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

摘要：為改善傳統(tǒng)抽油機(jī)系統(tǒng)高速驅(qū)動、多級傳動帶來的效率低、因數(shù)低、維護(hù)費用高、噪聲大等缺點，設(shè)計了基于MC33035和MC33039的無刷直流電動機(jī)直驅(qū)抽油機(jī)系統(tǒng)控制器，采用低速運行的外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)直接驅(qū)動抽油機(jī)來實現(xiàn)抽油桿的往復(fù)運動。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)；直驅(qū)抽油機(jī)；外轉(zhuǎn)子；MC33035；MC33039

    目前國內(nèi)外抽油機(jī)以油梁式抽油機(jī)為主，其缺點是：傳動鏈長，可控性差，系統(tǒng)效率低、功率因數(shù)低、維護(hù)費用高、噪聲大等，為了克服上述缺陷本設(shè)計采用大輪盤外轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī)直接驅(qū)動抽油機(jī)，去掉了油梁、驢頭、減速箱等機(jī)械裝置，簡化整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，縮短了傳動鏈，大大提高了抽油機(jī)的地面效率、機(jī)械傳動裝置的可靠性及運行效率，同時降低了采油成本，節(jié)約了資源。

1 抽油機(jī)控制系統(tǒng)方案設(shè)計
    本設(shè)計采用高性能第二代單片無刷直流電機(jī)控制器MC33035及專門設(shè)計用于無刷直流電機(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，由無刷電機(jī)內(nèi)置的霍爾位置傳感器檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置并輸出霍爾信號，經(jīng)MC33035的轉(zhuǎn)子位置譯碼器并結(jié)合正反轉(zhuǎn)信號、啟?？刂菩盘枦Q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)載是波動的，為了根據(jù)負(fù)載變化情況來調(diào)節(jié)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，整個控制系統(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
2．1 控制系統(tǒng)主回路設(shè)計
    采用MC33035和MC33039作為控制芯片，IR2233作驅(qū)動芯片，用IGBT作為三相功率逆變器的開關(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)動電路簡單的特點，又具有GTR通態(tài)電壓低耐高壓和承受大電流的特點，因此逆變電路的設(shè)計采用了6個N溝道IGBT，由于MC33035頂部驅(qū)動輸出為集電極開路輸出設(shè)計，底部驅(qū)動輸出可直接驅(qū)動IGBT，而IR2233驅(qū)動信號輸入是低電平輸入有效，因此需要在C33035底部驅(qū)動輸出與驅(qū)動電路之間加反相器，另外控制電路與驅(qū)動電路之間需要加光電隔離器件。
2．2 速度控制設(shè)計
    在本系統(tǒng)中MC33035是電機(jī)控制器，MC33039是電予測速器，MC33039直接利用三相無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器的3個方波輸出信號，經(jīng)F／V變換成正比于電機(jī)轉(zhuǎn)速的電壓信號。MC33039接受位置傳感器3個信號，經(jīng)滯后的緩沖電路，以抑制輸入噪聲，經(jīng)“或”運算得到相當(dāng)于電機(jī)的6個脈沖信號，再經(jīng)有外接定時組件的單穩(wěn)態(tài)電路，從第5腳輸出信號的占空比與電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，其直流分量與轉(zhuǎn)速成正比，此信號經(jīng)濾波處理后，即得到與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號，經(jīng)主控電路實現(xiàn)電機(jī)精確調(diào)速控制；同時位置傳感器信號也輸入到MC33035經(jīng)轉(zhuǎn)子位置譯碼器電路譯成六路驅(qū)動輸出信號，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組件C2和R2來決定，每個周期由基準(zhǔn)電壓VREF(8腳)經(jīng)R2向C2充電，然后C2上電荷通過內(nèi)部一晶體管迅速放電而形成鋸齒波振蕩信號，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為控制無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速的電位器，通過該電位器改變11管腳對地的電壓，從而來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，運算放大器1外部接成一個跟隨器的形式，所以11管腳的對地電壓即為比較器2的反相輸入電壓，通過電位器R12改變11腳的對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，控制三個下側(cè)驅(qū)動輸出，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。

