楊飛，雷曉龍

西安石油大學(xué)井下測控研究室（陜西西安710065）

定位總成中無刷電機(jī)位置檢測方法研究

楊飛，雷曉龍

西安石油大學(xué)井下測控研究室（陜西西安710065）

通過模擬井下環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提出一種新的反向電動勢檢測方法，引入干擾系數(shù)，硬件和軟件結(jié)合，采集母線電壓，得出含干擾項(xiàng)的反向電動勢，再利用算法進(jìn)行反向矯正，準(zhǔn)確地得到無刷直流電機(jī)的位置信息，從而更加精準(zhǔn)地控制電機(jī)。

無刷直流電機(jī)；反向電動勢；相電壓

在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井中，導(dǎo)向控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)定位總成的動力來源主要是直流無刷電機(jī)，對于無刷直流電機(jī)的位置檢測，一般是通過采集直流無刷電機(jī)中的傳感器信號，經(jīng)過計(jì)算并控制功率管工作。但是在井下存在高溫、強(qiáng)震動、復(fù)雜的電磁場環(huán)境下，位置傳感器經(jīng)常出現(xiàn)損壞，或者位置傳感器信號被干擾。給電機(jī)驅(qū)動錯誤信號，導(dǎo)致電機(jī)無法正常工作，結(jié)果造成無法正確地控制導(dǎo)向鉆井井眼軌跡，這樣給石油鉆井帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

目前對無刷直流電機(jī)反向電動勢的研究，是對無位置傳感器直流無刷電機(jī)主要方法的研究[1-4]。文獻(xiàn)（5）是根據(jù)端電壓構(gòu)造的電機(jī)中心得到反向電動勢的過零信號，文獻(xiàn)（6）根據(jù)兩端電壓的平均值之差得到方向電動勢的過零點(diǎn)，文獻(xiàn)（7）提出了利用線電壓之差實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子位置的識別，以上方法都是通過模擬仿真得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但是在實(shí)際井下工程中，存在高溫、振動和電磁干擾，這些都是不能忽略的，而且這些干擾因素可能導(dǎo)致位置反向電動勢位置檢測出現(xiàn)錯誤，導(dǎo)致電機(jī)無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 無刷電機(jī)的驅(qū)動方式

為了使電機(jī)本體的利用率更高，采用三相全控電路，如圖1所示。在該電路中，Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6為6只MOSFET功率管；D1、D2、D3、D4、D5、D6為續(xù)流二極管；主要是利用MOSFET的開關(guān)作用，依次導(dǎo)通電機(jī)繞組，導(dǎo)通方式有兩兩導(dǎo)通和三三導(dǎo)通兩種方式，主要采用三三導(dǎo)通方式，因?yàn)槿龑?dǎo)通方式可以獲得更大的合成轉(zhuǎn)矩矢量。

圖1 三相無刷直流電機(jī)驅(qū)動電路模型

由圖1可得其三相電壓平衡方程式：

式中：Ia、Ib、Ic為A、B、C三相繞組的相電流，A；L為各相中的電感，H；t為通電時間，s。

2 反向電動勢位置估計(jì)原理

2.1 反向電動勢位置估計(jì)原理

在兩兩通電的方式中，每個狀態(tài)只有兩相通電，始終有一相是不通電的，假設(shè)A相不通電，則B、C兩相導(dǎo)通，這時Ia=0，Ib=-Ic，由圖2可知，由于中心點(diǎn)的電壓無法直接測量，因此通過計(jì)算得到中心點(diǎn)的電壓，例如，在A相反電動勢過零點(diǎn)時，將式（2）、（3）相加，可得中心點(diǎn)的電壓為

功率管在驅(qū)動直流無刷電機(jī)的過程中，功率管每60°電角度換相1次，每個電周期內(nèi)換相6次，每相繞組正反相各通電120°。因此，當(dāng)測得反電動勢波形過零點(diǎn)后，在延遲30°電度角度才是換相點(diǎn)。

圖2 反向電動勢及繞組通電波形

其中A相繞組在1個電周期內(nèi)的反向電動勢計(jì)算公式：

式中：Ke為反電動勢常數(shù)；根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律（右手定則），反電動勢常數(shù)Ke為：

