無感無刷直流電動機技術(shù)在密度儀器上的應(yīng)用

李 岑

(中國石油集團測井有限公司大慶分公司 黑龍江 大慶 163412)

0 引 言

早期的密度儀器使用單相交流電動機[1]開關(guān)腿，要使電動機能自動旋轉(zhuǎn)起來，需要在運行繞組與起動繞組之間串聯(lián)一個合適的電容，使她們的電流在相位上近似相差90°，這樣兩個在時間上相差90°的電流通入兩個在空間上相差90°的繞組，將會在空間上產(chǎn)生(兩相)旋轉(zhuǎn)磁場，在這個旋轉(zhuǎn)磁場作用下，轉(zhuǎn)子就能自動起動。單相交流電動機雖然結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，但在用電容起動電動機時，電容的大小影響到電動機起動時的轉(zhuǎn)距，電容太大時轉(zhuǎn)距過大造成起動時間過長，容易造成起動線圈發(fā)生故障，電容太小時轉(zhuǎn)距太小造成起動不完全，有可能因起動不起來造成運行線圈燒掉，除此之外，用外接起動電容的方法起動單相交流電動機，沖擊電流是額定電流的5～7倍，不但可能燒毀電容，而且可能超過電動機的契約容量而損壞電動機。為了避免這些隱患，無感無刷直流電動機開始應(yīng)用在密度儀器上。

1 無感無刷直流電動機技術(shù)

1.1 直流無刷電動機工作原理

直流無刷電動機[2]的主要組成部分有電動機本體、位置傳感器與電子開關(guān)等3部分，如圖1所示。定子繞組一般制成多相(三、四、五相不等)，轉(zhuǎn)子由永久磁鐵按一定的極對數(shù)(2 p=2，4，…)組成，電子開關(guān)一般是由功率電子器件和它的控制電路以及轉(zhuǎn)子位置傳感器等所組成。圖1所示的電動機本體為2極三相，定子A、B、C相繞組分別與電力開關(guān)元件V1，V2，V3相接。位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動機轉(zhuǎn)軸相連接。

圖1 直流無刷電動機的組成原理圖

定子繞組的某一相通電時，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鐵的磁極產(chǎn)生的磁場相互作用，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)距，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁極位置信號變換成電信號，去控制電子開關(guān)線路，從而使定子各相繞組按一定順序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的順序換相。由于電子開關(guān)線路的導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了機械換向器的換向作用。直流無刷電動機的原理框圖如圖2所示。

圖2 直流無刷電動機的原理框圖

1.2 無傳感器控制技術(shù)

高性能直流無刷電動機運行控制系統(tǒng)需要精確檢測磁位置以實現(xiàn)磁場定向控制，一般采用光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器等機械傳感器。然而傳感器體積大，安裝不方便，并且生產(chǎn)成本高?；谶@些不利因素，這就要求研究無傳感器的控制方法[3]。通常是利用直流無刷電動機本體在運行時，各相定子繞組自身自然存在的反電動勢作為轉(zhuǎn)子磁極位置的反饋信號來代替原有位置傳感器的作用，參與直流無刷電動機的閉環(huán)控制運行。直流無刷電動機起動后，其轉(zhuǎn)子永久磁鐵所產(chǎn)生的磁通要切割定子繞組而產(chǎn)生反電動勢E(E=BLwrr，由于wr≠0，故只有磁場B為零時，E才為零)，其大小正比于直流無刷電動機的轉(zhuǎn)速及其氣隙中的磁感應(yīng)強度B。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鐵的極性改變時，反電動勢的波形的正負(fù)也隨著改變。所以，只要測出反電動勢波形的過零點，就可以確定轉(zhuǎn)子磁鐵精確位置，并以此來控制直流無刷電動機的換相。

2 無感無刷直流電動機技術(shù)在密度儀器上的應(yīng)用

2.1 電動機控制電路的設(shè)計

直流無刷電動機起動、運轉(zhuǎn)、停止都較單相交流電動機復(fù)雜，需要專門設(shè)計電路板[4]，來控制電動機，如圖3和圖4所示。

為了起動電動機，測井操作員發(fā)送電動機命令，通過電纜送入數(shù)傳儀器，然后再將命令送入密度儀器的通訊板。通訊板接下來發(fā)布一系列命令。通訊板第一個命令是讓地面直流電源接入電動機控制板；第二個命令是電動機轉(zhuǎn)向命令，控制開腿或者關(guān)腿；第三個命令是電動機使能信號，起動電動機控制板上的U1內(nèi)的序列發(fā)生器。

