無(wú)刷直流電機(jī)直驅(qū)抽油機(jī)系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

摘要：為改善傳統(tǒng)抽油機(jī)系統(tǒng)高速驅(qū)動(dòng)、多級(jí)傳動(dòng)帶來(lái)的效率低、因數(shù)低、維護(hù)費(fèi)用高、噪聲大等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于MC33035和MC33039的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)直驅(qū)抽油機(jī)系統(tǒng)控制器，采用低速運(yùn)行的外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)抽油桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機(jī)；直驅(qū)抽油機(jī)；外轉(zhuǎn)子；MC33035；MC33039

目前國(guó)內(nèi)外抽油機(jī)以油梁式抽油機(jī)為主，其缺點(diǎn)是：傳動(dòng)鏈長(zhǎng)，可控性差，系統(tǒng)效率低、功率因數(shù)低、維護(hù)費(fèi)用高、噪聲大等，為了克服上述缺陷本設(shè)計(jì)采用大輪盤(pán)外轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)，去掉了油梁、驢頭、減速箱等機(jī)械裝置，簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，縮短了傳動(dòng)鏈，大大提高了抽油機(jī)的地面效率、機(jī)械傳動(dòng)裝置的可靠性及運(yùn)行效率，同時(shí)降低了采油成本，節(jié)約了資源。

1 抽油機(jī)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用高性能第二代單片無(wú)刷直流電機(jī)控制器MC33035及專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的高性能閉環(huán)速度控制適配器MC33039作為無(wú)刷電機(jī)直驅(qū)抽油機(jī)系統(tǒng)控制器的核心，采用PWM調(diào)制方式控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，由無(wú)刷電機(jī)內(nèi)置的霍爾位置傳感器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置并輸出霍爾信號(hào)，經(jīng)MC33035的轉(zhuǎn)子位置譯碼器并結(jié)合正反轉(zhuǎn)信號(hào)、啟停控制信號(hào)決定換向電極，逆變電路采用以IGBT作為功率變換器件的三相全橋逆變器，抽油機(jī)的負(fù)載是波動(dòng)的，為了根據(jù)負(fù)載變化情況來(lái)調(diào)節(jié)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，整個(gè)控制系統(tǒng)采用速度單閉環(huán)控制，系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。

2 控制器設(shè)計(jì)
2．1 控制系統(tǒng)主回路設(shè)計(jì)
采用MC33035和MC33039作為控制芯片，IR2233作驅(qū)動(dòng)芯片，用IGBT作為三相功率逆變器的開(kāi)關(guān)器件．IGBT既具有MOSFET的輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，又具有GTR通態(tài)電壓低耐高壓和承受大電流的特點(diǎn)，因此逆變電路的設(shè)計(jì)采用了6個(gè)N溝道IGBT，由于MC33035頂部驅(qū)動(dòng)輸出為集電極開(kāi)路輸出設(shè)計(jì)，底部驅(qū)動(dòng)輸出可直接驅(qū)動(dòng)IGBT，而IR2233驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入是低電平輸入有效，因此需要在C33035底部驅(qū)動(dòng)輸出與驅(qū)動(dòng)電路之間加反相器，另外控制電路與驅(qū)動(dòng)電路之間需要加光電隔離器件。
2．2 速度控制設(shè)計(jì)
在本系統(tǒng)中MC33035是電機(jī)控制器，MC33039是電予測(cè)速器，MC33039直接利用三相無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器的3個(gè)方波輸出信號(hào)，經(jīng)F／V變換成正比于電機(jī)轉(zhuǎn)速的電壓信號(hào)。MC33039接受位置傳感器3個(gè)信號(hào)，經(jīng)滯后的緩沖電路，以抑制輸入噪聲，經(jīng)“或”運(yùn)算得到相當(dāng)于電機(jī)的6個(gè)脈沖信號(hào)，再經(jīng)有外接定時(shí)組件的單穩(wěn)態(tài)電路，從第5腳輸出信號(hào)的占空比與電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，其直流分量與轉(zhuǎn)速成正比，此信號(hào)經(jīng)濾波處理后，即得到與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號(hào)，經(jīng)主控電路實(shí)現(xiàn)電機(jī)精確調(diào)速控制；同時(shí)位置傳感器信號(hào)也輸入到MC33035經(jīng)轉(zhuǎn)子位置譯碼器電路譯成六路驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)，控制逆變橋電路正常工作；電機(jī)的三相繞組為Y連接，逆變橋電路工作在全控橋兩兩通電方式。
鋸齒波振蕩器的振蕩頻率由外接定時(shí)組件C2和R2來(lái)決定，每個(gè)周期由基準(zhǔn)電壓VREF(8腳)經(jīng)R2向C2充電，然后C2上電荷通過(guò)內(nèi)部一晶體管迅速放電而形成鋸齒波振蕩信號(hào)，其波峰和波谷分別是4．1 V和1．5 V，所以10管腳的輸入近似為一三角波，其頻率由決定，R12為控制無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速的電位器，通過(guò)該電位器改變11管腳對(duì)地的電壓，從而來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，運(yùn)算放大器1外部接成一個(gè)跟隨器的形式，所以11管腳的對(duì)地電壓即為比較器2的反相輸入電壓，通過(guò)電位器R12改變11腳的對(duì)地電壓從而改變比較器2的輸出方波的占空比，即比較器2的輸出為我們所需的PWM信號(hào)，控制三個(gè)下側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出，改變輸出脈沖寬度，相當(dāng)于改變供給電機(jī)繞組的平均電壓，從而控制其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。其原理如下圖2所示。