其中ZD為導(dǎo)體總數(shù)，Ω。

2.2 井下參數(shù)計(jì)算

由于井下存在高溫、振動和電磁干擾，根據(jù)各個干擾所產(chǎn)生的效應(yīng)。通過設(shè)計(jì)一二階低通濾波器，對高頻電磁干擾進(jìn)行抑制，圖3是一個二階低通濾波器，其中包含兩個RC支路。

圖3 二階低通濾波器

其中圖3所示的二階低通濾波器的傳遞函數(shù)為：

引入溫度系數(shù)Kt，根據(jù)線圈阻抗與溫度換算公式：

其中，式中T1為繞組溫度，℃；T為電阻溫度常數(shù)，℃；T2為換算溫度（75℃或15℃），℃；Rt1為測量電阻值，Ω；Rt2為換算電阻值，Ω。

當(dāng)溫度變化范圍不大時,純金屬的電阻率隨溫度呈線性增大，即

式中ρ和ρ0分別是T1和0℃的電阻率，Ω·m；T1為溫度差，℃。

式中R和Rt0分別是金屬導(dǎo)體在T1和0℃的電阻，Ω。電阻溫度系數(shù)當(dāng)溫度每升高1℃時，導(dǎo)體電阻的增加值與原來電阻的比值，叫做電阻溫度系數(shù)。其計(jì)算公式為：

將式（1）、（2）、（3）式通過變形，代入Kt得新的電壓平衡方程：

由式（22）、（23）、（24）計(jì)算結(jié)果，通過算法反向補(bǔ)償計(jì)算，達(dá)到對溫度影響因素消除的目的。電路原理框圖如圖4所示：

圖4 溫度補(bǔ)償電路

根據(jù)圖4中的設(shè)計(jì)電路，通過程序?qū)囟葦?shù)據(jù)進(jìn)行采集，計(jì)算井下實(shí)時溫度，將井下溫度參數(shù)帶入式（18）到（24）得到實(shí)際相電壓Uta、Utb、Utc，通過對電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，準(zhǔn)確地計(jì)算反向電動勢過零點(diǎn)位置。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

本次實(shí)驗(yàn)采集了電機(jī)相電壓信號，并測量了電機(jī)線圈負(fù)載，實(shí)驗(yàn)用無刷直流電機(jī)參數(shù)如表1所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

表1 無刷直流電機(jī)參數(shù)

圖5中ch1、ch2、ch3分別表示Ua、Ub、Uc3個相電壓，ch4表示A相中的電流，通過理論計(jì)算得出反向電動勢的理論值。再通過與實(shí)際測試矯正后的反向電動勢波形（圖6）數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

對電路進(jìn)行增加濾波器，同時根據(jù)理論計(jì)算設(shè)計(jì)濾波器，測試反向電動勢的信號如圖6所示。

圖6是給定轉(zhuǎn)速為1 300 r/min時，測得的反電動勢波形，線反電動勢波形的平頂寬度為60°左右的梯形波，這與理論分析一致。但是在圖6中出現(xiàn)換相點(diǎn)的畸變，因此出現(xiàn)較多諧波。

圖5 電機(jī)相電壓測試結(jié)果

圖6 線反電動勢波形

4 結(jié)論

通過對井下環(huán)境的考慮，改進(jìn)了反向電動勢的檢測方法，采集相電壓的同時也采集了環(huán)境溫度，對井下溫度影響進(jìn)行方向較正。設(shè)計(jì)了井下濾波器對相電壓的電磁干擾進(jìn)行濾除。消除了傳統(tǒng)方法對井下環(huán)境的參數(shù)忽略而導(dǎo)致反向電動勢無法準(zhǔn)確采集和對逆變器控制不精準(zhǔn)的問題。該研究對于無刷直流電機(jī)在石油鉆井中的應(yīng)用具有實(shí)際意義。

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A new reverse electromotive force(EMF)detection method is proposed by simulating downhole environment：an interference coefficient is introduced,the bus voltage is collected by combining hardware with software,and the reverse electromotive force with disturbance is obtained.The reverse correction is finished using algorithm to obtain the accurate position information of the brushless DC motor and then to more accurately control the motor.

brushless DC motor;reverse electromotive force;phase voltage

左學(xué)敏

2017-02-18

楊飛（1988-），男，碩士研究生，主要從事石油儀器設(shè)計(jì)技術(shù)研究工作。