油田節(jié)能采油機傳動系統(tǒng)控制機理與設(shè)計

【摘要】節(jié)能降耗是我國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的一項長遠戰(zhàn)略方針，是企業(yè)貫徹落實科學(xué)發(fā)展觀的必然要求。本課題采用國內(nèi)油田最新節(jié)能技術(shù)，對當(dāng)今普遍使用的采油機的傳動系統(tǒng)進行改造，運用開關(guān)磁阻電機代替以往使用的電機，并對開關(guān)磁阻電機進行必要的優(yōu)化控制，以達到油井節(jié)能降耗的目的。此外，利用數(shù)字信號處理器DSP的智能控制，可根據(jù)油井的實際情況，實現(xiàn)上沖程、下沖程的速度調(diào)節(jié)，頻繁起停及正反轉(zhuǎn)運行。

【關(guān)鍵詞】節(jié)能；開關(guān)磁阻電機；數(shù)字信號處理器DSP

一、概述

目前國內(nèi)廣泛使用的抽油機有游梁式和無游梁式兩類，同樣以游梁式抽油機為主，其所配電動機大多數(shù)為Y系列電動機。長期以來抽油機所配電機大都處于輕載運行狀態(tài)，負載率極低，功率損耗大，能源浪費嚴重，抽油機井電耗在油田生產(chǎn)用電中占有很大比例且沖程沖次調(diào)節(jié)十分不便。本課題采用國內(nèi)油田最新節(jié)能技術(shù)，對當(dāng)今普遍使用的采油機的傳動系統(tǒng)進行改造，運用開關(guān)磁阻電機代替以往使用的電機，并對開關(guān)磁阻電機進行必要的優(yōu)化控制，以達到油井節(jié)能降耗的目的。油田節(jié)能采油機傳動系統(tǒng)具有較好的運行效果，特別實現(xiàn)低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩，在各種工況條件下均會有良好的節(jié)電效果，及時調(diào)整抽油機的沖次，實現(xiàn)沖次的無級調(diào)速，使抽油機工作隨時處在最佳運行狀態(tài)。再利用數(shù)字信號處理器DSP的智能控制，可根據(jù)油井的實際情況，實現(xiàn)上沖程、下沖程、的速度調(diào)節(jié)，頻繁起停及正反轉(zhuǎn)運行。

二、開關(guān)磁阻電動機調(diào)速理論

開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)基本過程分析：

SRD的基本運行狀態(tài)包括啟動運行狀態(tài)、穩(wěn)定運行狀態(tài)和制動運行狀態(tài)。各種運行狀態(tài)下系統(tǒng)需求不同，采用的控制策略必然有所不同。

SRD的基本控制策略為低速運行斬波控制和高速運行角度位置控制。但在具體應(yīng)用中，籠統(tǒng)的視運行速度切換這兩種模式，系統(tǒng)的工作性能很難達到最優(yōu)。

將斬波方式和角度位置調(diào)節(jié)有機的結(jié)合起來，可以改善電機高速運行性能。研究表明，根據(jù)不同的運行需求采用組合式控制策略，可以獲得更好的控制效果。

1.啟動運行狀態(tài)策略

SRM由靜止不動到正常運轉(zhuǎn)必須經(jīng)歷一個啟動過程。SRM的啟動比較簡單，無需輔助設(shè)備，對于三相以及三相以上的電動機可在任意轉(zhuǎn)子位置正、反向啟動。對于12/8結(jié)構(gòu)的三相開關(guān)磁阻電機，采用電壓斬波控制。固定開通角0度，導(dǎo)通180度電角度，起動沒有死區(qū)，可以在任意位置實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動。

2.穩(wěn)定運行狀態(tài)策略

SRD的穩(wěn)定運行是指在恒定負載、恒定轉(zhuǎn)速下的運行。穩(wěn)態(tài)運行是電機的主要運行方式，尋求合適的穩(wěn)態(tài)運行控制策略是決定系統(tǒng)性能優(yōu)劣的關(guān)鍵?？紤]到系統(tǒng)為具有低、中、高速運行的系統(tǒng)，在低速和中速采用低壓斬波控制，通過調(diào)節(jié)繞組上平均電壓使得電機近似運行于恒轉(zhuǎn)矩方式，在高速時采用APC控制，通過調(diào)節(jié)開通角，優(yōu)化導(dǎo)通角使得系統(tǒng)近似運行于恒功率方式，并且使得系統(tǒng)的效率最優(yōu)。

