永磁同步電機測控實驗系統設計與實現

鄢志丹， 吳光韜， 王田農， 艾春偉， 馬士騰

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院，山東 青島 266580)

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·儀器設備研制與開發·

永磁同步電機測控實驗系統設計與實現

鄢志丹， 吳光韜， 王田農， 艾春偉， 馬士騰

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院，山東 青島 266580)

為解決連續波泥漿脈沖發生器永磁同步電機的轉速控制算法優化設計以及減速器傳動比精確測量的問題，設計了一套由浸泡在油浴中的永磁同步電機組件，旋轉變壓器解碼電路，驅動電路，計算機應用軟件等組成的綜合性測控實驗系統。在闡述永磁同步電機轉速控制原理，旋轉變壓器解碼算法以及空間矢量脈寬調制SVPWM 技術的基礎上，采用速度環Fuzzy-PID控制算法，獲得了上升時間短、超調量小、穩態誤差小的永磁同步電機轉速響應曲線，并基于雙旋變的轉子角度測量方式精確得到了減速器12.245∶1的傳動比。該系統將傳感器、自動化，電機傳動等多種技術有機融合，可作為學生創新實驗項目的實踐平臺，以鞏固學生專業基礎課程知識，提高學生分析和解決問題的實踐能力。

永磁同步電機； 實驗系統； 轉速控制； 連續波泥漿脈沖發生器

0 引 言

近年來，蓬勃發展的隨鉆測量/錄井(MWD/LWD)技術，在增強大位移井、高難度水平井、分支井的地質導向和地層評價能力，提高油層鉆遇率等方面具有重大作用[1-3]。但隨著井下信息量不斷增多，數據信號高速傳輸在隨鉆測量/錄井系統設計中的地位日益突出，成為隨鉆測量/錄井技術持續向前發展必須面對的問題。特別地，基于無線傳輸方式的連續波脈沖以其傳輸速率較高，抗干擾能力強，是泥漿脈沖傳輸前沿發展方向[4]。

連續波泥漿脈沖發生器采用直流電機來周期性改變轉子與定子過流斷面的相對位置而產生連續壓力波信號，永磁同步電機因其結構簡單、運行可靠、功率因數高、損耗小等諸多特點，成為優選的井下動力源。此外，為了增強永磁同步電機的輸出扭矩，通常在電機前端加裝有減速器。為保證編碼可靠、發送數據正確，連續波泥漿脈沖發生器必須具有很高的輸出轉速控制精度，同時考慮到整機實驗成本高、設備復雜、時間長，為此，設計了一套永磁同步電機測控實驗系統，不但可以優化轉速控制算法，還可對減速器的傳動比數值進行精確測量。

值得一提的是，該實驗系統涉及到傳感器檢測、電機拖動、自動控制原理、微機原理、智能儀表開發、C語言程序設計等多種學科知識，將傳感器、自動化、電機傳動及計算機技術等有機融合，可以用作學生創新實驗項目的實踐平臺，成為實驗教學的有效載體。這不但有助于鞏固學生專業基礎課程知識，接觸專業的前沿應用方向，而且能有效提高學生分析和解決問題的實踐能力[5-10]。

1 實驗系統

如圖1所示，永磁同步電機測控實驗系統由浸泡在油浴中的永磁同步電機組件(包括旋轉變壓器1、永磁同步電機和減速器、聯軸器和旋轉變壓器2)，旋轉變壓器解碼電路1和2，驅動電路，核心電路以及計算機應用軟件組成。具體實物如圖2所示。

圖1 永磁同步電機測控實驗系統框圖

本系統中，分別設置了MCU(MC9S12XS128)和DSP(TMS320F28335)兩種核心電路，其中MCU電路用于計算旋轉變壓器解碼電路2輸出的減速器轉子轉角及轉速值，并通過RS-232協議傳輸至上位機軟件；而DSP核心電路除了獲取旋轉變壓器解碼電路1輸出的電機轉子轉角及轉速值，并通過CAN協議傳輸至上位機軟件外，還要依據運行Fuzzy-PID速度環和PI電流環控制算法，生成相應的PWM波形圖，控制驅動電路，以保證永磁同步電機的平穩運行。

