基于PWM技术的螺杆泵直驱永磁电机驱动控制器的设计与研究

论文摘要

在中国,螺杆泵作为一种体积小、一次性投资少、见效快的采油设备,广泛应用于各大油田。但传统的机械式的采油机却存在着很多问题,例如,传统机械式螺杆泵的力矩无法控制,或者是当井下发生异常或地面出口管线发生阻塞时,螺杆泵的速度却无法减速,保持恒定不变,这样一来就会造成泵杆扭断、变速箱内齿轮断裂,甚至有可能损坏电机的故障。为了有效解决这些问题,我们尝试开发一种新型直驱式螺杆泵,这种直驱式螺杆泵是从传统机械式螺杆泵的基础上改进而来,它去掉了机械传动的部分,采用直流力矩电机直接驱动螺杆泵。直驱式螺杆泵驱动系统不但具有效率高、节能环保等优点,而且还可以有效防止泵杆断裂等机械事故,增加采油工作时间,降低工人劳动强度,有很好的发展前景。新型直驱式螺杆泵驱动系统采用无刷直流力矩电机控制方式。直流控制器可以准确控制永磁电机的力矩,当杆泵的力矩增大,超出设定力矩时,控制器会减速,按最大限制力矩控制模式控制。而且,当地下短时发生沙堵,控制器能够做到允许电机输出超过额定扭矩1.5～2倍,时间约为1～2分钟,出现无油和泵轻载等情况时,控制器也能识别。新型直驱式螺杆泵驱动系统还具有软刹车技术,可以实现可靠停机,防止倒转,可有效避免抽油杆脱扣及机械损坏甚至人身伤害事故。软刹车技术属于抑制型控制方式,在控制箱内设有能耗电阻和独立的刹车控制器。停机操作时(或系统失电),泵杆弹性释放,会拖动永磁电机反转,接通刹车电阻。泵杆反转的加速度越大,电阻吸收的能量就越多,即发电制动力就越大,最终使泵杆回到停止状态。螺杆泵再次启动时,初始启动力矩很小,在修井作业也不会出现反转问题。螺杆泵控制器与变频器相类似,不需要另外安装变频器,操作简单直观,方便现场管理。工人可以通过控制器的人机界面,来设定螺杆泵的运行速度,并且还可能直接监测螺杆泵的运行状态。这与传统式的通过改变皮带轮的大小来调速的方式相比性能更为优越。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 课题研究意义
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第二章 基于PWM 调速系统方案设计
• 2.1 PWM 信号
• 2.2 PWM 信号的产生
• 2.3 调速系统
• 2.3.1 PID 控制器简介
• 2.3.2 数字PID 控制
• 2.3.3 电流环传递函数的推导
• 2.3.4 电流环的PI 控制
• 2.4 本章小结
• 第三章 螺杆泵控制系统硬件设计
• 3.1 DSP 控制板设计
• 3.1.1 DSP 芯片简介
• 3.1.2 显示驱动电路设计
• 3.1.3 控制参数采样电路设计
• 3.1.4 环境监测电路设计
• 3.1.5 主电网电源监测电路设计
• 3.1.6 电机驱动信号电路设计
• 3.2 编码器测速技术设计
• 3.2.1 光电编码器原理
• 3.2.2 光电编码器测速方法
• 3.3 本章小结
• 第四章 控制系统程序设计
• 4.1 控制系统程序设计
• 4.2 集成开发环境
• 4.3 系统主要环节的实现
• 4.4 本章小结
• 第五章 实验及结论
• 致谢
• 参考文献