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Boost型转矩控制器的稳定控制技术研究

更新时间：2019-12-30 16:01:56 大小：451K 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：boost 转矩控制器 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

调制式旋转导向钻井工具通过调节涡轮电机的输出转矩来实现导向控制,斩波式转矩控制器有较大的电流谐波,会产生较大的脉动转矩和较强的电磁干扰,功率因数和转换效率低.针对斩波控制器的不足,提出一种Boost型转矩控制电路.介绍了这种控制器的工作原理,从而建立了控制电路的数学模型.通过分析控制系统的稳定性以及不稳定状态的混沌分岔行为特征,给出混沌控制策略,并详细研究了分别采用参数正弦微扰共振和参数线性斜坡微扰共振方法时电路的控制特征及效果.台架模拟试验表明,选用参数线性斜坡微扰法可保证电路稳定可靠地工作,达到抑制脉动转矩、提高功率因数和转换效率的目的.

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V01．30 NO．6

NOV． 2009

第3(J卷第6期

2009年11月

石

ACTA

油

学

PETROI，EI SINICA

报

文章编号：0253—2697(2009)06—0942—05

Boost型转矩控制器的稳定控制技术研究

程为彬

汤

楠

汪跃龙

郭颖娜康思民

霍爱清

(西安石油大学陕西省钻机控制技术重点实验室陕西西安710065)

摘要：调制式旋转导向钻井工具通过调节涡轮电机的输出转矩来实现导向控制，斩波武转矩控制器有较大的电流谐波，会产生较

大的脉动转矩和较强的电磁干扰。功率因数和转换效率低。针对斩波控制器的不足，提出一种Boost型转矩控制电路。介绍了这种

控制器的工作原理，从而建立了控制电路的数学模型。通过分析控制系统的稳定性以及不稳定状态的混沌分岔行为特征，给出混

沌控制策略，并详细研究了分别采用参数正弦微扰共振和参数线性斜坡微扰共振方法时电路的控制特征及效果。台架模拟试验表

明，选用参数线性斜坡微扰法可保证电路稳定可靠地工作，达到抑制脉动转矩、提高功率因数和转换效率的目的。

关键词：旋转导向钻井工具；转矩控制器；混沌控制方法；控制电路；数学模型

中图分类号：TE243

文献标识码：A

controller

Research on

for Boost

torque

stability—control technique

CHENG Weibin

KANG Simin TANG Nan WANG_YuelongHUO

Aiqing

GU()Yingna

(Shaanxi

Control

710065，China)

Technique，Xi’an Shiyou University，Xi’an

KeyLaboratory of Drilling Rigs

Abstract：The

control of modulated

tool can be realized

the

of the turbo

output torque

steering

rotary steering drilling

by regulating

resulted in

much more

harmonics in

and elec—

larger

controller was tO

proposed

motor．There were

current

the

controller，which

torque ripples

chopping torque

interferes and lowered the

factor and the conversion

kind of Boost

power

efficiency．A

torque

tromagnetic

solve above

the

of Boost

controller was introduced，and the mathematical model for

control

problems．Theworking principle

torque

were ana。

section

unsteady

circuit of controller wasbuilt

of the control

and ehaotic characteristics of the

up．The stability

system

chaotic control methodswere discussed．The control characteristics and effects in the circuit control while

