基于DSP的開關(guān)磁阻電機控制器軟硬件設(shè)計,機械工程論文當前國內(nèi)廣泛使用的抽油機有游梁式和無游梁式兩類,同樣以游梁式抽油機為主,其所配電動機大多數(shù)為Y系列電動機.長期以來抽油機所配電機大都處于輕載運行狀態(tài),負載率極低,功率損耗大,能源浪費嚴重,抽油機井電耗在油田生產(chǎn)用電中占有很大比例且沖程沖次調(diào)節(jié)特別不便.本課題采用國內(nèi)油田最新節(jié)能技術(shù),對當今普遍使用的采油機的傳動系統(tǒng)進行改造,運用開關(guān)磁阻電機代替以往使用的電機,并對開關(guān)磁阻電機進行必要的優(yōu)化控制,以到達油井節(jié)能降耗的目的.油田節(jié)能采油機傳動系統(tǒng)具有較好的運行效果,十分實現(xiàn)低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩,在各種工況條件下均會有良好的節(jié)電效果,及時調(diào)整抽油機的沖次,實現(xiàn)沖次的無級調(diào)速,使抽油機工作隨時處在最佳運行狀態(tài).再利用數(shù)字信號處理器DSP的智能控制,可根據(jù)油井的實際情況,實現(xiàn)上沖程、下沖程、的速度調(diào)節(jié),頻繁起停及正反轉(zhuǎn)運行.二、開關(guān)磁阻電動機調(diào)速理論開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)基本經(jīng)過分析:SRD的基本運行狀態(tài)包括啟動運行狀態(tài)、穩(wěn)定運行狀態(tài)和制動運行狀態(tài).各種運行狀態(tài)下系統(tǒng)需求不同,采用的控制策略必然有所不同.SRD的基本控制策略為低速運行斬波控制和高速運行角度位置控制.但在詳細應(yīng)用中,籠統(tǒng)的視運行速度切換這兩種形式,系統(tǒng)的工作性能很難到達最優(yōu).將斬波方式和角度位置調(diào)節(jié)有機的結(jié)合起來,能夠改善電機高速運行性能.研究表示清楚,根據(jù)不同的運行需求采用組合式控制策略,能夠獲得更好的控制效果.1.啟動運行狀態(tài)策略SRM由靜止不動到正常運轉(zhuǎn)必須經(jīng)歷一個啟動經(jīng)過.SRM的啟動比擬簡單,無需輔助設(shè)備,對于三相以及三相以上的電動機可在任意轉(zhuǎn)子位置正、反向啟動.對于12/8構(gòu)造的三相開關(guān)磁阻電機,采用電壓斬波控制.固定開通角0度,導(dǎo)通180度電角度,起動沒有死區(qū),能夠在任意位置實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動.2.穩(wěn)定運行狀態(tài)策略SRD的穩(wěn)定運行是指在恒定負載、恒定轉(zhuǎn)速下的運行.穩(wěn)態(tài)運行是電機的主要運行方式,尋求適宜的穩(wěn)態(tài)運行控制策略是決定系統(tǒng)性能優(yōu)劣的關(guān)鍵.考慮到系統(tǒng)為具有低、中、高速運行的系統(tǒng),在低速和中速采用低壓斬波控制,通過調(diào)節(jié)繞組上平均電壓使得電機近似運行于恒轉(zhuǎn)矩方式,在高速時采用APC控制,通過調(diào)節(jié)開通角,優(yōu)化導(dǎo)通角使得系統(tǒng)近似運行于恒功率方式,并且使得系統(tǒng)的效率最優(yōu).在高速運行時,開通角是主要的控制變量,電流調(diào)節(jié)器的輸出為開通角,開通角對電機的出力和效率影響很大.為使電機在高速時具有出力大、效率高,把開通角作為主要的調(diào)節(jié)變量.關(guān)斷角影響電流波形的寬度,高速時電路峰值比擬大,假如導(dǎo)通寬度太大,電流可能續(xù)流到電感下降區(qū),產(chǎn)生負轉(zhuǎn)矩,影響出力和效率.能夠通過實驗找到一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的最優(yōu)的導(dǎo)通寬度,確定關(guān)斷角.3.制動運行狀態(tài)策略所謂制動,就是在電動機軸上施加一個與旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)矩.SRM的制動運行包含兩重意義,一是利用制動轉(zhuǎn)矩降速,使電機盡快停轉(zhuǎn);而是發(fā)電工作.與直流電機不同,SRM只要再生制動方式,SRM再生制動的實現(xiàn)非常方便,只要加大開通角,使相電流主要在dL/dq0區(qū)間段出現(xiàn)即可.所以對于制動狀態(tài),采用了固定開關(guān)角和電壓斬波的控制策略.三、基于DSP的開關(guān)磁阻電機控制器硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件設(shè)計總體構(gòu)造本文采用TMS320LF2812為主控制器并配以高速邏輯電路,以四相8/6極開關(guān)磁阻電動機為對象,設(shè)計了一種性能優(yōu)良的開關(guān)磁阻電機速度控制系統(tǒng).介紹了系統(tǒng)的構(gòu)造和工作原理,給出了位置檢測、電流檢測、輸出及故障保衛(wèi)等電路設(shè)計,利用的豐富外設(shè)資源,到達簡化電路構(gòu)造、提高運行可靠性的目的.