随钻测井摆动电机位置伺服系统研究

摘要

随钻测井是石油工程中的一项重要技术，测井信息的传输速度慢是限制随钻测井技术发展的一个主要问题。随钻测井数据通过泥浆脉冲发生器进行解码发送，在泥浆脉冲发生器中通过使永磁同步电机按给定频率、幅值周期信号摆动的方式实现数据的传递。本文所要研究能够快速、精确地输出给定位置的电机位置伺服系统。
　　针对三闭环控制结构的位置伺服系统串联环节多、位置环动态响应差的问题，设计了位置-电流双闭环控制结构提高伺服系统的动态位置跟随性能。建立了永磁同步电机的数学模型，并基于此设计了两种系统的闭环调节器，并对比分析二者的动态位置跟随性能，包括对阶跃位置跟随性能和对快速变化的正弦位置的跟随性能。分析了双闭环系统采用不同位置调节器时系统的抗负载扰动性能。
　　针对PID控制器对快速变化的正弦信号难以稳态无误差跟随的问题，在原有PID控制器的基础上嵌入重复控制器，并详细分析了嵌入式重复控制系统的性能。基于重复控制的原理结合已建立的双闭环系统数学模型设计了重复控制器，并分析了控制器参数对系统控制性能的影响。分析结果表明，所设计的重复控制系统可以有效的减小伺服系统对正弦信号的跟随误差，并可以有效的抑制系统中的负载扰动。
　　在MATLAB/Simulink中建立永磁同步电机空间电压矢量控制系统模型，对三种控制系统的控制性能进行仿真分析，仿真结果表明基于双闭环结构的重复控制系统跟随给定正弦信号时静态误差小，动态响应快。同时，模拟了摆动电机在实际工作环境中受到负载扰动时的情况，仿真结果表明重复控制器提高了双闭环系统的抗负载扰动能力。
　　设计、制作了随钻测井摆动电机数字控制系统的硬件电路，包括控制电路、辅助电源电路、电流和位置采样电路、功率主电路及其驱动电路。设计了控制系统的软件，对三种控制系统的动态位置跟随性能进行实验研究。实验结果表明，基于双闭环结构的重复控制系统的动态位置跟随性能好，跟随精度高，满足随钻测井系统的要求。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景与意义

1.2 摆动电机位置伺服系统设计特点

1.3 伺服系统控制策略概述

1.4 本文研究的主要内容

第2章 永磁同步电机动态位置伺服系统设计及分析

2.1 引言

2.2 永磁同步电机数学模型

2.3永磁同步电机动态位置伺服系统调节器设计

2.4 双闭环系统与三闭环系统动态位置跟随性能分析

2.5 本章小结

第3章 基于重复控制的摆动电机伺服系统设计

3.1 引言

3.2 重复控制原理

3.3 嵌入式重复控制系统研究

3.4 嵌入式重复控制器设计

3.5 本章小结

第4章 快速摆动永磁同步电机控制系统性能分析

4.1 引言

4.2 控制系统仿真模型

4.3 控制系统仿真结果

4.4 本章小结

第5章 控制系统软硬件设计与实验

5.1 引言

5.2 系统硬件设计

5.3控制系统的软件设计

5.4 实验结果与分析

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

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