CN110829919A - 一种连续波泥浆脉冲器的控制系统及其开发方法 - Google Patents

一种连续波泥浆脉冲器的控制系统及其开发方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于连续波泥浆脉冲器的控制系统及其开发方法，其特征在于，所述控制系统采用了一种基于新型趋近律的滑模控制，且所述新型趋近律为：
Figure DDA0002251909770000011
ε＞0，k＞0；所述开发方法包括8个步骤：产品需求分析，软件模型分析，搭建半实物仿真模型，模型的单元测试与集成测试，与CCS连接生成可执行的代码，对生成的代码做SIL、HIL测试验证其可行性与可靠性，搭建实验平台验证代码的可行性，对代码进行改进。本发明的有益之处在于：采用新型趋近律，削弱滑模控制带来的固有抖振问题，提高了永磁同步电机的运行性能；控制系统的开发方法，显著减少代码开发时间，并且在后期检查代码过程中可根据仿真模型分块检查。

Description

一种连续波泥浆脉冲器的控制系统及其开发方法
技术领域
本发明属于石油开采技术领域，涉及随钻测量装置中连续波泥浆脉冲器的控制系统，尤其涉及一种连续波泥浆脉冲器的控制系统及其开发方法。
背景技术
在石油开采中，井下复杂的环境会对电机的运行产生很严重的影响，例如井下的温度随着井深的增加而升高，而温度的变化势必会引起电机控制参数的变化，另一方面，水力转矩产生的未知扰动也会严重影响电机的运行性能。因此需要采用一种具有较强鲁棒性的电机控制策略可以有效的避免外界环境的干扰。滑模控制在近些年的发展中已经成为了一种成熟的控制技术，并且具有较强的鲁棒性，所以本次设计采用滑模控制。
另外，在目前的随钻测量技术中，连续波泥浆脉冲远传系统是一项前沿技术，可将数据传输速率提高到目前采用的正脉冲发生器的十倍以上，并且可靠性高，可以满足未来石油钻井技术发展的要求，但是这项技术在实际应用中还是存在一些需要优化和改进的方面的。
连续波泥浆脉冲器是靠永磁同步电机的旋转带动转阀运动的，而转阀的运动不断改变转子和定子叶片的相对位置，导致泥浆的流通面积不断变化，从而产生了连续的压力波信号的；因此，提高电机的控制性能效果直接影响了连续波泥浆脉冲器转阀运动时产生的信号，从而影响到井下信息的传输质量。滑模控制由于其自身的开关特性导致了系统会具有不可避免的抖振问题，抖振严重时会对系统以及电机造成较大的损伤，因此本文基于传统指数趋近律的基础设计了一种新型的趋近律来削弱抖振。
在传统的软件开发方式中都存在开发速度慢、工作量大、优化困难等问题。本次设计采用基于模型的软件开发方式，不仅提高了开发速度，还可以在前期就对代码进行检查，避免在后期检查代码的工作量大等问题，而且基于此方法生成的代码在运行方面与人为编写的代码运行效果没有任何差异。
发明内容
为了克服现有技术的存在的问题，本发明提供了一种连续波泥浆脉冲器的控制系统，实现以下目的：
①开发新型趋近律，削弱永磁同步电机抖振幅度，促进永磁同步电机的运行性能；
②采用基于Simulink模型设计的代码开发方式，在Simulink中建立半实物仿真模型，用CCS与DSP连接并自动生成可使用的代码，显著减少代码开发时间，并且在后期检查代码过程中可根据仿真模型分块检查；
③在永磁同步电机的控制策略中，采用非线性滑模控制，使得系统具有较好的鲁棒性，有效避免外界环境的干扰。
