無(wú)刷直流電機直驅抽油機系統控制器設計

摘要：為改善傳統抽油機系統高速驅動(dòng)、多級傳動(dòng)帶來(lái)的效率低、因數低、維護費用高、噪聲大等缺點(diǎn)，設計了基于MC33035和MC33039的無(wú)刷直流電動(dòng)機直驅抽油機系統控制器，采用低速運行的外轉子永磁電機直接驅動(dòng)抽油機來(lái)實(shí)現抽油桿的往復運動(dòng)。
關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機；直驅抽油機；外轉子；MC33035；MC33039

目前國內外抽油機以油梁式抽油機為主，其缺點(diǎn)是：傳動(dòng)鏈長(cháng)，可控性差，系統效率低、功率因數低、維護費用高、噪聲大等，為了克服上述缺陷本設計采用大輪盤(pán)外轉子無(wú)刷直流電機直接驅動(dòng)抽油機，去掉了油梁、驢頭、減速箱等機械裝置，簡(jiǎn)化整個(gè)系統的結構，縮短了傳動(dòng)鏈，大大提高了抽油機的地面效率、機械傳動(dòng)裝置的可靠性及運行效率，同時(shí)降低了采油成本，節約了資源。

1 抽油機控制系統方案設計
本設計采用高性能第二代單片無(wú)刷直流電機控制器MC33035及專(zhuān)門(mén)設計用于無(wú)刷直流電機控制系統的高性能閉環(huán)速度控制適配器MC33039作為無(wú)刷電機直驅抽油機系統控制器的核心，采用PWM調制方式控制電機的轉矩和轉速，由無(wú)刷電機內置的霍爾位置傳感器檢測電機轉子的位置并輸出霍爾信號，經(jīng)MC33035的轉子位置譯碼器并結合正反轉信號、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，抽油機的負載是波動(dòng)的，為了根據負載變化情況來(lái)調節控制電機的轉速，整個(gè)控制系統采用速度單閉環(huán)控制，系統控制框圖如圖1所示。

2 控制器設計
2．1 控制系統主回路設計
采用MC33035和MC33039作為控制芯片，IR2233作驅動(dòng)芯片，用IGBT作為三相功率逆變器的開(kāi)關(guān)器件．IGBT既具有MOSFET的輸入阻抗高、速度快、熱穩定性好和驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，又具有GTR通態(tài)電壓低耐高壓和承受大電流的特點(diǎn)，因此逆變電路的設計采用了6個(gè)N溝道IGBT，由于MC33035頂部驅動(dòng)輸出為集電極開(kāi)路輸出設計，底部驅動(dòng)輸出可直接驅動(dòng)IGBT，而IR2233驅動(dòng)信號輸入是低電平輸入有效，因此需要在C33035底部驅動(dòng)輸出與驅動(dòng)電路之間加反相器，另外控制電路與驅動(dòng)電路之間需要加光電隔離器件。
2．2 速度控制設計
在本系統中MC33035是電機控制器，MC33039是電予測速器，MC33039直接利用三相無(wú)刷直流電機轉子位置傳感器的3個(gè)方波輸出信號，經(jīng)F／V變換成正比于電機轉速的電壓信號。MC33039接受位置傳感器3個(gè)信號，經(jīng)滯后的緩沖電路，以抑制輸入噪聲，經(jīng)“或”運算得到相當于電機的6個(gè)脈沖信號，再經(jīng)有外接定時(shí)組件的單穩態(tài)電路，從第5腳輸出信號的占空比與電機轉速有關(guān)，其直流分量與轉速成正比，此信號經(jīng)濾波處理后，即得到與轉速成正比的電壓信號，經(jīng)主控電路實(shí)現電機精確調速控制；同時(shí)位置傳感器信號也輸入到MC33035經(jīng)轉子位置譯碼器電路譯成六路驅動(dòng)輸出信號，控制逆變橋電路正常工作；電機的三相繞組為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(shí)組件C2和R2來(lái)決定，每個(gè)周期由基準電壓VREF(8腳)經(jīng)R2向C2充電，然后C2上電荷通過(guò)內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(wú)刷電機轉速的電位器，通過(guò)該電位器改變11管腳對地的電壓，從而來(lái)改變電機的轉速，運算放大器1外部接成一個(gè)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(guò)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(gè)下側驅動(dòng)輸出，改變輸出脈沖寬度，相當于改變供給電機繞組的平均電壓，從而控制其轉速和轉矩。其原理如下圖2所示。