直驱式油田螺杆泵永磁电机控制系统设计

摘要

我国传统螺杆泵采油系统的地面驱动部分采用异步电机加齿轮箱,长期以来存在大马拉小车的现象,系统效率和经济效益低下,耗能严重。永磁无刷直流电机以其高效和控制性能优越的优点,广泛应用于社会各个方面。本文设计了应用于油田螺杆泵的永磁无刷直流电机驱动系统。首先从无刷直流电机的结构和原理开始介绍,在建立无刷直流电机的数学模型基础上,对整个控制系统的硬件和软件结构进行了说明,给出了方波和正弦波控制策略以及弱磁控制策略。基于本控制系统的设计方案完成的13kw无刷直流电机控制系统已经在油田上投入运行,通过大量负载试验和井上运行实验验证了该系统达到了较高的系统效率和经济效益,取得了节能效果。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究目的意义

1.2 油田用螺杆泵系统介绍

1.2.1 螺杆泵采油系统发展概况

1.2.2 现有常用螺杆泵采油系统介绍及优缺点分析

1.3 永磁同步电机（无刷直流电机）的发展现状及分析

1.3.1 永磁电机的发展现状

1.3.2 永磁电机优点分析

1.3.3 永磁无刷电机控制芯片的应用

1.4 无刷直流电机控制策略分析

1.4.1 无刷直流电机模型

1.4.2 无刷直流电机2-2 导通方波控制简介

1.4.3 正弦波无刷直流电机控制简介

1.5 本课题研究的内容

第二章 无刷直流电机的数学模型

2.1 模型假定

2.2 机械特性方程

2.3 传递函数

2.4 本章小结

第三章 方波无刷直流电机的控制与软件实现

3.1 霍尔器件工作原理

3.1.1 霍尔效应

3.1.2 霍尔元件电路

3.2 无刷直流电动机控制原理

3.2.1 无刷直流电动机总装模型

3.2.2 控制原理

3.3 数字PID 调节

3.3.1 模拟PID 调节器

3.3.2 PID 控制器离散化

3.3.3 PI 仿真算例

3.4 单闭环方波无刷直流电机的控制方法

3.4.1 速度闭环方波无刷直流电机控制

3.4.2 速度闭环方波无刷直流电机控制优化

3.4.3 软件实现

3.5 双闭环方波无刷直流电机的控制方法

3.5.1 双闭环方波无刷直流电机控制

3.5.2 软件实现及结果

3.6 方波无刷直流电机的弱磁控制方法

3.6.1 方波无刷直流电机的弱磁控制原理

3.6.2 软件实现

3.7 本章小结

第四章 正弦波永磁同步电机控制及软件实现

4.1 基于霍尔检测转子位置的永磁同步电机控制的实现

4.1.1 位置和转速检测的方法

4.1.2 位置检测误差算例

4.1.3 永磁电机自同步算法软件实现

4.2 优化的SPWM 控制技术

4.3 弱磁控制的实现

4.3.1 基于永磁同步电机的弱磁控制原理

4.3.2 永磁电机弱磁控制的设计及软件实现

4.4 本章小结

第五章 控制系统设计

5.1 系统硬件实物图

5.2 系统硬件总体介绍

5.3 系统方案简介

5.3.1 基于ST7FMC 方案的介绍

5.3.2 基于TMS320LF2406 方案的介绍

5.4 系统软件设计

5.4.1 功能模块划分

5.4.2 主程序结构和流程图

5.4.3 电机控制子程序结构及流程图

5.5 本章小结

第六章 实验结果分析和结论

6.1 螺杆泵用无刷直流电机参数

6.2 实验数据及波形

第七章 全文总结

7.1 主要结论

7.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文