基于DSP的开关磁阻电机控制器软硬件设计

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论文摘要

  一、概述

  目前国内广泛使用的抽油机有游梁式和无游梁式两类,同样以游梁式抽油机为主,其所配电动机大多数为Y系列电动机.长期以来抽油机所配电机大都处于轻载运行状态,负载率极低,功率损耗大,能源浪费严重,抽油机井电耗在油田生产用电中占有很大比例且冲程冲次调节十分不便.本课题采用国内油田最新节能技术,对当今普遍使用的采油机的传动系统进行改造,运用开关磁阻电机代替以往使用的电机,并对开关磁阻电机进行必要的优化控制,以达到油井节能降耗的目的.油田节能采油机传动系统具有较好的运行效果,特别实现低转速、大转矩,在各种工况条件下均会有良好的节电效果,及时调整抽油机的冲次,实现冲次的无级调速,使抽油机工作随时处在最佳运行状态.再利用数字信号处理器DSP的智能控制,可根据油井的实际情况,实现上冲程、下冲程、的速度调节,频繁起停及正反转运行.

  二、开关磁阻电动机调速理论

  开关磁阻电机调速系统基本过程分析:
  SRD的基本运行状态包括启动运行状态、稳定运行状态和制动运行状态.各种运行状态下系统需求不同,采用的控制策略必然有所不同.
  SRD的基本控制策略为低速运行斩波控制和高速运行角度位置控制.但在具体应用中,笼统的视运行速度切换这两种模式,系统的工作性能很难达到最优.
  将斩波方式和角度位置调节有机的结合起来,可以改善电机高速运行性能.研究表明,根据不同的运行需求采用组合式控制策略,可以获得更好的控制效果.

  1.启动运行状态策略
  SRM由静止不动到正常运转必须经历一个启动过程.SRM的启动比较简单,无需辅助设备,对于三相以及三相以上的电动机可在任意转子位置正、反向启动.对于12/8结构的三相开关磁阻电机,采用电压斩波控制.固定开通角0度,导通180度电角度,起动没有死区,可以在任意位置实现正反转转动.

  2.稳定运行状态策略
  SRD的稳定运行是指在恒定负载、恒定转速下的运行.稳态运行是电机的主要运行方式,寻求合适的稳态运行控制策略是决定系统性能优劣的关键.考虑到系统为具有低、中、高速运行的系统,在低速和中速采用低压斩波控制,通过调节绕组上平均电压使得电机近似运行于恒转矩方式,在高速时采用APC控制,通过调节开通角,优化导通角使得系统近似运行于恒功率方式,并且使得系统的效率最优.
  在高速运行时,开通角是主要的控制变量,电流调节器的输出为开通角,开通角对电机的出力和效率影响很大.为使电机在高速时具有出力大、效率高,把开通角作为主要的调节变量.关断角影响电流波形的宽度,高速时电路峰值比较大,如果导通宽度太大,电流可能续流到电感下降区,产生负转矩,影响出力和效率.可以通过实验找到一定转速范围内的最优的导通宽度,确定关断角.

  3.制动运行状态策略
  所谓制动,就是在电动机轴上施加一个与旋转方向相反的转矩.
  SRM的制动运行包含两重意义,一是利用制动转矩降速,使电机尽快停转;而是发电工作.与直流电机不同,SRM只有再生制动方式,SRM再生制动的实现非常方便,只要加大开通角,使相电流主要在dL/dq<0区间段出现即可.所以对于制动状态,采用了固定开关角和电压斩波的控制策略.

  三、基于DSP的开关磁阻电机控制器硬件设计系统硬件设计总体结构

  本文采用TMS320LF2812为主控制器并配以高速逻辑电路,以四相8/6极开关磁阻电动机为对象,设计了一种性能优良的开关磁阻电机速度控制系统.介绍了系统的结构和工作原理,给出了位置检测、电流检测、输出及故障保护等电路设计,利用的丰富外设资源,达到简化电路结构、提高运行可靠性的目的.
  控制系统以TMS320LF2812数字信号处理器控制核心,采用速度、电流双闭环控制结构.DSP捕获光电传感器表示的转子位置信号,变成速度信号和换相控制信号;采样电流传感器表示的电流信号,经过滤波后作为电流调节器的反馈信号,速度调节器的输出作为电流调节的给定.低速时电流调节器的输出经过PWM调制后驱动功率器件,高速时电流调节器输出为导通宽度,使得功率开关在合适的时刻导通和关断相绕组.DSP通过SPI和显示单元传输电机速度、状态等信息,通过通信接口和上位机进行通讯.
  TMS320LF2812 DSP是TMS320行x28x系列DSP控制器中面向高性能、高精度应用的产品.本系统中,DSP负责判断转子位置信息,实时计算转速,把那个综合各种保护信号和给定信息以及转速情况,给出相通断信号,实现数字PI调节并产生频率固定、占空比变化的PWM信号,作为功率开关的驱动信号.