一种用于连续波泥浆脉冲器的控制系统采用了一种基于新型趋近律的滑模控制，且所述新型趋近律为：ε＞0，k＞0；其中，ε表示系统的运动点趋近切换面s＝0的速率，ε越小时趋近速度慢，ε越大时则运动点到达切换面时将具有较大的速度，引起的抖动也较大；sgn(s)为符号函数，保证在空间任意一点，系统都是向着切换面s＝0运动；指数项-ks能保证当s较大时，系统状态能以较大的速度趋近于滑动模态；
且函数f(s)满足以下条件：
1)当|s|>0时，f(s)≥1；当系统远离滑模面时即|s|＞0，此时εf(s)为大于ε的数，系统趋近滑模面的速度取决于k,当k值合理时系统会以很快的速度趋近于滑模面；
2)当|s|→0时，f(s)→1；当|s|逐渐减小时，f(s)逐渐趋近于1，εf(s)为近似于ε的数；当ε取值很小时，系统在接近滑模面时会以很小的速度平滑接近滑模面，这就减小了系统的抖振，可以提高系统控制性能；
3)f(s)当中参数尽可能少，不超过三个；设计的f(s)的参数尽可能少，这样就避免了因参数过多，优化系统困难。
所述新型趋近律满足
Figure BDA0002251909750000031
从而使系统的状态空间变量可由任意未知的初始状态在有限时间内到达滑模面。
一种用于连续波泥浆脉冲器的控制系统的开发方法，包括以下步骤：产品需求分析，软件模型分析，搭建半实物仿真模型，模型的单元测试与集成测试，与CCS连接生成可执行的代码，对生成的代码做SIL、HIL测试验证其可行性与可靠性，搭建实验平台验证代码的可行性，对代码进行改进；
(1)产品需求分析：连续波泥浆脉冲器工作在狭小、高温高压的地下环境，因此控制方法必须选用鲁棒性好的控制方法，而滑模控制由于可以自行设计，所以充分满足鲁棒性好的特点，另外选用的磁场定向控制将永磁同步电机利用坐标变换的手段，将电动机的定子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流并分别加以控制，即磁通电流分量和转矩电流分量二者完全解耦，从而获得类似于直流调速系统的动态性能，使得控制更加方便；
(2)软件模型分析：根据磁场定向控制以及滑模控制方法的理念，搭建软件模型，且所述软件模型包括中断触发模块、坐标变换模块，滑模控制模块，电流环PI控制模块、SVPWM模块、转速采样模块、AD采样模块、上位机控制模块；
(3)搭建半实物仿真模型：根据软件模型分析的结果搭建永磁同步电机控制的仿真模型；
(4)模型的单元测试与集成测试：根据不同的模块搭建出永磁同步电机的FOC控制模型，分别对每个模块进行单元测试，验证其正确性，再对模型做集成测试，排除基本逻辑错误，获得测试合格模型；
(5)与CCS连接生成可执行的代码：将所述测试合格模型与CCS连接生成可执行的代码；
(6)对生成的代码做SIL、HIL测试验证其可行性与可靠性：对所述可执行的代码进行软件在环SIL测试，验证代码的效果；之后进行硬件在环HIL开发与测试，验证代码在实际控制系统中的效果；并根据测试结果对不同模块生成的代码加以改进，获得仿真模型代码；
(7)搭建实验平台验证代码的可行性：依据在仿真模型中调整参数获得的规律经行参数整定，搭建硬件平台，对所述仿真模型代码进行软硬件联调，验证代码可行性。
优选的，步骤(2)所述搭建软件模型的方法为，在Matlab中搭建永磁同步电机模型的矢量控制仿真图，具体为：所述转速采样模块的转速环采用基于新型趋近律的控制器，电流环采用PI控制器，经过坐标变换模块与SVPWM模块产生PWM波控制永磁同步电机的运行。
优选的，步骤(7)所述硬件平台包括控制板和功率驱动保护组件；其中所述控制板包括DSP最小系统设计单元、编码器信号处理单元、驱动信号单元；所述功率驱动保护组件包括开关电源模块、电流采样单元、PWM光耦隔离与驱动单元、整流单元与逆变单元、故障保护单元，具体如下：