控制系統(tǒng)以TMS320LF2812數(shù)字信號處理器控制核心,采用速度、電流雙閉環(huán)控制構(gòu)造.DSP捕獲光電傳感器表示的轉(zhuǎn)子位置信號,變成速度信號和換相控制信號;采樣電流傳感器表示的電流信號,經(jīng)過濾波后作為電流調(diào)節(jié)器的反應(yīng)信號,速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)的給定.低速時電流調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過PWM調(diào)制后驅(qū)動功率器件,高速時電流調(diào)節(jié)器輸出為導(dǎo)通寬度,使得功率開關(guān)在適宜的時刻導(dǎo)通和關(guān)斷相繞組.DSP通過SPI和顯示單元傳輸電機速度、狀態(tài)等信息,通過通信接口和上位機進行通訊.TMS320LF2812DSP是TMS320行x28x系列DSP控制器中面向高性能、高精度應(yīng)用的產(chǎn)品.本系統(tǒng)中,DSP負責判定轉(zhuǎn)子位置信息,實時計算轉(zhuǎn)速,把那個綜合各種保衛(wèi)信號和給定信息以及轉(zhuǎn)速情況,給出相通斷信號,實現(xiàn)數(shù)字PI調(diào)節(jié)并產(chǎn)生頻率固定、占空比變化的PWM信號,作為功率開關(guān)的驅(qū)動信號.四、基于DSP的開關(guān)磁阻電機控制器軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)控制方案確實定給定速度經(jīng)過一個電位器組成的分壓電路給定,實際速度是由位置傳感器電流檢測,經(jīng)過濾波、隔離和整形后,通過DSP的捕獲單元輸入.DSP利用PID控制算法通過比擬單元和脈寬調(diào)制電路輸出PWM信號,PWM控制信號經(jīng)過隔離放大輸入給驅(qū)動模塊,在由驅(qū)動模塊輸出的信號控制功率開關(guān)相開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷,實現(xiàn)SRD的閉環(huán)調(diào)速控制.4.2系統(tǒng)工作原理控制原理是對經(jīng)過變量進行采樣,數(shù)據(jù)處理以及根據(jù)指定的算法和控制方案進行計算和輸出.采用DSP數(shù)字PI調(diào)節(jié)器,實現(xiàn)SRM的閉環(huán)控制.在啟動時,DSP檢測SR電動機轉(zhuǎn)子初始位置,根據(jù)檢測到的位置信號,給相應(yīng)的相繞組發(fā)出觸發(fā)信號,電動機聲速運行.SR運行,在升速運行階段,利用電壓斬波控制方式,速度外環(huán)反應(yīng)的速度與給定值產(chǎn)生偏差,通過速度控制生成電流參考值.轉(zhuǎn)速到達一定值時,SR電動機運行進入速度保持階段,電流維持一恒定值不變.SR電動機減速運行時,采用斬波控制與制動運行相結(jié)合的方式,克制SR電動機的轉(zhuǎn)矩脈動.4.3主程序設(shè)計主程序主要完成系統(tǒng)的初始化、初始狀態(tài)的判定以及起動、運行子程序的調(diào)用.初始化包括TMS320LF2812內(nèi)部各托存器及變量的初始化,事件管理器和通訊顯示模塊及中斷命令初始化,QEP中斷觸發(fā)方式,禁止全部中斷,并關(guān)閉所有的相輸出信號等.根據(jù)接收的指令確定系統(tǒng)的運行形式、維護系統(tǒng)正常運行、通訊和顯示等工作.4.4定時器中斷程序設(shè)計定時器中斷程序主要是實現(xiàn)電壓斬波、換相和速度控制.電壓斬波控制在定時器3中斷中實現(xiàn),PWM頻率設(shè)置為25Hkz;PWM初始占空比為100%,以使對通電相通電霎時相電流能快速上升;電流檢測每40us一次,頻率為25Hkz與PWM同頻.此部分程序在定時器3中斷中實現(xiàn).程序根據(jù)采樣的速度和電流信息改變比擬托存器的比擬值,進而改變占空比,實現(xiàn)電壓斬波的目的.4.5通訊程序設(shè)計通訊程序主要采用查詢方式,通過CAN總線或者RS-485總線的接收數(shù)據(jù),并根據(jù)程序要求設(shè)定相應(yīng)的標志位,并根據(jù)相應(yīng)的標志位對所接收的數(shù)據(jù)進行請求處理后,做出相應(yīng)的反響或者動作.電動執(zhí)行器要傳送的數(shù)據(jù)有閥門的實際開度和各種參數(shù),故障報警時的數(shù)據(jù)等,在上位機向電動執(zhí)行器發(fā)出請求數(shù)據(jù)要求且電動執(zhí)行器收到數(shù)據(jù)時,電動執(zhí)行器將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)打包發(fā)送給上位計算機.當現(xiàn)場出現(xiàn)故障時,電動執(zhí)行器則不等上位計算機發(fā)出請求數(shù)據(jù)要求,就將故障數(shù)據(jù)發(fā)送.電動執(zhí)行器能夠接收來自上位機的控制信息,進行相應(yīng)的動作.