  四、基于DSP的开关磁阻电机控制器软件设计

  4.1系统控制方案的确定
  给定速度经过一个电位器组成的分压电路给定,实际速度是由位置传感器电流检测,经过滤波、隔离和整形后,通过DSP的捕获单元输入.DSP利用PID控制算法通过比较单元和脉宽调制电路输出PWM信号,PWM控制信号经过隔离放大输入给驱动模块,在由驱动模块输出的信号控制功率开关相开关的导通与关断,实现SRD的闭环调速控制.

  4.2系统工作原理
  控制原理是对过程变量进行采样,数据处理以及根据指定的算法和控制方案进行计算和输出.采用DSP数字PI调节器,实现SRM的闭环控制.在启动时,DSP检测SR电动机转子初始位置,根据检测到的位置信号,给相应的相绕组发出触发信号,电动机声速运行.SR运行,在升速运行阶段,利用电压斩波控制方式,速度外环反馈的速度与给定值产生偏差,通过速度控制生成电流参考值.转速达到一定值时,SR电动机运行进入速度保持阶段,电流维持一恒定值不变.SR电动机减速运行时,采用斩波控制与制动运行相结合的方式,克服SR电动机的转矩脉动.

  4.3主程序设计
  主程序主要完成系统的初始化、初始状态的判断以及起动、运行子程序的调用.初始化包括TMS320LF2812内部各寄存器及变量的初始化,事件管理器和通讯显示模块及中断命令初始化,QEP中断触发方式,禁止全部中断,并关闭所有的相输出信号等.根据接收的指令确定系统的运行模式、维护系统正常运行、通讯和显示等工作.

  4.4定时器中断程序设计
  定时器中断程序主要是实现电压斩波、换相和速度控制.电压斩波控制在定时器3中断中实现,PWM频率设置为25Hkz;PWM初始占空比为100%,以使对通电相通电瞬间相电流能快速上升;电流检测每40us一次,频率为25Hkz与PWM同频.此部分程序在定时器3中断中实现.程序根据采样的速度和电流信息改变比较寄存器的比较值,从而改变占空比,实现电压斩波的目的.

  4.5通讯程序设计
  通讯程序主要采用查询方式,通过CAN总线或者RS-485总线的接收数据,并根据程序要求设定相应的标志位,并根据相应的标志位对所接收的数据进行请求处理后,做出相应的反应或者动作.电动执行器要传送的数据有阀门的实际开度和各种参数,故障报警时的数据等,在上位机向电动执行器发出请求数据要求且电动执行器收到数据时,电动执行器将现场采集的数据打包发送给上位计算机.当现场出现故障时,电动执行器则不等上位计算机发出请求数据要求,就将故障数据发送.
  电动执行器可以接收来自上位机的控制信息,进行相应的动作.

  五、结论

  5.1总结
  本次设计采用国内油田最新节能技术,改变了传统采油机构的控制机理和结构,引入了开关磁阻电动机,利用软件控制算法和硬件反馈电路相结合的方法,实现了电动执行机构的数字化智能控制.开关磁阻电机具有结构简单、坚固、工作可靠、效率高、并且其构成的调速系统SRD具有运行性能和经济指标好等突出优点.控制器采用数字信号处理器TMS320LF2812 DSP,TMS320LF2812 DSP是TMS320x28x系列DSP控制器中面向高性能、高精度应用的产品,该器件上集成了多种先进的外设,为电机及其他运动控制领域应用的实现提供了良好的平台.
  同时代码和指令与F24x系列数字信号处理器完全兼容,从而保证了项目或产品设计的可延续性.F281x系列数字信号处理器具有较高的运算精度和较高的处理能力.此次设计中,以TI公司的TMS320F2812数字信号处理器为主构建的开关磁阻电机系统,通过位置检测器对电机转动圈数进行采集,通过DSPTMS320F2812的QEP模块进行接受,再算出此时转子位置及速度,输出下一相的对应信号,从而实现开关磁阻电机的转动,还可以根据转子位置判断和控制电机转动的方向.经检验,该系统在数据输入、位置随动、故障检测以及位置输出等方面,达到了设计的目标,软硬件设计和实现是可行的.

  5.2发展展望
  在石油行业引入该先进技术,会使油田节能采油机传动系统具有较好的运行效果,特别实现低转速、大转矩,在各种工况条件下均会有良好的节电效果.及时调整抽油机的冲次,实现冲次的无级调速,使抽油机工作随时处在最佳运行状态.很好的实现了油田企业的节能降耗.
  作为一种新型调速驱动系统,开关磁阻电机以其结构简单、低成本、高效率、优良的调速性能和灵活的可控性,愈来愈得到人们的认可和应用.目前已成功应用于在电动车用驱动系统、家用电器、工业应用、伺服系统、高速驱动、航空航天等众多领域中,成为交流电机调速系统、直流电机调速系统和无刷直流电机调速系统的强有力竞争者.
  在提倡节能降耗的今天,随着计算机技术的发展,电机控制技术和电动执行器控制算法的不断成熟,以及电力电子技术的广泛应用,基于DSP的开关磁阻电机的调速控制系统必然会得到更进一步的发展.

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