所述DSP最小系统设计单元：上位机将信息通过SCI、CAN总线发送至TMS320F2812芯片中，所述信号采样处理单元与所述编码器信号处理单元将采集到的电压、电流、转速信号通过SPI传输至DSP2812芯片内，所述DSP2812芯片获得信号，通过空间矢量控制发送六路PWM波，六路PWM波通过功率放大器件加载到三相逆变电路的开关器件上，实现对永磁同步电机的控制；
所述编码器信号处理单元：编码器通过对电机转速的检测产生的A、B、Z信号经过PWM光耦隔离，然后将光耦输出的脉冲经差分接收器处理，之后连接到所述控制板的正交编码单元进行速度计算，将计算后的值再传输给DSP进行控制；
所述驱动信号单元：驱动信号单元采用DSP产生六路PWM脉冲信号，首先进过反相器整形驱动，再经过功率驱动保护组件内的光耦隔离，最后送入IPM模块的信号输入端，IPM模块内部又经过放大后控制IGBT模块；
所述开关电源模块：具有9路输出、8路隔离输出，为IPM模块提供驱动单元；
所述电流采样单元：电流采样共有两路，分别对U、V两相电流，通过IEM公司的电流霍尔传感器(型号HY-5P)经行采样，将电流信号变为电压信号，再经过运算放大器经行信号变换处理后送到DSP的AD采样口；
所述PWM光耦隔离与驱动单元：驱动电路采用高速光耦4504进行电气隔离，实现对桥式电路的控制；
所述整流单元与逆变单元：整流电路采用不控整流，为逆变电路提供直流母线电压，逆变单元采用三菱IPM模块PM25RLA120，最大输出功率为3.7KW；
所述故障保护电源：当IPM模块任意一个桥臂出现故障时，DSP中断引脚接收到FAULT为低电平时，立刻封锁PWM脉冲输出，实现保护功能。
本发明的有益之处在于：
①本发明的一种用于连续波泥浆脉冲器的控制系统开发并使用了一种新型趋近律，该新型趋近律不仅可以加快电机的响应速度，还提高了系统的动态性能，削弱滑模控制带来的固有抖振问题，促进永磁同步电机的运行性能；
②本发明的一种用于连续波泥浆脉冲器的控制系统的开发方法，采用基于Simulink模型设计的代码开发方式，在Simulink中建立半实物仿真模型，用CCS与DSP连接并自动生成可使用的代码，显著减少代码开发时间，并且在后期检查代码过程中可根据仿真模型分块检查；
③本发明的一种用于连续波泥浆脉冲器的控制系统的开发方法，基于模型的设计作为一种新型嵌入式技术可以有效的避免传统代码开发的耗时长、费用高等缺点，结合Matlab与CCS可以快速的生成可执行的代码，并且生成的代码在执行性、实用性方面不比传统代码开发差，而且在后期修改代码过程中，可以根据Matlab中不同的功能区域来针对性的修改代码，提高了效率；
④本发明的一种用于连续波泥浆脉冲器的控制系统的开发方法，在永磁同步电机的控制策略中，采用非线性滑模控制，使得系统具有较好的鲁棒性，有效避免外界环境的干扰。
附图说明
图1为本发明的一种用于连续波泥浆脉冲器的控制系统的开发方法的步骤流程简图；
图2为本发明实施例的一种用于连续波泥浆脉冲器的控制系统的开发方法的中的FOC原理图；
图3为本发明实施例的一种用于连续波泥浆脉冲器的控制系统的工作流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种用于连续波泥浆脉冲器的控制系统采用了一种基于新型趋近律的滑模控制，，且所述新型趋近律为：
Figure BDA0002251909750000071
