无刷直流电机直驱抽油机系统控制器设计

摘要：为改善传统抽油机系统高速驱动、多级传动带来的效率低、因数低、维护费用高、噪声大等缺点，设计了基于MC33035和MC33039的无刷直流电动机直驱抽油机系统控制器，采用低速运行的外转子永磁电机直接驱动抽油机来实现抽油杆的往复运动。
关键词：无刷直流电机；直驱抽油机；外转子；MC33035；MC33039

    目前国内外抽油机以油梁式抽油机为主，其缺点是：传动链长，可控性差，系统效率低、功率因数低、维护费用高、噪声大等，为了克服上述缺陷本设计采用大轮盘外转子无刷直流电机直接驱动抽油机，去掉了油梁、驴头、减速箱等机械装置，简化整个系统的结构，缩短了传动链，大大提高了抽油机的地面效率、机械传动装置的可靠性及运行效率，同时降低了采油成本，节约了资源。

1 抽油机控制系统方案设计
    本设计采用高性能第二代单片无刷直流电机控制器MC33035及专门设计用于无刷直流电机控制系统的高性能闭环速度控制适配器MC33039作为无刷电机直驱抽油机系统控制器的核心，采用PWM调制方式控制电机的转矩和转速，由无刷电机内置的霍尔位置传感器检测电机转子的位置并输出霍尔信号，经MC33035的转子位置译码器并结合正反转信号、启停控制信号决定换向电极，逆变电路采用以IGBT作为功率变换器件的三相全桥逆变器，抽油机的负载是波动的，为了根据负载变化情况来调节控制电机的转速，整个控制系统采用速度单闭环控制，系统控制框图如图1所示。

2 控制器设计
2．1 控制系统主回路设计
    采用MC33035和MC33039作为控制芯片，IR2233作驱动芯片，用IGBT作为三相功率逆变器的开关器件．IGBT既具有MOSFET的输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的特点，又具有GTR通态电压低耐高压和承受大电流的特点，因此逆变电路的设计采用了6个N沟道IGBT，由于MC33035顶部驱动输出为集电极开路输出设计，底部驱动输出可直接驱动IGBT，而IR2233驱动信号输入是低电平输入有效，因此需要在C33035底部驱动输出与驱动电路之间加反相器，另外控制电路与驱动电路之间需要加光电隔离器件。
2．2 速度控制设计
    在本系统中MC33035是电机控制器，MC33039是电予测速器，MC33039直接利用三相无刷直流电机转子位置传感器的3个方波输出信号，经F／V变换成正比于电机转速的电压信号。MC33039接受位置传感器3个信号，经滞后的缓冲电路，以抑制输入噪声，经“或”运算得到相当于电机的6个脉冲信号，再经有外接定时组件的单稳态电路，从第5脚输出信号的占空比与电机转速有关，其直流分量与转速成正比，此信号经滤波处理后，即得到与转速成正比的电压信号，经主控电路实现电机精确调速控制；同时位置传感器信号也输入到MC33035经转子位置译码器电路译成六路驱动输出信号，控制逆变桥电路正常工作；电机的三相绕组为Y连接，逆变桥电路工作在全控桥两两通电方式。
    锯齿波振荡器的振荡频率由外接定时组件C2和R2来决定，每个周期由基准电压VREF(8脚)经R2向C2充电，然后C2上电荷通过内部一晶体管迅速放电而形成锯齿波振荡信号，其波峰和波谷分别是4．1 V和1．5 V，所以10管脚的输入近似为一三角波，其频率由决定，R12为控制无刷电机转速的电位器，通过该电位器改变11管脚对地的电压，从而来改变电机的转速，运算放大器1外部接成一个跟随器的形式，所以11管脚的对地电压即为比较器2的反相输入电压，通过电位器R12改变11脚的对地电压从而改变比较器2的输出方波的占空比，即比较器2的输出为我们所需的PWM信号，控制三个下侧驱动输出，改变输出脉冲宽度，相当于改变供给电机绕组的平均电压，从而控制其转速和转矩。其原理如下图2所示。

2．3 正反转控制设计
    本设计用两个霍尔位置传感器H1，H2和两块磁铁CT来实现电机的正反转，两个霍尔位置传感器H1，H2分别安装在抽油机架的上下止点，磁铁CT安装在平衡重块的上下两面各一块，位置信号处理电路如下图3所示。

    当CT随电机的转动靠近H1时，H1输出低电平，H2输出高电平，触发器输出低电平，H1，H2的输出信号经与门后为低电平，南于5 V电压源的升压作用，使定时器输入端由低电平瞬间变为高电平，所以其输出暂稳态(高电平)结束后自动进入稳态(低电平)，当电机反转至CT接近H2时，H2输出低电平，H1输出高电平，触发器输出高电平，H1，H2的输出信号经与门后仍为低电平，所以电机仍是由高电平变为低电平，转向信号和制动信号波形如下图4所示，波形1是制动信号，高电平制动且优先级最高，波形2是转向信号，高电平时电机正转，低电平时反转，假设电机正转，正转过程中波形2为高电平，波形1为低电平，到指定位置后波形2变为低电平，波形1为高电平，由于波形1优先级高，它为高电平时间内波形2无效，此段时间是电机的正向制动过程，制动一定时间后波形1自动变为低电平，波形2的低电平起作用，电机开始反转，反转过程中波形1、2都为低电平，反转到指定位置后波形2变为高电平，波形1也变为高电平，电机进入反向制动过程，制动一定时间后波形1自
动变为低电平，波形2的高电平起作用，电机开始正转，如此反复，其状态变化过程为：正转→正向制动→反转启动→反转→反转制动→正转启动→正转。

2．4 检测与保护回路设计
2．4．1 电流检测与过流保护回路设计
    分流电阻接在逆变器功率驱动桥的下端与地线之间，因为MC33035的第9脚内部连接一个比较器的正相输入端，该比较器的反相输入端为芯片内部提供的100 mV标准电压，由分压关系其中：Imax为电机最大允许电流，R21为分流电阻，100 mV是过流检测比较器的反相输入端输入电压，MC33035的第9脚的输入电压为过流检测比较器的正相输入端，通过计算R8取100 Ω，R9取28 Ω，R21取0．2 Ω可满足上述比例关系，起到较好的过流保护作用。
2．4．2 欠压保护
    MC33035的17管脚的当输入电压低于9．1 V时，该比较器的反相输入为内部-9．1 V标准电压，此时MC33035通过与门将驱动下桥臂的三路输出全部封锁，下桥臂的三个功率三极管全部关断，电机停止运行，起欠压保护作用。系统原理图如下图5所示。

3 结束语
    采用专用集成控制芯片MC33035设计了直驱抽油机电机控制器，同时采用MC33039引入转速闭环控制以实现更好的调速功能，并对电机在一定范围内旋转的特殊要求进行了专门设计，实现了对冲程、频次的控制，显著提高了抽油机的效率。