2．3 正反轉(zhuǎn)控制設(shè)計
    本設(shè)計用兩個霍爾位置傳感器H1，H2和兩塊磁鐵CT來實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，兩個霍爾位置傳感器H1，H2分別安裝在抽油機(jī)架的上下止點，磁鐵CT安裝在平衡重塊的上下兩面各一塊，位置信號處理電路如下圖3所示。

    當(dāng)CT隨電機(jī)的轉(zhuǎn)動靠近H1時，H1輸出低電平，H2輸出高電平，觸發(fā)器輸出低電平，H1，H2的輸出信號經(jīng)與門后為低電平，南于5 V電壓源的升壓作用，使定時器輸入端由低電平瞬間變?yōu)楦唠娖?，所以其輸出暫穩(wěn)態(tài)(高電平)結(jié)束后自動進(jìn)入穩(wěn)態(tài)(低電平)，當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)至CT接近H2時，H2輸出低電平，H1輸出高電平，觸發(fā)器輸出高電平，H1，H2的輸出信號經(jīng)與門后仍為低電平，所以電機(jī)仍是由高電平變?yōu)榈碗娖?，轉(zhuǎn)向信號和制動信號波形如下圖4所示，波形1是制動信號，高電平制動且優(yōu)先級最高，波形2是轉(zhuǎn)向信號，高電平時電機(jī)正轉(zhuǎn)，低電平時反轉(zhuǎn)，假設(shè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)過程中波形2為高電平，波形1為低電平，到指定位置后波形2變?yōu)榈碗娖?，波?為高電平，由于波形1優(yōu)先級高，它為高電平時間內(nèi)波形2無效，此段時間是電機(jī)的正向制動過程，制動一定時間后波形1自動變?yōu)榈碗娖?，波?的低電平起作用，電機(jī)開始反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)過程中波形1、2都為低電平，反轉(zhuǎn)到指定位置后波形2變?yōu)楦唠娖?，波?也變?yōu)楦唠娖?，電機(jī)進(jìn)入反向制動過程，制動一定時間后波形1自
動變?yōu)榈碗娖?，波?的高電平起作用，電機(jī)開始正轉(zhuǎn)，如此反復(fù)，其狀態(tài)變化過程為：正轉(zhuǎn)→正向制動→反轉(zhuǎn)啟動→反轉(zhuǎn)→反轉(zhuǎn)制動→正轉(zhuǎn)啟動→正轉(zhuǎn)。

2．4 檢測與保護(hù)回路設(shè)計
2．4．1 電流檢測與過流保護(hù)回路設(shè)計
    分流電阻接在逆變器功率驅(qū)動橋的下端與地線之間，因為MC33035的第9腳內(nèi)部連接一個比較器的正相輸入端，該比較器的反相輸入端為芯片內(nèi)部提供的100 mV標(biāo)準(zhǔn)電壓，由分壓關(guān)系其中：Imax為電機(jī)最大允許電流，R21為分流電阻，100 mV是過流檢測比較器的反相輸入端輸入電壓，MC33035的第9腳的輸入電壓為過流檢測比較器的正相輸入端，通過計算R8取100 Ω，R9取28 Ω，R21取0．2 Ω可滿足上述比例關(guān)系，起到較好的過流保護(hù)作用。
2．4．2 欠壓保護(hù)
    MC33035的17管腳的當(dāng)輸入電壓低于9．1 V時，該比較器的反相輸入為內(nèi)部-9．1 V標(biāo)準(zhǔn)電壓，此時MC33035通過與門將驅(qū)動下橋臂的三路輸出全部封鎖，下橋臂的三個功率三極管全部關(guān)斷，電機(jī)停止運行，起欠壓保護(hù)作用。系統(tǒng)原理圖如下圖5所示。

3 結(jié)束語
    采用專用集成控制芯片MC33035設(shè)計了直驅(qū)抽油機(jī)電機(jī)控制器，同時采用MC33039引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制以實現(xiàn)更好的調(diào)速功能，并對電機(jī)在一定范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)的特殊要求進(jìn)行了專門設(shè)計，實現(xiàn)了對沖程、頻次的控制，顯著提高了抽油機(jī)的效率。