孫佃升 ，夏需強 ，呂秀杰

（1.濱州學(xué)院 自動化系，山東 濱州256603；2.中國天然氣管道局設(shè)計公司東北分公司，遼寧 沈陽110031）

目前，桿驅(qū)螺桿泵式抽油機普遍應(yīng)用于油田生產(chǎn)中。由于螺桿泵式抽油機要求驅(qū)動電機提供的驅(qū)動力矩大、轉(zhuǎn)速慢、運行平穩(wěn)。采用異步電機通過減速機構(gòu)來驅(qū)動螺桿泵，往往存在效率低下、噪音、振動等問題，而無刷直流電機具有效率高、轉(zhuǎn)矩大、低速運行平穩(wěn)等優(yōu)點，因此適合用做螺桿泵式抽油的驅(qū)動電機。而且，專門制造的低速無刷直流電機可實現(xiàn)對螺桿泵式抽油機的直接驅(qū)動，既簡化了系統(tǒng)的傳動機構(gòu)，又避免了使用減速器帶來的一系列問題。另外，由于無刷直流電機運行中需要檢測的狀態(tài)量較多，控制較為復(fù)雜，采用單片機進行數(shù)據(jù)處理與控制已經(jīng)明顯力不從心。近年來，國外許多公司紛紛推出高性能的數(shù)字信號處理器（DSP），比如TI公司的TMS320C24以及 Motorola公司的 DSP56F8xx系列，用來控制無刷直流電機的運行非常方便。采用數(shù)字信號處理器的電機控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理能力強，運行速度快，精度高，正處在普遍開發(fā)和應(yīng)用中。

1 硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)采用交流380 V整流獲得的直流電作為供電電源，使用三相橋式逆變電路作為功率主電路，控制單元采用Motorola公司的DSP56F803。

本控制系統(tǒng)的硬件部分主要由蓄電池及逆變電路、開關(guān)管驅(qū)動和保護電路、電源電路、系統(tǒng)控制單元及其外圍電路、電流及電壓信號檢測電路等幾部分組成。圖1所示是硬件系統(tǒng)的示意圖。圖中粗箭頭表示能量傳送方向，細(xì)箭頭表示控制或檢測信號的傳送方向。系統(tǒng)運行后，控制單元根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制指令以及檢測到的有關(guān)信號發(fā)出開關(guān)管驅(qū)動信號控制無刷直流電機的運行。

圖2所示為功率逆變電路以及無刷直流電機的電路連接圖。電樞繞組為三相繞組，Y接。功率逆變電路采用電壓型三相全橋逆變電路。實驗所用的無刷直流電機為額定功率2.2 kW，額定電壓300 V，電樞繞組Y接；開關(guān)管選用富士公司的 IGBT，型號為 1MBH60-100，額定電流60 A，額定電壓1 000 V；IGBT的驅(qū)動保護模塊采用了VLA517-01R。

圖3所示為控制單元各模塊承擔(dān)的功能示意圖。

鍵盤接口負(fù)責(zé)接收控制指令，產(chǎn)生鍵盤中斷或改變電機的運行狀態(tài)。AD轉(zhuǎn)換模塊實時檢測相電流、轉(zhuǎn)速給定、相電壓等信號。電機的位置檢測采用電機內(nèi)置的霍爾位置傳感器，輸出3路位置信號（矩形波）。根據(jù)電機當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置信號決定IGBT的導(dǎo)通次序，輸出IGBT的開關(guān)信號。同時，將檢測到的轉(zhuǎn)速和相電流信號輸入DSP，根據(jù)控制算法決定PWM信號的占空比。PWM信號的占空比決定電機的速度控制，它和IGBT的開關(guān)信號、故障中斷產(chǎn)生的封鎖信號一起作為邏輯綜合電路的輸入。邏輯綜合電路的輸出作為IGBT驅(qū)動電路的輸入信號。

其他功能的硬件電路比如電壓和電流采集等電路的設(shè)計較為常見。

2 電動運行原理

電動運行時，相電流的導(dǎo)通方式采用120°導(dǎo)通方式，即每個功率管導(dǎo)通時間均為120°電角度。調(diào)速采用的PWM調(diào)制方式為半橋調(diào)制，即PWM只對導(dǎo)通周期內(nèi)一對元件中的一個起作用。功率管的開關(guān)狀態(tài)取決于位置傳感器提供的HALL信號。表1所示為測試得出的電機正向和反向電動運行時，霍爾位置傳感器的HALL狀態(tài)與開通功率管的對應(yīng)關(guān)系。

圖4(a)所示為半橋調(diào)制時相電流與反電勢的對應(yīng)關(guān)系。 以 T1和 T6導(dǎo)通的 60°時間為例，這時 eA、eB、eC的波形如圖 4(b)所示的 t1～t3。圖 5所示為半橋調(diào)制下開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時的繞組電流情況。

表1 正轉(zhuǎn)時HALL狀態(tài)與開通功率管的對應(yīng)關(guān)系

3 軟件設(shè)計

本設(shè)計的控制單元采用Motorola公司的DSP56F803芯片，采用C語言和匯編語言混合編程，實行模塊化設(shè)計。圖6所示為系統(tǒng)軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖，從圖中可以看到程序的五大模塊以及各模塊間子程序的相互調(diào)用關(guān)系。

為保證電機平穩(wěn)運行，必須保證換相平穩(wěn)，即電機在換相時不發(fā)生抖動，盡量減小轉(zhuǎn)矩脈動。由于電機換相信號頻率較高、信號傳輸線需由電機引向控制器，往往較長，電機現(xiàn)場運行環(huán)境中的電磁因素極易對換相信號造成干擾，使換相信號畸變、紊亂。這就需要對換相信號線進行相應(yīng)防干擾和濾波處理，比如通過使電機換相信號的輸出與控制器之間的信號線盡量短，信號線采用絞合線以及采用外皮屏蔽式信號線等辦法。程序上也可以對換相信號做干擾過濾處理，即根據(jù)電機的轉(zhuǎn)速估算正常換相的位置信號出現(xiàn)的大體時間段，將該時間段外的干擾信號屏蔽，這樣，即使轉(zhuǎn)子在換相點附近干擾信號，仍能正常換相。

系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，兩調(diào)節(jié)器均采用PID調(diào)節(jié)器，控制系統(tǒng)如圖7所示。

4 實驗結(jié)果與結(jié)論

圖8所示是實驗測得的無刷直流電機空載起動轉(zhuǎn)速變化曲線。可見轉(zhuǎn)速響應(yīng)較快，超調(diào)較小，轉(zhuǎn)速波動小，具有良好的動靜態(tài)特性。圖9所示為本文設(shè)計的無刷直流電機控制器控制下的無刷直流電機的相電流和一相位置信號的波形，此波形較理想?？傊瑢嶒灲Y(jié)果表明，系統(tǒng)運行情況較好，具有一定應(yīng)用價值。

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