五、結(jié)論5.1總結(jié)本次設(shè)計采用國內(nèi)油田最新節(jié)能技術(shù),改變了傳統(tǒng)采油機構(gòu)的控制機理和構(gòu)造,引入了開關(guān)磁阻電動機,利用軟件控制算法和硬件反應(yīng)電路相結(jié)合的方式方法,實現(xiàn)了電動執(zhí)行機構(gòu)的數(shù)字化智能控制.開關(guān)磁阻電機具有構(gòu)造簡單、堅固、工作可靠、效率高、并且其構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)SRD具有運行性能和經(jīng)濟指標好等突出優(yōu)點.控制器采用數(shù)字信號處理器TMS320LF2812DSP,TMS320LF2812DSP是TMS320x28x系列DSP控制器中面向高性能、高精度應(yīng)用的產(chǎn)品,該器件上集成了多種先進的外設(shè),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.同時代碼和指令與F24x系列數(shù)字信號處理器完全兼容,進而保證了項目或產(chǎn)品設(shè)計的可延續(xù)性.F281x系列數(shù)字信號處理器具有較高的運算精度和較高的處理能力.此次設(shè)計中,以TI公司的TMS320F2812數(shù)字信號處理器為主構(gòu)建的開關(guān)磁阻電機系統(tǒng),通過位置檢測器對電機轉(zhuǎn)動圈數(shù)進行采集,通過DSPTMS320F2812的QEP模塊進行接受,再算出此時轉(zhuǎn)子位置及速度,輸出下一相的對應(yīng)信號,進而實現(xiàn)開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)動,還能夠根據(jù)轉(zhuǎn)子位置判定和控制電機轉(zhuǎn)動的方向.經(jīng)檢驗,該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)輸入、位置隨動、故障檢測以及位置輸出等方面,到達了設(shè)計的目的,軟硬件設(shè)計和實現(xiàn)是可行的.5.2發(fā)展瞻望在石油行業(yè)引入該先進技術(shù),會使油田節(jié)能采油機傳動系統(tǒng)具有較好的運行效果,十分實現(xiàn)低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩,在各種工況條件下均會有良好的節(jié)電效果.及時調(diào)整抽油機的沖次,實現(xiàn)沖次的無級調(diào)速,使抽油機工作隨時處在最佳運行狀態(tài).很好的實現(xiàn)了油田企業(yè)的節(jié)能降耗.作為一種新型調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng),開關(guān)磁阻電機以其構(gòu)造簡單、低成本、高效率、優(yōu)良的調(diào)速性能和靈敏的可控性,愈來愈得到人們的認可和應(yīng)用.當前已成功應(yīng)用于在電動車用驅(qū)動系統(tǒng)、家用電器、工業(yè)應(yīng)用、伺服系統(tǒng)、高速驅(qū)動、航空航天等諸多領(lǐng)域中,成為溝通電機調(diào)速系統(tǒng)、直流電機調(diào)速系統(tǒng)和無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的強有力競爭者.在提倡節(jié)能降耗的今天,隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,電機控制技術(shù)和電動執(zhí)行器控制算法的不斷成熟,以及電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用,基于DSP的開關(guān)磁阻電機的調(diào)速控制系統(tǒng)必然會得到更進一步的發(fā)展.以下為參考文獻:[1]王曉明.電動機的單片機控制.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002[2]吳守箴.藏英杰.電氣傳動的脈寬調(diào)制技術(shù).北京:機械工業(yè)出版社,1998[3]陳國呈.新型電力電子變換技術(shù).北京:中國電力出版社,2004[4]戴文進等.特種溝通電機及其計算機控制與仿真.北京:機械工業(yè)出版社,2002[5]吳寧.微型計算機原理及應(yīng)用.北京:電子工業(yè)出版社,2002[6]馮建華.趙亮.單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與產(chǎn)品開發(fā).北京:人民郵電出版社,2004[7]王幸之等.8051/8098單片機原理及接口技術(shù).北京:兵器工業(yè)出版社,1998[8]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng).北京:機械工業(yè)出版社,2005[9]范正翹.電力傳動與自動控制系統(tǒng).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003[10]王兆安,黃俊.電力電子技術(shù).北京:機械工業(yè)出版社,2000[11]謝寶昌.電