超声波测井换能器无刷直流电机驱动系统的研究

论文摘要

为了满足超声波测井实际要求,本文对直流电源电压纹波及电机换相引起的无刷直流电机转矩脉动抑制方法进行了研究,提出了一种基于重叠换相加改进滞环电流控制的抑制方法。在此基础上,研制了超声波测井换能器无刷直流电机驱动系统并实现了一种以位置为基准的测井触发功能。针对直流电源电压纹波引起的转矩脉动问题,分析了电源电压纹波的变化规律,建立了无刷直流电机系统仿真模型,分析了纹波引起的转矩脉动谐波成分,研究了电机绕组电感对转矩脉动的影响,得出了转矩脉动随转速变化的规律。针对电机换相引起的转矩脉动问题,提出了一种基于重叠换相加改进滞环电流的控制方法抑制换相转矩脉动。针对重叠换相法及滞环电流法的缺陷,结合系统实际应用环境,提出了基于重叠换相加改进滞环电流的控制方法:通过重叠换相法和滞环电流法结合,使换相转矩脉动得到了很好的抑制;通过非换相相电流直接控制及在不同区域改变滞环宽度,限制了功率开关管的开关频率,使系统损耗显著下降。仿真结果表明该方法可以很好的抑制换相转矩脉动,同时对纹波引起的转矩脉动也起到了很好的抑制作用。针对传统以时间为基准的测井触发方式存在误触发的问题,实现了一种以位置为基准的新型超声波测井触发方法。针对井内无法检测地磁场以实现系统寻北的问题,通过在测井装置上加工刻度线,并使之与旋变及电机初始相位对齐,实现了方位的标定。针对超声波测井系统的要求,研制了超声波测井换能器驱动无刷直流电机控制系统。设计了轴角变换、功率驱动、电机母线及三相相电流检测、过流保护等硬件电路,以DSP为控制核心,实现了电机换相及转速、电流双闭环控制,其中速度闭环控制器为PID调节器,而电流闭环控制器则为基于重叠换相加改进滞环电流控制器;实现了电机软启动、过流保护控制,实现了系统与地面上位机的双向SCI通信以及精确的超声波测井触发。最后对所研制的系统进行了实验研究,结果表明所设计的系统转矩脉动较小,满足超声波测井要求,能够产生精确的超声波测井触发信号。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 油田测井电机的发展概况
• 1.3 无刷直流电机转矩脉动的产生机理及研究现状
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 直流电源电压纹波引起的转矩脉动研究
• 2.1 引言
• 2.2 电源电压纹波的变化规律
• 2.3 电源电压纹波对转矩脉动影响的仿真研究
• 2.3.1 无刷直流电机仿真模型的建立
• 2.3.2 电源电压纹波引起的转矩脉动规律
• 2.3.3 纹波引起的转矩脉动抑制
• 2.4 本章小结
• 第3章 电机换相引起的转矩脉动研究
• 3.1 引言
• 3.2 无刷直流电机换相转矩脉动分析
• 3.2.1 测井电机换相转矩脉动
• 3.2.2 换相转矩脉动机理分析
• 3.3 基于重叠换相加改进滞环电流控制法的换相转矩脉动抑制
• 3.3.1 非换相相滞环电流控制
• 3.3.2 基于重叠换相的非换相相滞环电流控制
• 3.3.3 改进的滞环电流控制法
• 3.4 不同控制策略下功率开关管损耗对比计算
• 3.5 转矩脉动抑制控制策略的仿真研究
• 3.6 本章小结
• 第4章 超声波测井换能器无刷直流电机驱动系统设计
• 4.1 引言
• 4.2 系统总体控制方案及性能指标
• 4.3 测井电机控制系统硬件设计
• 4.3.1 电机转子位置、速度信号的检测
• 4.3.2 DSP主控电路
• 4.3.3 功率电路及其驱动
• 4.3.4 电机三相电流检测电路
• 4.3.5 过流保护电路
• 4.4 测井电机控制系统软件实现
• 4.4.1 主程序设计
• 4.4.2 转子位置处理子程序
• 4.4.3 速度计算子程序
• 4.4.4 A/D采样子程序
• 4.4.5 电机换相控制子程序
• 4.4.6 转矩脉动抑制子程序
• 4.4.7 软启动子程序
• 4.5 超声波测井触发信号的产生
• 4.5.1 以位置为基准的精确测井触发
• 4.5.2 方位基准信号的标定
• 4.6 本章小结
• 第5章 测井电机控制系统的实验研究
• 5.1 转矩脉动抑制实验
• 5.2 测井触发对比实验
• 5.3 电机软启动实验
• 5.4 系统稳速性能试验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