ε＞0，k＞0；其中，ε表示系统的运动点趋近切换面s＝0的速率，ε越小时趋近速度慢，ε越大时则运动点到达切换面时将具有较大的速度，引起的抖动也较大；sgn(s)为符号函数，保证在空间任意一点，系统都是向着切换面s＝0运动；指数项-ks能保证当s较大时，系统状态能以较大的速度趋近于滑动模态；
在等速趋近项中新增加一个f(s)项，该函数满足：
1)当|s|>0时，f(s)≥1；当系统远离滑模面时即|s|＞0，此时εf(s)为大于ε的数，系统趋近滑模面的速度取决于k,当k值合理时系统会以很快的速度趋近于滑模面；
2)当|s|→0时，f(s)→1；当|s|逐渐减小时，f(s)逐渐趋近于1，εf(s)为近似于ε的数；当ε取值很小时，系统在接近滑模面时会以很小的速度平滑接近滑模面，这就减小了系统的抖振，可以提高系统控制性能；
3)f(s)当中参数尽可能少，不超过三个；设计的f(s)的参数尽可能少，这样就避免了因参数过多，优化系统困难。
所述新型趋近律满足
Figure BDA0002251909750000072
从而使系统的状态空间变量可由任意未知的初始状态在有限时间内到达滑模面。
实施例2
一种用于连续波泥浆脉冲器的控制系统的开发方法，包括以下步骤：产品需求分析，软件模型分析，搭建半实物仿真模型，模型的单元测试与集成测试，与CCS连接生成可执行的代码，对生成的代码做SIL、HIL测试验证其可行性与可靠性，搭建实验平台验证代码的可行性，对代码进行改进；
(1)产品需求分析连续波泥浆脉冲器工作在狭小、高温高压的地下环境，因此控制方法必须选用鲁棒性好的控制方法，而滑模控制由于可以自行设计，所以充分满足鲁棒性好的特点，另外选用的磁场定向控制将永磁同步电机利用坐标变换的手段，将电动机的定子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流并分别加以控制，即磁通电流分量和转矩电流分量二者完全解耦，从而获得类似于直流调速系统的动态性能，使得控制更加方便；如图2所示，FOC的磁场定向控制原理为：给定电机的额定转速与检测反馈的转速的差值经过滑模控制得到电机q轴的电流，同时采用id＝0的控制方法，得到d轴的电流，再经过坐标变换得到α、β轴的电压，通过SVPWM模块得到PWM波，控制IGBT的通断得到三相电压输入给电机进行运转，采用光电编码器与电流传感器测得转速与三相电流的值再反馈给控制电路形成闭环控制。
(2)软件模型分析：场定向控制以及滑模控制方法的理念，搭建软件模型，且软件模型包括中断触发模块、坐标变换模块，滑模控制模块，电流环PI控制模块、SVPWM模块、转速采样模块、AD采样模块、上位机控制模块；搭建软件模型的方法为，在Matlab中搭建永磁同步电机模型的矢量控制仿真图，具体为：所述转速采样模块的转速环采用基于新型趋近律的控制器，电流环采用PI控制器，经过坐标变换模块与SVPWM模块产生PWM波控制永磁同步电机的运行。
(3)搭建半实物仿真模型：在Matlab中搭建永磁同步电机模型的矢量控制仿真图，其中所述永磁同步电机模型包括中断触发模块、坐标变换模块，滑模控制模块，电流环PI控制模块、SVPWM模块、转速采样模块、AD采样模块、上位机控制模块；所述Matlab中搭建永磁同步电机模型的矢量控制仿真图的方法为：所述转速采样模块的转速环采用基于新型趋近律的控制器，电流环采用PI控制器，经过坐标变换模块与SVPWM模块产生PWM波控制永磁同步电机的运行。
(4)模型的单元测试与集成测试：根据不同的模块搭建出永磁同步电机的FOC控制模型，分别对每个模块进行单元测试，验证其正确性，再对模型做集成测试，排除基本逻辑错误，获得测试合格模型。
(5)与CCS连接生成可执行的代码：将所述测试合格模型与CCS连接生成可执行的代码。
