連續波泥漿脈沖器控制電路的設計

劉磊

（西安石油大學，西安 710065）

0 引言

本設計所用到的泥漿脈沖器為永磁同步電機，其位于鉆鋌內，工作在井下，連續波泥漿脈沖器以泥漿為介質，轉子由永磁同步電機驅動，轉子旋轉時產生一系列的正弦壓力波，該壓力波作為井下數據的載波信號，傳送至地面，通過壓力檢測、譯碼獲得井下數據，完成信息傳輸。因此，永磁同步電機的控制對于信息的傳輸具有重要影響。本控制電路的硬件結構框如圖1所示。

圖1 系統硬件結構框圖

1 泥漿脈沖器控制電路硬件設計

（1）主電路

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

圖2 主電路

（2）驅動電路設計

由TSM320F2812控制器輸出PWM信號經過功率放大后驅動MOS管。驅動芯片IR2130為三相橋式驅動電路，該芯片可以輸出六路觸發脈沖信號[6]。芯片外的自舉電容C1～C3提供高端驅動電源，選用10μF瓷片電容，二極管選用快速恢復型器件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 驅動電路

（3）電源設計

井下電池為本系統的直流母線電源，本系統設計所用的電源均有井下電池提供。電源設計采用階梯型穩壓模式，由48V直流母線電壓穩壓至15V，由15V穩壓至5V，再由5V穩壓至3.3V和1.8V，這樣的設計可以減少穩壓壓差，減少芯片的發熱，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，電源設計如圖4所示。

（4）電流檢測電路設計

為了保護開關器件以及永磁同步電機正常工作，系統設計電流檢測，確保過流時，系統及時關斷PWM波。本電路采用的電流檢測傳感器為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，AD8212芯片轉換公式：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）位置轉速檢測設計

永磁同步電機位置轉速是通過旋轉變壓器檢測獲得，通過對解碼芯片AD2S1200外圍電路以及緩沖電路的設計，將旋轉變壓器的模擬信號解碼成電機位置轉速數字信號輸入DSP2812控制芯片中，從而獲得永磁同步電機的轉速信息[4]。

圖4 電源設計

圖5 電流檢測電路

2 控制電路的軟件設計

CCStudio集成開發環境內含有編輯器、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、調試等功能，同時具有強大的分析能力，使用方便，提高了開發效率。軟件流程如圖6所示。

3 測試結果

系統測試結果如圖7所示，采樣電流、給定速度以及反饋速度通過CCStudio監控軟件顯示，實現電流、轉速雙閉環控制。

圖7 系統測試圖

圖6 軟件流程圖

參考文獻：

[1]王田農.泥漿連續波脈沖器的電路設計與實現[D].中國石油大學(華東),2015.

[2]邢增臻.發動機48V電氣系統ISG電機控制研究[D].吉林大學,2017.

[3]姚金,王彥梅.新型DSP芯片TMS320F2812在電機控制系統中的設計及應用[J].微型電腦應用,2007(10)：31-33+5.

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

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

[6]謝運祥.IR2130驅動器及其在逆變器中的應用[J].微電機(伺服技術)，2001(02)：50-52.