圖2 永磁同步電機測控實驗系統實物圖

2 永磁同步電機轉速控制原理

圖3所示為永磁同步電機控制原理框圖，其中，s、r分別為設定轉速和實際測量轉速；E和Ec分別為轉速誤差及其變化率；Kp、Ki、Kd分別為比例、積分和微分控制參數；id*、id和iq*、iq分別為d軸和q軸電流PI調節器的設定以及實際輸入值；ud和uq分別為d軸和q軸電流PI調節器輸出電壓；iα、iβ和uα、uβ分別為α、β軸電流和電壓；ia、ib、ic和ua、ub、uc分別為永磁同步電機三相電流和電壓；θ為電機轉子角度值。控制算法中需要進行a-b-c坐標系、α-β坐標系和d-q坐標系間相互轉化，其響應數學公式可參考文獻[11]。永磁同步電機轉速控制的具體流程為：①設定電機轉速s；②由旋轉變壓器測量出轉子角度θ和轉子實際轉速r；③用霍爾電流傳感器檢測出電機三相電流(ia、ib和ic，ia+ib+ic=0)中的任意兩相，并經Clark和Park變換后，得到id和iq；④由速度環Fuzzy-PID控制器輸出q軸電流給定值iq*；⑤由d、q軸電流PI調節器輸出ud和uq，經Park逆變換得到uα和uβ；⑥依據SVPWM技術，判斷扇區位置，設置三路DSP中的PWM波發生寄存器，操控電機驅動電路；⑦反復進行②～⑥步驟，使實際轉速r穩定在設定轉速s的允許誤差范圍內；⑧若改變電機設定轉速s，則執行①～⑦步驟。

2.1 旋轉變壓器解碼算法

旋轉變壓器是一種精密的測角機電元件[12]。圖4所示為旋轉變壓器典型的原理結構，主要構件為定子和轉子，分別在其上安裝有原邊(R1、R2)和相互垂直的副邊繞組(S1～S3，S2～S4)。原、 副邊繞組之間的電磁耦合程度由θ決定，即轉子繞組的輸出電壓大小及相位與轉角有關。在工作時，原邊繞組作為勵磁繞組由電壓Ur供電，即：

(1)

式中：Up、ω和t分別為勵磁電壓的幅值、角頻率及時間。勵磁電流產生的交變磁通，在副邊輸出繞組中將產生正弦相Ub和余弦相Ua感應電動勢，即：

(2)

式中：Es為輸出電動勢幅值。將該兩路信號輸入專用解碼器ADS1205或經ADC由數字處理芯片DSP處理后，可解算出轉子的當前轉角值θ，并得到轉速信息，

(3)

圖4 旋轉變壓器原理結構

2.2 空間矢量脈寬調制 SVPWM 技術

SVPWM是近年發展的一種永磁同步電機的控制方法[13-14]，是由三相功率逆變器的6個功率開關元件組成的特定開關模式產生的脈寬調制波，使電機獲得理想圓形磁鏈軌跡。該技術使得繞組電流波形的諧波成分小，直流母線電壓利用率高，且更易實現數字化。

如圖5(a)所示，在α-β坐標系中，兩電平三相功率逆變器輸出共有8個空間矢量(Uk，k=0,1，…，7)，其中包括6個非零矢量 (Uk，k=1,2，…，6)和2個零矢量U0和U7。

如圖5(b)所示, 以第一扇區為例，選擇相鄰的2個電壓矢量U1、U2以及零矢量U0和U7，按照伏秒平衡的原則可合成扇區內的任意期望電壓矢量Uref，即：

(4)

圖5 空間電壓矢量調制

令Uref和U1間的夾角為θ(與轉子轉角同)，可得：

(5)

式中：Ts為采樣周期；T1、T2、T0分別為對應2個非零電壓矢量和零電壓矢量在的作用時間；uα、uβ分別為α和β軸的分量電壓(同上)。

下面討論扇區判斷和各矢量作用時間計算方法。令：

(6)

則電壓矢量的所處扇區k可通過表1來判斷。

表1 電壓矢量扇區判斷規則

相應非零矢量和零矢量作用時間Tk，Tk+1和T0為：

(7)

式中，T為2×2矩陣，即：

(8)

若已知扇區和各矢量作用時間，便可用常規的PWM算法來操作三相橋路開關，以合成某一扇區內的任意期望電壓矢量。

2.3 速度環Fuzzy-PID控制算法

速度環Fuzzy-PID 控制器原理圖如圖3右側所示，該控制器由模糊化模塊和傳統PID控制器兩部分組成。依據建立的模糊規則，使PID 參數能夠滿足在線檢測的轉速誤差n和轉速誤差變化率nc的自適應要求，以實現PID 參數的最佳調整。Fuzzy-PID控制算法主要包括輸入/輸出變量模糊化，模糊推理及去模糊化三部分[15-16]。

