摘要：為改善傳統(tǒng)抽油機系統(tǒng)高速驅動、多級傳動帶來的效率低、因數(shù)低、維護費用高、噪聲大等缺點，設計了基于MC33035和MC33039的無刷直流電動機直驅抽油機系統(tǒng)控制器，采用低速運行的外轉子永磁電機直接驅動抽油機來實現(xiàn)抽油桿的往復運動。
關鍵詞：無刷直流電機；直驅抽油機；外轉子；MC33035；MC33039

    目前國內外抽油機以油梁式抽油機為主，其缺點是：傳動鏈長，可控性差，系統(tǒng)效率低、功率因數(shù)低、維護費用高、噪聲大等，為了克服上述缺陷本設計采用大輪盤外轉子無刷直流電機直接驅動抽油機，去掉了油梁、驢頭、減速箱等機械裝置，簡化整個系統(tǒng)的結構，縮短了傳動鏈，大大提高了抽油機的地面效率、機械傳動裝置的可靠性及運行效率，同時降低了采油成本，節(jié)約了資源。

1 抽油機控制系統(tǒng)方案設計
    本設計采用高性能第二代單片無刷直流電機控制器MC33035及專門設計用于無刷直流電機控制系統(tǒng)的高性能閉環(huán)速度控制適配器MC33039作為無刷電機直驅抽油機系統(tǒng)控制器的核心，采用PWM調制方式控制電機的轉矩和轉速，由無刷電機內置的霍爾位置傳感器檢測電機轉子的位置并輸出霍爾信號，經(jīng)MC33035的轉子位置譯碼器并結合正反轉信號、啟?？刂菩盘枦Q定換向電極，逆變電路采用以IGBT作為功率變換器件的三相全橋逆變器，抽油機的負載是波動的，為了根據(jù)負載變化情況來調節(jié)控制電機的轉速，整個控制系統(tǒng)采用速度單閉環(huán)控制，系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。

2 控制器設計
2．1 控制系統(tǒng)主回路設計
    采用MC33035和MC33039作為控制芯片，IR2233作驅動芯片，用IGBT作為三相功率逆變器的開關器件．IGBT既具有MOSFET的輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅動電路簡單的特點，又具有GTR通態(tài)電壓低耐高壓和承受大電流的特點，因此逆變電路的設計采用了6個N溝道IGBT，由于MC33035頂部驅動輸出為集電極開路輸出設計，底部驅動輸出可直接驅動IGBT，而IR2233驅動信號輸入是低電平輸入有效，因此需要在C33035底部驅動輸出與驅動電路之間加反相器，另外控制電路與驅動電路之間需要加光電隔離器件。
2．2 速度控制設計
    在本系統(tǒng)中MC33035是電機控制器，MC33039是電予測速器，MC33039直接利用三相無刷直流電機轉子位置傳感器的3個方波輸出信號，經(jīng)F／V變換成正比于電機轉速的電壓信號。MC33039接受位置傳感器3個信號，經(jīng)滯后的緩沖電路，以抑制輸入噪聲，經(jīng)“或”運算得到相當于電機的6個脈沖信號，再經(jīng)有外接定時組件的單穩(wěn)態(tài)電路，從第5腳輸出信號的占空比與電機轉速有關，其直流分量與轉速成正比，此信號經(jīng)濾波處理后，即得到與轉速成正比的電壓信號，經(jīng)主控電路實現(xiàn)電機精確調速控制；同時位置傳感器信號也輸入到MC33035經(jīng)轉子位置譯碼器電路譯成六路驅動輸出信號，控制逆變橋電路正常工作；電機的三相繞組為Y連接，逆變橋電路工作在全控橋兩兩通電方式。
    鋸齒波振蕩器的振蕩頻率由外接定時組件C2和R2來決定，每個周期由基準電壓VREF(8腳)經(jīng)R2向C2充電，然后C2上電荷通過內部一晶體管迅速放電而形成鋸齒波振蕩信號，其波峰和波谷分別是4．1 V和1．5 V，所以10管腳的輸入近似為一三角波，其頻率由決定，R12為控制無刷電機轉速的電位器，通過該電位器改變11管腳對地的電壓，從而來改變電機的轉速，運算放大器1外部接成一個跟隨器的形式，所以11管腳的對地電壓即為比較器2的反相輸入電壓，通過電位器R12改變11腳的對地電壓從而改變比較器2的輸出方波的占空比，即比較器2的輸出為我們所需的PWM信號，控制三個下側驅動輸出，改變輸出脈沖寬度，相當于改變供給電機繞組的平均電壓，從而控制其轉速和轉矩。其原理如下圖2所示。

