基于DSP的水平井牵引器驱动电机控制系统新型控制算法仿真.pdf
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1、基于 DSP 的水平井牵引器驱动电机控制系统新型控制算法仿真Simulation of a New Control Algorithm for Horizontal WellTraction Drive Motor Control System Based on DSP周文洁朱清祥通信作者陈永军阮波渊长江大学电子信息学院袁 湖北荆州434023冤摘要水平井牵引器使用无位置传感器控制的无刷直流电机 渊BLDCM冤 作为驱动电机袁 能够适应恶劣工作环境袁 在水平井牵引器领域有着广泛的应用遥 在实际页岩气开采工况中袁 电机达到一定转速后袁 继续升高电压会产生失步现象袁 针对这种情况本文提出了一种新型
2、控制算法袁 使用了新的换相时刻计算及相位补偿算法袁 搭建了基于 TMS320F28335 型 DSP 的仿真系统实验平台遥关键词DSP曰 BLDC曰 水平井牵引器曰 无位置传感器中图分类号TM33文献标识码A基于 DSP 的水平井牵引器驱动电机控制系统新型控制算法仿真周文洁袁 等0引言随着水平井技术不断革新袁 油气藏开发时广泛应用水平井技术1遥 但开发水平井的难点在于测井以及修井时如何将各种井下仪器顺利送到井下目标位置袁 牵引器技术顺利解决了这个难题2遥 为了更好地开发资源袁 提高采收率和开发效率袁 降低成本袁时下常用的水平井技术有阶梯水平井尧 分支水平井尧 鱼骨状水平井等袁 这些水平井技术大
3、都有自己独有的优缺点袁 要想使用水平井技术实现高效开发往往需要根据所处环境做出选择遥 随着我国加大对油气的开发袁 水平井作业需求增多袁 各种非常规油气勘探及井筒开发环境对牵引器提出了更高的技术要求袁 如牵引力尧 井下适应性等3遥水平井牵引器需要电机驱动袁 相较于传统的有刷电机袁 无刷直流电机避免了机械换向器的缺点袁 提高了系统的稳定性和安全性袁 且结构简单尧效率高尧 适应环境强4遥 在恶劣的高温尧 潮湿工作环境袁 无 Hall 的无刷直流电机能稳定输出5遥 由于检测到的反电动势会产生相移袁 使无位置传感器控制的电机在一定转速后袁 无法继续提升转速袁需要设计一个新的控制算法进行相位补偿袁 实现野
4、最佳换相冶袁 从而能够继续提高电机转速遥1无刷直流电机工作原理无刷直流电机定子绕组有吟绕组和 Y 绕组两种接法袁 本系统选择 Y 绕组且中心节点不引出袁驱动电路如图 1 所示遥基金项目院2022 年度 野湖北省高等学校省级教学研究项目冶渊No院2022257冤曰 长江大学湖北省级自动化一流专业建设项目渊No院2021-03冤-1-叶仪器仪表与分析监测曳 2023 年第 3期图 1电机驱动电路图无刷直流电机在稳定运行时产生梯形的反电动势波形尧 矩形的电流波形遥 反电动势控制技术是通过检测反电动势过零点从而控制电机换相的技术袁 但只有在相电流的相位与该相反电动势的相位一致时袁 才能获得电机的最大输
5、出转矩袁 因此在每个电周期需要换相 6 次袁 每个电周期360毅袁 也就是每 60毅电角度换相一次遥 每相一个电周期内转换两次袁 每次转换期的电角度是 60毅袁所以反电动势过零点要领先换相信号 30毅遥 但是反电动势过零点无法直接通过 ADC 采集模块得到袁 需要通过相电压计算得出遥 依据三相基尔霍夫定律得到无刷直流电机数学模型为6院渊1冤式中院 Ux为三相绕组端电压袁 rx尧 ix分别为相电阻和相电流袁 Lx为相绕组自感袁 Ex尧 Vn为反电动势电压和中性点电势遥在理想情况下袁 每相电感和电阻相等袁 并且忽略电枢反应尧 剩磁尧 磁滞和涡流损耗的影响袁电机三相绕组对称7遥 当 c 相悬空时袁
6、有 ic为 0袁可得到 c 相相电压和反电动势的关系式院渊2冤因此袁 当反电动势过零点时袁 c 相相电压与中性点电压相等遥 由于设计的系统未引出中性点袁需要通过中性点电压与三相相电压的关系计算出中性点电压遥 联立公式 渊1冤 的 3 个相电压方程袁得到公式院渊3冤由于 c 相悬空袁 所以 a尧 b 相的电流数值等大反向袁 相电流产生的反电动势电压值也等大反向遥故 渊3冤 式可化简得院渊4冤将计算出的中性点电压与各相相电压比较袁得出各相反电动势过零点信号袁 从而得到换相信号袁 最后控制电机换相遥2换相时刻计算及相位补偿算法因无位置传感器确定转子位置袁 无刷直流电机需要特殊的启动算法才能启动遥 本
7、文使用三段式启动算法袁 经过转子预定位尧 外同步加速和自同步运行三个阶段后袁 电机平稳运行8遥采集相电压信号电路如图 2 所示遥由图 2 可知袁 引入非线性元件袁 反电动势发生相移变化袁 相电流与该相反电动势的相位不一致袁 电机无法完成最佳换相袁 因此需要做动态相位补偿袁 实现最佳换相逻辑遥具体的换相计算如下院渊5冤其中袁遥故幅频特性为院渊6冤相频特性为院渊7冤图 2相电压检测电路-2-即产生的相移为院渊8冤式中院 Uin和 Uout分别表示 A 端的相电压和滤波后输出的电压袁 f 为反电动势频率遥电机转速将会影响反电动势频率袁 因此随着电机转速的改变袁 反电动势过零点的相位移角度驻渍 也将不
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