(6)对生成的代码做SIL、HIL测试验证其可行性与可靠性：对所述可执行的代码进行软件在环SIL测试，验证代码的效果；之后进行硬件在环HIL开发与测试，验证代码在实际控制系统中的效果；并根据测试结果对不同模块生成的代码加以改进，获得仿真模型代码。
(7)搭建实验平台验证代码的可行性：依据在仿真模型中调整参数获得的规律经行参数整定，搭建硬件平台，对所述仿真模型代码进行软硬件联调，验证代码可行性；所述硬件平台包括控制板和功率驱动保护组件；其中所述控制板包括DSP最小系统设计单元、编码器信号处理单元、信号采样处理单元、驱动信号单元；所述功率驱动保护组件包括开关电源模块、电流采样单元、PWM光耦隔离与驱动单元、整流单元与逆变单元、故障保护单元，具体如下：
DSP最小系统设计单元：上位机将信息通过SCI、CAN总线发送至TMS320F2812芯片中，所述信号采样处理单元与所述编码器信号处理单元将采集到的电压、电流、转速信号通过SPI传输至DSP2812芯片内，DSP2812芯片获得这些信息，通过空间矢量控制发送六路PWM波，六路PWM波通过功率放大器件加载到三相逆变电路的开关器件上，实现对永磁同步电机的控制；
编码器信号处理单元：编码器A、B、Z信号经过光耦隔离，然后将光耦输出脉冲经过差分接收器进行处理，最终以此连接到DSP控制板的正交编码单元进行速度计算；
信号采样处理单元：将所述功率驱动保护组件采样反馈得到的电流、电压的信号经过运算放大器进行信号变换处理后送给DSP的AD采样口；
驱动信号单元：驱动信号单元采用DSP产生六路PWM脉冲信号，首先进过反相器整形驱动，再经过功率驱动保护组件内的光耦隔离，最后送入IPM模块的信号输入端，IPM模块内部又经过放大后控制IGBT模块；
开关电源模块：具有9路输出、8路隔离输出，为IPM模块提供驱动单元；
电流采样单元：电流采样共有两路，分别对U、V两相电流，通过IEM公司的电流霍尔传感器(型号HY-5P)经行采样，将电流信号变为电压信号，再经过运算放大器经行信号变换处理后送到DSP的AD采样口；
PWM光耦隔离与驱动单元：驱动电路采用高速光耦4504进行电气隔离，实现对桥式电路的控制；
整流单元与逆变单元：整流电路采用不控整流，为逆变电路提供直流母线电压，逆变单元采用三菱IPM模块PM25RLA120，最大输出功率为3.7KW；
故障保护电源：当IPM模块任意一个桥臂出现故障时，DSP中断引脚接收到FAULT为低电平时，立刻封锁PWM脉冲输出，实现保护功能。
实施例3
如图3所示，一种用于连续波泥浆脉冲器的控制系统的工作流程为：信号采样处理单元采集电机的三相电流信息传输给A/D转换口，并反馈给DSP；光电编码器将采集到的转子信息也反馈给DSP，DSP经过处理输出PWM波控制IGBT的通断来产生三相电压控制永磁同步电机的运转，同时信号采样单元和光电编码器继续采集三相电流和转子信息，如此形成闭环控制。

Claims (5)

1.一种用于连续波泥浆脉冲器的控制系统，其特征在于，所述控制系统采用了一种基于新型趋近律的滑模控制，且所述新型趋近律为：ε＞0，k＞0；其中，ε表示系统的运动点趋近切换面s＝0的速率，ε越小时趋近速度慢，ε越大时则运动点到达切换面时将具有较大的速度，引起的抖动也较大；sgn(s)为符号函数，保证在空间任意一点，系统都是向着切换面s＝0运动；指数项-ks能保证当s较大时，系统状态能以较大的速度趋近于滑动模态；
且函数f(s)满足以下条件：
1)当|s|>0时，f(s)≥1；当系统远离滑模面时，即|s|＞0，此时εf(s)为大于ε的数，系统趋近滑模面的速度取决于k,当k值合理时系统会以很快的速度趋近于滑模面；