2．3 正反轉控制設計
    本設計用兩個霍爾位置傳感器H1，H2和兩塊磁鐵CT來實現(xiàn)電機的正反轉，兩個霍爾位置傳感器H1，H2分別安裝在抽油機架的上下止點，磁鐵CT安裝在平衡重塊的上下兩面各一塊，位置信號處理電路如下圖3所示。

    當CT隨電機的轉動靠近H1時，H1輸出低電平，H2輸出高電平，觸發(fā)器輸出低電平，H1，H2的輸出信號經(jīng)與門后為低電平，南于5 V電壓源的升壓作用，使定時器輸入端由低電平瞬間變?yōu)楦唠娖?，所以其輸出暫穩(wěn)態(tài)(高電平)結束后自動進入穩(wěn)態(tài)(低電平)，當電機反轉至CT接近H2時，H2輸出低電平，H1輸出高電平，觸發(fā)器輸出高電平，H1，H2的輸出信號經(jīng)與門后仍為低電平，所以電機仍是由高電平變?yōu)榈碗娖?，轉向信號和制動信號波形如下圖4所示，波形1是制動信號，高電平制動且優(yōu)先級最高，波形2是轉向信號，高電平時電機正轉，低電平時反轉，假設電機正轉，正轉過程中波形2為高電平，波形1為低電平，到指定位置后波形2變?yōu)榈碗娖剑ㄐ?為高電平，由于波形1優(yōu)先級高，它為高電平時間內波形2無效，此段時間是電機的正向制動過程，制動一定時間后波形1自動變?yōu)榈碗娖?，波?的低電平起作用，電機開始反轉，反轉過程中波形1、2都為低電平，反轉到指定位置后波形2變?yōu)楦唠娖?，波?也變?yōu)楦唠娖?，電機進入反向制動過程，制動一定時間后波形1自
動變?yōu)榈碗娖?，波?的高電平起作用，電機開始正轉，如此反復，其狀態(tài)變化過程為：正轉→正向制動→反轉啟動→反轉→反轉制動→正轉啟動→正轉。

2．4 檢測與保護回路設計
2．4．1 電流檢測與過流保護回路設計
    分流電阻接在逆變器功率驅動橋的下端與地線之間，因為MC33035的第9腳內部連接一個比較器的正相輸入端，該比較器的反相輸入端為芯片內部提供的100 mV標準電壓，由分壓關系其中：Imax為電機最大允許電流，R21為分流電阻，100 mV是過流檢測比較器的反相輸入端輸入電壓，MC33035的第9腳的輸入電壓為過流檢測比較器的正相輸入端，通過計算R8取100 Ω，R9取28 Ω，R21取0．2 Ω可滿足上述比例關系，起到較好的過流保護作用。
2．4．2 欠壓保護
    MC33035的17管腳的當輸入電壓低于9．1 V時，該比較器的反相輸入為內部-9．1 V標準電壓，此時MC33035通過與門將驅動下橋臂的三路輸出全部封鎖，下橋臂的三個功率三極管全部關斷，電機停止運行，起欠壓保護作用。系統(tǒng)原理圖如下圖5所示。

3 結束語
    采用專用集成控制芯片MC33035設計了直驅抽油機電機控制器，同時采用MC33039引入轉速閉環(huán)控制以實現(xiàn)更好的調速功能，并對電機在一定范圍內旋轉的特殊要求進行了專門設計，實現(xiàn)了對沖程、頻次的控制，顯著提高了抽油機的效率。