3 實驗結果

圖6為電機轉速控制曲線圖，其中圖6(a)為電機轉速控制軟件的某一界面，該軟件由Vc++語言編寫，可以控制電機的啟動與停止、分段設置運行轉速及相應時間、保存轉速數據及操控繪圖控件。圖中紅色曲線為當設定轉速為600 r/min時，永磁同步電機的實際轉速值；圖6(b)為電機設定轉速分別為600、300、400和500 r/min運行時，其實際轉速的響應曲線。從圖中可以看出，該實驗系統中永磁同步電機轉速響應曲線上升時間短，超調量小，穩態誤差小，實際恒速效果好。

(a) 電機轉速控制軟件的某一界面

(b) 電機變速特性

圖6 電機轉速控制曲線

永磁同步電機組件中的減速器在電機和負載執行機構之間起著非常重要的匹配轉速和傳遞轉矩的作用，其傳動比數值需要精確測量。實驗中，令電機設定轉速為600 r/min，待電機運行穩定后，通過旋轉變壓器1的θ周期性變化，來計算減速器輸入圈數，以旋轉變壓器2的轉子角度周期性變化來計算減速器輸出圈數，兩者之比即為傳動比。圖7所示為LabVIEW graph控件表示的旋轉變壓器2測量的角度輸出曲線，每條完整斜線表示減速器旋轉1圈。表2給出了3組實際傳動比測定數據，可以看出，該減速器傳動穩定性好，精度高，傳動比約為12.245∶1。

圖7 旋轉變壓器2測量的角度輸出曲線

電機輸出圈數減速器輸出圈數傳動比3000245.012.245∶16000490.112.242∶112000979.812.247∶1

4 結 語

為保證編碼可靠，發送數據正確，永磁同步電機轉速控制和減速器傳動比測量是連續波泥漿脈沖發生器研制過程中的重要環節，為此開發了一套將傳感器技術、自動化，電機傳動及計算機有機融合的永磁同步電機測控實驗系統。通過采用高精度旋轉變壓器，空間矢量SVPWM調制技術和Fuzzy-PID控制算法，可以實現永磁同步電機恒速良好控制和減速器傳動比的精確測量。

同時，結合測控技術與儀器專業課程建設及實驗教學改革要求，將當前課題組科學研究的這一中間成果轉化為學生創新實驗項目的實踐平臺，將有助于鞏固學生專業基礎課程知識，接觸專業的前沿應用方向，能夠充分調動學生的積極性，增強創新意識，培養學生的科學素養及團隊合作精神。

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Design and Implementation of Experimental System for Measuring and Controlling Permanent Magnet Synchronous Motor

YANZhi-dan,WUGuang-tao,WANGTian-nong,AIChun-wei,MAShi-teng

(College of Information & Control Engineering, China University of Petroleum(East China), Qingdao 266580, China)

To solve the problems of the speed control algorithm optimization and reducer drive ratio determination of a permanent magnet synchronous motor in a continuous wave mud pulse generator, a comprehensive experimental system for permanent magnet synchronous motor has been developed. The system mainly includes permanent magnet synchronous motor components soaking in the oil bath, resolver decoding circuit, drive circuit and computer application software. The speed response curve shows the characteristics of short rising time, less overshoot and minor steady-state error. The design applies the Fuzzy-PID control algorithm based on the analysis of speed control principle, decoding algorithm and space vector pulse width modulation (SVPWM) technology. A precise reducer drive ratio of 12.245:1 is obtained by a way of double-resolver rotor angle measurement. Moreover, the designed system is the organic integration of sensor, automation, and motor driving technologies. It can be used as a students' innovative experimental platform, to help them to consolidate the knowledge of professional foundation courses, and to improve their professional abilities of analyzing and solving problems.

permanent magnet synchronous motor; experimental system; rotational speed control; continuous wave mud pulse generator

2015-01-26

國家自然科學基金青年基金(11104354)

鄢志丹(1983-)，男，甘肅文縣人，講師，現主要從事隨鉆測量技術、目標檢測與識別方面的研究。

Tel.: 0532-86983468; E-mail：zhidanyan@upc.edu.cn

TM 341；G 642.423

A

1006-7167(2015)11-0042-04