2)当|s|→0时，f(s)→1；当|s|逐渐减小时，f(s)逐渐趋近于1，εf(s)为近似于ε的数；当ε取值很小时，系统在接近滑模面时会以很小的速度平滑接近滑模面；
3)f(s)当中参数尽可能少，不超过三个。
2.根据权利要求1所述的一种用于连续波泥浆脉冲器的控制系统，其特征在于，所述新型趋近律满足
Figure FDA0002251909740000012
从而使系统的状态空间变量可由任意未知的初始状态在有限时间内到达滑模面。
3.根据权利要求1所述一种用于连续波泥浆脉冲器的控制系统的开发方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：产品需求分析，软件模型分析，搭建半实物仿真模型，模型的单元测试与集成测试，与CCS连接生成可执行的代码，对生成的代码做SIL、HIL测试验证其可行性与可靠性，搭建实验平台验证代码的可行性，对代码进行改进；
(1)产品需求分析：连续波泥浆脉冲器工作在狭小、高温高压的地下环境，因此控制方法必须选用鲁棒性好的控制方法，而滑模控制由于可以自行设计，所以充分满足鲁棒性好的特点，另外选用的磁场定向控制将永磁同步电机利用坐标变换的手段，将电动机的定子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流并分别加以控制，即磁通电流分量和转矩电流分量二者完全解耦，从而获得类似于直流调速系统的动态性能，使得控制更加方便；
(2)软件模型分析：根据磁场定向控制以及滑模控制方法的理念，搭建软件模型，且所述软件模型包括中断触发模块、坐标变换模块，滑模控制模块，电流环PI控制模块、SVPWM模块、转速采样模块、AD采样模块、上位机控制模块；
(3)搭建半实物仿真模型：根据所述软件模型分析结果，搭建永磁同步电机控制的半实物仿真模型；
(4)模型的单元测试与集成测试：根据不同的模块搭建出永磁同步电机的FOC控制模型，分别对每个模块进行单元测试，验证其正确性，再对模型做集成测试，排除基本逻辑错误，获得测试合格模型；
(5)与CCS连接生成可执行的代码：将所述测试合格模型与CCS连接生成可执行的代码；
(6)对生成的代码做SIL、HIL测试验证其可行性与可靠性：对所述可执行的代码进行软件在环SIL测试，验证代码的效果；之后进行硬件在环HIL开发与测试，验证代码在实际控制系统中的效果；并根据测试结果对不同模块生成的代码加以改进，获得仿真模型代码；
(7)搭建实验平台验证代码的可行性：依据在仿真模型中调整参数获得的规律经行参数整定，搭建硬件平台，对所述仿真模型代码进行软硬件联调，验证代码可行性。
4.根据权利要求3所述的一种用于连续波泥浆脉冲器的控制系统的开发方法，其特征在于，步骤(2)所述搭建软件模型的方法为，在Matlab中搭建永磁同步电机模型的矢量控制仿真图，具体为：所述转速采样模块的转速环采用基于新型趋近律的控制器，电流环采用PI控制器，经过坐标变换模块与SVPWM模块产生PWM波控制永磁同步电机的运行。
5.根据权利要求3所述的一种用于连续波泥浆脉冲器的控制系统的开发方法，其特征在于，步骤(7)所述硬件平台包括控制板和功率驱动保护组件；其中所述控制板包括DSP最小系统设计单元、编码器信号处理单元、信号采样处理单元、驱动信号单元；所述功率驱动保护组件包括开关电源模块、电流采样单元、PWM光耦隔离与驱动单元、整流单元与逆变单元、故障保护单元。
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