圖3 電動機控制電路A部分

圖4 電動機控制電路B部分

U1是CPLD可編程邏輯器件，保持時序邏輯讓電動機旋轉(zhuǎn)。U2是電平轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換U1輸出邏輯電平到合適的電平，以驅(qū)動場效應(yīng)開關(guān)管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6。AR1是四重比較器，四重比較器中的有三個部分用來感應(yīng)無勵磁電動機繞組的電壓。通過拿無勵磁電動機繞組上的電壓與參考電壓進行比較，當(dāng)電動機有某個確定的旋轉(zhuǎn)位置時，比較器輸出狀態(tài)發(fā)生改變，以維持電動機旋轉(zhuǎn)。

值得注意的是,在設(shè)計中使用了軟件起動法[5]。在電動機靜止和低速運動時，其反電動勢為零或極低，無法檢測，因此采用外同步起動的方法。在電動機起動時，先在某相加電壓，然后檢測過零點；若檢測到過零點，就提前切換；如果檢測不到就延時一段時間再切換。以此來使電動機轉(zhuǎn)速逐漸升高，當(dāng)反電動勢足夠大時，則進入正常運轉(zhuǎn)方式。

2.2 應(yīng)用效果分析

當(dāng)未接入電動機，電動機控制板輸出空載的前提下，測量三相輸出MOTOR WINDING_A、MOTOR WINDING_B、MOTOR WINDING_C，波形如圖5所示。

當(dāng)接入電動機后，電動機控制板輸出帶負(fù)載的前提下，測量三相輸出MOTOR WINDING_A、MOTOR WINDING_B、MOTOR WINDING_C，波形如圖6所示。

圖5 未接電動機三相測量波形

圖6 接電動機三相測量波形

對照圖5圖6，接電動機與未接電動機時，三相輸出波形存在明顯的區(qū)別：未接電動機時，三相輸出方波，測量的是輸入電勢，而在接電動機時，三相輸出梯形波，測量的是感生電動勢。原因在于，無感無刷直流電動機利用第三相的感生電動勢去測量轉(zhuǎn)子的位置。在任意兩相通電期間，如果我們?nèi)y量第三相上的電壓，會發(fā)現(xiàn)其間有一個從正到負(fù)(或者從負(fù)到正)的變化過程。其等效電路圖如圖7所示。

圖7 電動機等效電路圖

這里需要說明一下的是，在AB相通電期間，不只是線圈CC′上產(chǎn)生感生電動勢，其實AA′和BB′也在切割磁力線，也都會產(chǎn)生感生電動勢，其電動勢方向與外加的130 V電源相反，所以叫“反向感生電動勢”(BEMF)；不同的是在AB相通電期間，CC′的感生電動勢會整個換一個方向，也即所謂的“過零點”。

也就是說，在AB相通電期間，只要一直監(jiān)測電動機的C引線的電壓，一旦發(fā)現(xiàn)它低于共同聯(lián)結(jié)點的電壓，就說明轉(zhuǎn)子已轉(zhuǎn)過30°到達了中間的位置，只要再等30°就可以換相了。同理，當(dāng)電動機處于AC相通電時，監(jiān)測的是B相輸出電壓；當(dāng)電動機處于BC相通電時，監(jiān)測的是A相輸出電壓。接下來的CA，CB相通電情況也類似，不再贅述。 無論從波形圖來看，還是實踐證明，無感無刷直流電動機在密度儀器上運行平穩(wěn)可靠。

3 結(jié) 論

從實踐來看，密度儀器使用無感無刷直流電動機取代單相交流電動機已是很大的進步，省去了大電容，操作更加安全，尤其利用第三相的感生電動勢，省略了位置傳感器，整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單，運行更加穩(wěn)定，故障率更低。然而，也有不足的地方需要改善，起動程序復(fù)雜，并且起動的時候可控性較差，要達到一定轉(zhuǎn)速后才變得可控，除此以外，電動機無法調(diào)速，并不能做到精細(xì)控制，但這并不影響密度儀器的開關(guān)腿。