz三種頻率，所以將RC 濾波的截止頻率設(shè)為500 Hz；電阻R43和電阻R45構(gòu)成分壓電路，防止霍爾傳感器輸出電壓過大將單片機(jī)燒毀；運(yùn)算放大器LM358構(gòu)成電壓跟隨電路，起到前后級(jí)隔離的作用，以增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾能力。

3.4.2 電壓采樣電路設(shè)計(jì)

在發(fā)射機(jī)中，需要對(duì)輸出電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，使得系統(tǒng)在出現(xiàn)過壓、過功率故障時(shí)，能及時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。由于輸出端電壓屬于強(qiáng)電回路且幅值較大，而單片機(jī)只能采樣0～3.3 V 的單極性信號(hào)，所以需要對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。該文采用電阻分壓的方式對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采集，具體電路如圖6 所示。

圖6 電壓采樣電路

電阻R49-R59組成分壓電路，將輸出電壓信號(hào)衰減至±2.5 V 之內(nèi)。差動(dòng)放大器LT1990 利用外部2.5 V基準(zhǔn)電壓與內(nèi)部加法器，將電壓信號(hào)抬升至0～5 V之間。精密放大器ISO122 實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電回路與弱電回路之間的電氣連接。電阻R57和電容C70構(gòu)成RC低通濾波電路，用于濾除高頻噪聲，電阻R58與R62將電壓信號(hào)衰減至3.3 V 以內(nèi)，防止電壓過大損壞單片機(jī)。電壓跟隨器LM358 起到前后級(jí)緩沖的作用，以增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾能力。

3.4.3 直流母線電壓采樣電路設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)采用電阻分壓的方式配合精密隔離放大器ISO122 進(jìn)行電壓采樣，電路如圖7 所示。

圖7 直流母線電壓采樣電路

直流母線電壓經(jīng)過電阻R7與R10分壓衰減至3.3 V以內(nèi)，精密隔離放大器ISO122 實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電回路與弱電回路之間的電氣隔離，電阻R9和C22組成RC低通濾波電路來(lái)濾除高頻噪聲信號(hào)。

3.5 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生過流、過壓等故障時(shí)，由于軟件處理存在一定的延時(shí)性，無(wú)法及時(shí)對(duì)硬件進(jìn)行保護(hù)。為了加快系統(tǒng)反應(yīng)速度，在電路中加入了硬件保護(hù)電路，包括過流保護(hù)電路、輸出過壓保護(hù)電路以及母線欠壓過壓保護(hù)電路。

以過流保護(hù)電路為例介紹保護(hù)電路，電路如圖8所示。利用四路差動(dòng)比較器LM339D 構(gòu)成的門限比較器對(duì)電流信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行比較。當(dāng)信號(hào)位于正常范圍時(shí)，比較器輸出高電平，當(dāng)超過設(shè)定的閾值時(shí)，比較器輸出由高電平跳變至低電平，STM32 檢測(cè)到下降沿信號(hào)后，產(chǎn)生相應(yīng)的中斷，關(guān)閉PWM 輸出，達(dá)到保護(hù)電路的目的。輸出過壓保護(hù)電路和直流母線欠壓過壓保護(hù)電路原理類似，不再贅述。

圖8 過流保護(hù)電路

3.6 人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)

人機(jī)交互模塊采用了淘晶馳串口屏TJC8048X 550_011，該屏幕具有800×480 像素分辨率，支持串口通信方式，具有120 MB FLASH 儲(chǔ)存空間，1 024 字節(jié)EEPROM 和512 字節(jié)RAM。用戶交互模塊通過串口通信方式與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)控制指令的發(fā)送以及發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。

3.7 主控模塊設(shè)計(jì)

主控芯片作為系統(tǒng)的控制核心，在完成系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)與控制算法運(yùn)算的同時(shí)，還需將用戶指令轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的控制指令，因此，主控芯片需要具備較高的運(yùn)算能力。綜合考慮之后，采用了ST 公司設(shè)計(jì)的單片機(jī)STM32F401RCT6 作為主控芯片，該芯片以Cortex-M4 內(nèi)核作為硬件架構(gòu)，具有性價(jià)比高、運(yùn)行速度快、尋址方式靈活、執(zhí)行效率高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。該芯片內(nèi)部集成256 字節(jié)FLASH，支持FPU 浮點(diǎn)單元，可以滿足該設(shè)計(jì)復(fù)雜運(yùn)算的需求[14]。

4 多頻恒流發(fā)射系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)