using parame—

lyzed．The

ter sinusoidal

resonanceand

linear

resonance were

test of simulation tool

and reliable

op—

perturbation

indicated that the

parameter

ramp perturbation

investigated．The

controller

could

linear

resonancemethod

make the

parameter

ramp perturbation

torque

being steady

and

the

factor and conversion

power efficiency．

improve

eration。suppress torque ripple

control

model

method；control circuit；mathematical

Keywords：rotary steering drilling tool；torque controller；chaotic

旋转导向钻井技术已成为国内外石油工业研究的

热点[1]。目前国内研究的调制式旋转导向闭环钻井系

统，主要通过控制井下偏置导向工具来达到控制井眼

轨迹的目的，其中稳定平台是关键；稳定平台工具面的

控制是通过调节下涡轮电机输出电磁转矩来实现

的[2’6]。由于电机的转矩系数和主磁通一般为常数，则

电机的电磁转矩主要与转子电流和功率因数有关，调

节下涡轮电机负载电流可实现对稳定平台工具面角的

控制。

个完全密闭的空间中存在大量的谐波，产生的电磁干

扰很强，试验过程中出现系统死机和通讯失败等故障。

直流PWM斩控设计只考虑对转子电流的控制，

忽略了功率因数的影响，使电路转换效率很低，无功损

耗增大，额定转矩要求下电机的设计体积增大，转动惯

量增大，影响系统的动态调节能力和稳态性能的提高。

笔者设计了一种功率因数校正型井下工具转矩控制

器，对其控制原理、电路模型、技术和稳定性进行了较

深入的研究。

当采用交流全桥整流、直流PWM斩控电路来调

节下电机的负载电流时乜]，电机负载电流明显存在幅

伉较大的奇次谐波，产生了相应的谐波转矩。导致电磁

转矩脉动和角速度波动，使得稳定平台的稳定控制性

能欠佳；电机低速运行时还产生爬行现象。同时在一

转矩控制电路和数学模型

1．1

电路模型与转矩控制原理

为进一步提高电机输出电压利用率和输出负载电

路的功率因数，减小电机的电流谐波，抑制输出转矩脉

基金项目：中国石油天然气集团公司中青年创新基金项目(07E1014)和陕西省自然科学基础研究计划项目(SJ08E216)联合资助。

作者简介：程为彬．男。1970年3月生，2007年获西安理工大学博士学位，现为西安石油大学电子工程学院教授，主要从事控制科学与工程和电力电

子技术方面的研究。E-mail：．edu．cn

万方数据

943

第6期

程为彬等：Boost型转矩控制器的稳定控制技术研究

动，可采用Boost型转矩控制电路，如图1所示。输入

端接电机的输出，整流二极管D1一D4将电机输出交

流变换为脉动直流，输出端接负载R。。Boost电路按

电感电流是否连续，可分为连续传导模式、断续传导模

式和I临界传导模式。由于连续传导模式(CCM)的电

感电流连续，所产生的电流谐波小，在中大功率电路中

应用广泛，因此采用了连续传导模式。

式中：L为电感，H；Ui为输入电压，V；Uo为负载电

压，V；D为占空比，0 D 1；T为开关周期，s；乙为

第行个周期内的起始时刻。

为简化推导，假定：①负载电压U。恒定，即假定

输出电压的纹波与输出电压幅值相比可以忽略；②开

关频率远高于电机输出信号频率，在Boost电路输入

的某一点，可认为在系统稳定的若干开关周期内，输入

电压恒定，参考电流恒定；③开关频率恒定。

当时间f一￡。(n=0，1，．．· )时，功率场效应管闭合；

当t--一t。+DT时，功率场效应管断开。由式(1)可得

Boost电路CCM模式时的离散数学模型为

(2)

o，一毛十坠旦g型T

式中：i。=iL

I。+1-。

l一．，i。+-=iL

图1 Boost转矩控制电路

2稳定性及电路特征

Boost

control circuit

torque

Fig．1

2．1稳定性判据

电路采用双闭环控制，外环为输出电压反馈控制，

由电阻R3和R4取样，与参考电压U。，比较的输出作

为乘法器M1的输入，乘法器的输出作为电流内环的

参考输入电流J村；内环为输入电流反馈控制，参考电

调制式井下工具系统中稳定平台的Boost型转矩

控制电路的运行参数设计如下：下涡轮电机输出交流

电压额定值Ui为64V，电机效率为0．96，电机额定输

出功率为314 W，电机额定输出电磁转矩为4 N· m，额

流J

ref与电感反馈电流i。比较，产生PWM控制信号

A；Boost

定电磁转矩所对应的参考电流峰值J。f为7．2

Us。由于Q1和D5交替导通，电机输出电流经电感

L1连续；同时电阻R1和R2取样输入电压波形，保证

电机输出电流也呈正弦波形，因此能分散电机输出电

流谐波的频率成分，减小谐波幅度，达到抑制转矩脉动

和稳定电机输出电磁转矩的目的。

电路输出直流电压U。为100V，电感电流初始值i，为

0．0A，开关周期T为0．0001 S，电感L为0．006H，负

载电阻R。为31．8Q。

根据稳定平衡状态时Boost电路的理想条件[7]，

式(2)也可写成

Boost型转矩控制电路采用有源功率因数校正技

术，主要目的是：①分散谐波频谱，抑制电机电流的波

形失真，降低电机电流畸变，抑制脉动转矩和电磁干

扰；②将负载电路的功率因数提高到0．90以上，提高

电机输出转矩和电压利用率；③加宽转速范围，避免低

速旋转时的爬行现象，确保低速时高功率因数输出；

④加宽钻井液排量范围，恒定功率输出，确保低速时电

机输出转矩的稳定。

。=(，一等)抖警+毕T

(3)

=(而-D)¨ 禹+半丁

当考虑系统的稳定性时，可得到电感电流的摄动

微量为[83

(4)

‰ t一(高)阮+。(躐)

则得方程的特征值A为一D／(1一D)。对于一阶稳定

系统而言，IA l应小于1，可得电路稳定判据为

从图1可以看出，在直流负载额定的条件下，可以

改变Boost电路的参考电流来调节PWM输出占空

比，调整下涡轮电机的输出电流，实现调制式旋转导向

钻井工具电磁转矩的控制。

(5)

D=(【，i—U。)／u。<0．5

即当Ut>0．5U。时，电路本身稳定；当U； 0．5U。时，

电路本身不稳定。Boost型转矩控制器的输入电压会

跨越稳定和不稳定工作区，不可避免地产生混沌分岔

行为[7]。

1．2数学模型

根据CCM模式工作特点，可得系统的微分方

程为‘73

2．2额定参数时的电路特征

￡ Et∥。+DT]

I粤气厅Ui，

{警

由于Boost电路开关频率比其输入交流电压的额

定频率高200倍，在不同的瞬时输入电压各点，可以认

为是DC-DC型Boost电路吲。PWM控制器的输出占

兰

(1)

一

f粤一下Ui--UO，f 瞳+DT以+明

万方数据

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