测井油泵无刷直流电动机稳速驱动系统

论文摘要

随着油田开采向深油层进行,油层温度升高,对油田测井油泵电机系统的运行性能和可靠性提出了更高的要求。稀土永磁无刷直流电机以其高效节能、调速性能好和驱动控制方式简单可靠的优点在油田测井中开始得到了应用。本文计算了不同温度下稀土永磁无刷直流电机的磁场,分析了无刷直流电机在高温环境下转速的变化趋势,并研制了用于测井油泵的无刷直流电动机稳速驱动系统。本文应用电磁场分析计算软件建立了无刷直流电动机的磁场分析模型,并进行了电磁场计算,得到了不同温度下电机的磁场分布和气隙磁密。根据测井油泵无刷直流电动机工作在高温环境的特点,分别分析了负载转矩、气隙磁密、绕组电阻和功率器件管压降这四个因素对转速变化的影响趋势,进而综合分析了空载和负载转速随温度变化的趋势。本文设计研制了适合油田测井高温环境的无刷直流电动机稳速驱动系统。在驱动电路的设计中,采用霍尔传感器构成位置传感器,利用集成驱动芯片驱动三相逆变桥,并通过GAL芯片实现逻辑换向;在以锁相环芯片和单片机为核心的速度闭环稳速电路设计中,采用压频转换芯片实现了转速信号给定,利用速度传感器与倍频电路完成了转速信号反馈,使用锁相环芯片根据转速给定信号和转速反馈信号比较实现了动态模拟电压输出作为单片机的输入来调节PWM占空比,从而对电机进行稳速,结构简单可靠。最后针对硬件电路中的单片机进行了系统软件设计,软件部分由主程序、PWM信号生成子程序、A/D转换子程序、D/A转换子程序和数字滤波子程序组成,简化了系统硬件电路。硬件电路与软件程序结合实现了无刷直流电动机的软起动、正/反转、过流保护、闭环稳速等功能。对所设计的无刷直流电动机稳速驱动系统进行了负载实验、功率MOSFET关断实验、电机软起动实验、电机系统高温实验和电机稳速实验。各项实验研究验证了该稳速驱动系统的功能,实验结果表明该驱动系统运行稳定可靠,转速精度达到测井工作要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.1.1 测井油泵电机发展现状及趋势
• 1.1.2 测井油泵电机分类
• 1.2 稀土永磁无刷直流电动机系统概述
• 1.2.1 无刷直流电动机系统的结构
• 1.2.2 无刷直流电动机的稳速驱动方式
• 1.2.3 稀土永磁材料在电机中的应用
• 1.3 永磁电机的磁场计算方法
• 1.4 本文研究内容
• 第2章 稀土永磁无刷直流电机转速影响因素分析
• 2.1 不同温度下电机电磁场计算
• 2.1.1 求解区域的确定
• 2.1.2 永磁体的等效模型
• 2.1.3 磁场定解问题
• 2.1.4 磁场求解
• 2.2 影响转速因素的分析
• 2.2.1 负载因素
• 2.2.2 气隙磁密
• 2.2.3 绕组电阻
• 2.2.4 功率开关器件管压降
• 2.3 综合分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 无刷直流电动机稳速驱动系统硬件设计
• 3.1 稳速驱动系统总体方案
• 3.2 驱动电路
• 3.2.1 开关主电路与栅极驱动电路
• 3.2.2 转子位置检测电路和换向逻辑信号生成电路
• 3.2.3 软起动电路
• 3.3 速度闭环电路
• 3.3.1 给定信号生成电路
• 3.3.2 速度反馈信号生成电路
• 3.3.3 频相比较电路
• 3.4 单片机控制部分
• 3.5 硬件可靠性设计
• 3.6 本章小结
• 第4章 无刷直流电机稳速驱动系统软件设计
• 4.1 软件的各部分组成
• 4.2 程序设计
• 4.2.1 主程序设计
• 4.2.2 PWM 信号生成子程序
• 4.2.3 A/D 转换子程序
• 4.2.4 D/A 转换子程序
• 4.2.5 软件滤波子程序
• 4.2.6 软件可靠性设计
• 4.3 软件程序加载
• 4.4 本章小结
• 第5章 实验研究
• 5.1 电机负载实验
• 5.2 功率MOSFET 关断实验
• 5.3 电机软起动实验
• 5.4 电机系统高温实验
• 5.5 电机稳速运行实验
• 5.5.1 高温空载稳速实验
• 5.5.2 负载稳速实验
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