4.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化的方式進(jìn)行編程，由主程序和各個(gè)子程序構(gòu)成，子程序包括初始化程序、輸出電壓電流采樣程序、SPWM 波形產(chǎn)生程序、PI 控制程序、中斷保護(hù)程序等。程序流程圖如圖9與圖10所示。

圖9 主程序流程圖

圖10 中斷程序流程圖

在系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化設(shè)置，包括I/O口的初始化、通用串口的初始化以及中斷初始化等，然后等待來(lái)自用戶交互模塊的指令，當(dāng)接收到來(lái)自用戶交互模塊的指令后，對(duì)定時(shí)器進(jìn)行初始化，并生成對(duì)應(yīng)的電流基準(zhǔn)波形儲(chǔ)存在單片機(jī)內(nèi)部，隨后對(duì)電流、電壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，利用PI 算法對(duì)采樣得到的電流信號(hào)與內(nèi)部基準(zhǔn)電流信號(hào)進(jìn)行比較并實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)SPWM 波形占空比，達(dá)到恒流輸出的目的。當(dāng)出現(xiàn)過壓、過流、過功率等情況時(shí)，則運(yùn)行對(duì)應(yīng)的中斷保護(hù)子程序，關(guān)閉系統(tǒng)輸出。

4.2 PI算法程序設(shè)計(jì)

PID 控制器為一二階線性控制器，通過調(diào)整比例、積分和微分三項(xiàng)參數(shù)，使得大多數(shù)閉環(huán)系統(tǒng)能夠獲得良好的性能[15]。PID 調(diào)節(jié)器的時(shí)域表達(dá)式為：

式中，u(t)為控制器的輸出；e(t)為設(shè)定值為被控制量之間的誤差；Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；Kd為微分系數(shù)。

在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字控制時(shí)，數(shù)字信號(hào)的形式是離散的，需要對(duì)PID 控制進(jìn)行離散化，才能在數(shù)字控制系統(tǒng)中應(yīng)用PID 控制[16]。離散化后的PID 調(diào)節(jié)器表達(dá)式為：

由于發(fā)射機(jī)工作時(shí)會(huì)運(yùn)行在較高頻率下，響應(yīng)速度較快，而微分環(huán)節(jié)包含相位超前補(bǔ)償，如果引入微分環(huán)節(jié)，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生超調(diào)、振蕩以及嚴(yán)重的噪聲影響[16]，所以，該文只采用比例和積分環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。對(duì)于比例系數(shù)和積分系數(shù)兩個(gè)參數(shù)，該文采用試湊法先比例后積分的方式來(lái)確定參數(shù)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證最終確定比例系數(shù)Kp為0.2，積分系數(shù)Ki為3。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)與算法的正確性，制作了一臺(tái)樣機(jī)，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)發(fā)射機(jī)輸出波形進(jìn)行測(cè)試。

5.1 電流誤差測(cè)試

為了比較實(shí)際輸出電流與設(shè)定電流之間的誤差，在0～10 A 之間選擇了十個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)如表1 所示。由表1 可知，發(fā)射機(jī)在輸出有效值0～10 A 的電流時(shí)，相對(duì)誤差小于3%，且對(duì)單頻電流的控制略優(yōu)于雙頻及三頻電流。

表1 系統(tǒng)輸出電流值與設(shè)定值比較

5.2 電流頻率誤差測(cè)試

為了測(cè)試發(fā)射機(jī)輸出波形頻率的準(zhǔn)確性，分別對(duì)三種不同頻率的電流進(jìn)行取樣，并在Matlab 軟件中進(jìn)行傅里葉變換,分析其頻率組成。三種電流波形圖如圖11 所示。

圖11 電流波形圖

由測(cè)試結(jié)果可知，發(fā)射機(jī)輸出波形的頻率沒有明顯誤差，符合設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

針對(duì)大埋深管道探測(cè)的需求，該文設(shè)計(jì)了一款大功率發(fā)射機(jī)裝置。發(fā)射機(jī)由主控電路、逆變電路、濾波電路、保護(hù)電路等部分組成，通過主控芯片STM32 產(chǎn)生載波頻率、占空比可變的SPWM 波，從而產(chǎn)生頻率、幅值可調(diào)的交流電。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)射機(jī)可以穩(wěn)定地輸出有效值0～10 A 的單頻(128 Hz)、雙頻(4 Hz+128 Hz)以及三頻(4 Hz+8 Hz+128 Hz)交流電流,可以適應(yīng)不同地質(zhì)環(huán)境下的管道探測(cè)需求。