钻井电机无位置传感器控制研究

发布时间：2017-03-26 05:16

  本文关键词：钻井电机无位置传感器控制研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：钻井作为石油开采的主要环节,其效率亟需提升。传统的螺杆钻具及地面驱动的电动钻具存在能耗大、效率低、机械传动机构易损坏等缺点。井下多极直接驱动永磁无刷直流电机(BLDCM)因其效率,转矩密度高、起动转矩大、控制方法灵活,采用低速大力矩的永磁电机,且电机变频箱随同电机井下作业,避免了高温下最易损坏的齿轮减速装置,减少了线路根数,已成为国内外石油行业及专家学者的研究热点。但是传统的BLDCM上安装的转子磁极位置检测传感器使得结构复杂、体积增大、可靠性降低,特别力矩电机对位置传感器精度要求高,使得使用受限,成本增加。所以研究应用于井下直驱无刷直流钻井电机(后称钻井电机)的无位置传感器控制方法具有重要的意义。本文针对钻井电机工作于低转速,高温高压,受负载情况复杂等特点,进行了如下的研究与分析工作:首先介绍了课题背景、研究现状及各无位置传感器控制方法及其特点,建立了钻井电机的数学模型,针对钻井电机运行转速低,选取适用于低转速范围的磁链函数法。通过分析电机导通时的一阶微分方程,获得电机转子相关信息,之后进行数学运算处理得出与电机转速无关的函数表达式,该表达式只与电机线电压,电阻,电感相关。为降低表达式对参数的依赖性、计算量及计算误差,消去电阻和电感项,只使用线电压进行换相时刻的计算,提出了简化的磁链函数法-Z函数法。为保证电机在起动时无反转并可带一定负载,在分析各无位置起动方法后选取转子脉冲注入检测法起动电机。同时为应对电机在受到突加负载仍能恢复至给定转速,加入转速闭环控制。通过在仿真软件simulink下建立的钻井电机系统模型,Z函数法及其控制策略在低转速阶段和突加负载情况下的参数变化及转子位置检测准确性得到了初步验证,电机可成功运行。最后以钻井电机样机为主要被控对象,搭建了基于Z函数法的电机系统试验平台,并在给定转速为60rpm和400rpm情况下对使用Z函数法的可行性及换相点获取准确性等各项指标进行了试验验证。结果表明Z函数法只使用电机运行时导通相的线电压计算换相时刻,可成功运行于钻井电机上,降低了磁链函数法对电机参数的依赖性和DSP芯片运算量。
【关键词】：无位置传感器 无刷直流电机 钻井电机 磁链函数 低转速
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE927
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 课题研究背景及意义9-10
• 1.2 BLDCM发展现状10-13
• 1.2.1 BLDCM分类及构成10-12
• 1.2.2 BLDCM转子信号获取12-13
• 1.3 BLDCM无位置传感器控制方法研究现状13-15
• 1.3.1 反电动势法13
• 1.3.2 电感法13-14
• 1.3.3 扩展卡尔曼滤波法14
• 1.3.4 滑模观测器法14-15
• 1.4 论文主要研究内容15-16
• 第2章 钻井电机及磁链函数法研究16-26
• 2.1 无刷直流电机工作原理16-19
• 2.2 钻井电机数学建模19-21
• 2.3 磁链函数法的推导21-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第3章 钻井电机无位置传感器控制策略设计26-36
• 3.1 简化后的磁链函数法26-29
• 3.2 无位置传感器起动方法分析与选择29-33
• 3.3 闭环控制器33-35
• 3.4 本章小结35-36
• 第4章 钻井电机无位置传感器控制系统软硬件平台36-45
• 4.1 钻井电机控制系统硬件部分36-41
• 4.2 钻井电机控制系统软件部分41-44
• 4.3 本章小结44-45
• 第5章 钻井电机无位置传感器控制系统仿真与实验45-58
• 5.1 钻井电机控制系统仿真45-52
• 5.1.1 钻井电机控制系统仿真平台搭建45-48
• 5.1.2 仿真结果及分析48-52
• 5.2 钻井电机控制系统实验52-56
• 5.2.1 钻井电机控制系统实验平台搭建52-53
• 5.2.2 电机运行在不同转速下的Z函数53-55
• 5.2.3 不同容值滤波电容对母线电压的影响55-56
• 5.3 本章小结56-58
• 结论与展望58-60
• 参考文献60-64
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果64-65
• 致谢65

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