在高速運行時，開通角是主要的控制變量，電流調(diào)節(jié)器的輸出為開通角，開通角對電機的出力和效率影響很大。為使電機在高速時具有出力大、效率高，把開通角作為主要的調(diào)節(jié)變量。關(guān)斷角影響電流波形的寬度，高速時電路峰值比較大，如果導(dǎo)通寬度太大，電流可能續(xù)流到電感下降區(qū)，產(chǎn)生負轉(zhuǎn)矩，影響出力和效率?？梢酝ㄟ^實驗找到一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的最優(yōu)的導(dǎo)通寬度，確定關(guān)斷角。

3.制動運行狀態(tài)策略

所謂制動，就是在電動機軸上施加一個與旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)矩。SRM的制動運行包含兩重意義，一是利用制動轉(zhuǎn)矩降速，使電機盡快停轉(zhuǎn)；而是發(fā)電工作。與直流電機不同，SRM只有再生制動方式，SRM再生制動的實現(xiàn)非常方便，只要加大開通角，使相電流主要在dL/dq<0區(qū)間段出現(xiàn)即可。所以對于制動狀態(tài)，采用了固定開關(guān)角和電壓斬波的控制策略。

三、基于DSP的開關(guān)磁阻電機控制器硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計總體結(jié)構(gòu)

本文采用TMS320LF2812為主控制器并配以高速邏輯電路，以四相8/6極開關(guān)磁阻電動機為對象，設(shè)計了一種性能優(yōu)良的開關(guān)磁阻電機速度控制系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，給出了位置檢測、電流檢測、輸出及故障保護等電路設(shè)計，利用的豐富外設(shè)資源，達到簡化電路結(jié)構(gòu)、提高運行可靠性的目的。

控制系統(tǒng)以TMS320LF2812數(shù)字信號處理器控制核心，采用速度、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。DSP捕獲光電傳感器表示的轉(zhuǎn)子位置信號，變成速度信號和換相控制信號；采樣電流傳感器表示的電流信號，經(jīng)過濾波后作為電流調(diào)節(jié)器的反饋信號，速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)的給定。低速時電流調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過PWM調(diào)制后驅(qū)動功率器件，高速時電流調(diào)節(jié)器輸出為導(dǎo)通寬度，使得功率開關(guān)在合適的時刻導(dǎo)通和關(guān)斷相繞組。DSP通過SPI和顯示單元傳輸電機速度、狀態(tài)等信息，通過通信接口和上位機進行通訊。

TMS320LF2812 DSP是TMS320行x28x系列DSP控制器中面向高性能、高精度應(yīng)用的產(chǎn)品。本系統(tǒng)中，DSP負責(zé)判斷轉(zhuǎn)子位置信息，實時計算轉(zhuǎn)速，把那個綜合各種保護信號和給定信息以及轉(zhuǎn)速情況，給出相通斷信號，實現(xiàn)數(shù)字PI調(diào)節(jié)并產(chǎn)生頻率固定、占空比變化的PWM信號，作為功率開關(guān)的驅(qū)動信號。

四、基于DSP的開關(guān)磁阻電機控制器軟件設(shè)計

4.1系統(tǒng)控制方案的確定

給定速度經(jīng)過一個電位器組成的分壓電路給定，實際速度是由位置傳感器電流檢測，經(jīng)過濾波、隔離和整形后，通過DSP的捕獲單元輸入。DSP利用PID控制算法通過比較單元和脈寬調(diào)制電路輸出PWM信號，PWM控制信號經(jīng)過隔離放大輸入給驅(qū)動模塊，在由驅(qū)動模塊輸出的信號控制功率開關(guān)相開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，實現(xiàn)SRD的閉環(huán)調(diào)速控制。

4.2系統(tǒng)工作原理

控制原理是對過程變量進行采樣，數(shù)據(jù)處理以及根據(jù)指定的算法和控制方案進行計算和輸出。采用DSP數(shù)字PI調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)SRM的閉環(huán)控制。在啟動時，DSP檢測SR電動機轉(zhuǎn)子初始位置，根據(jù)檢測到的位置信號，給相應(yīng)的相繞組發(fā)出觸發(fā)信號，電動機聲速運行。SR運行，在升速運行階段，利用電壓斬波控制方式，速度外環(huán)反饋的速度與給定值產(chǎn)生偏差，通過速度控制生成電流參考值。轉(zhuǎn)速達到一定值時，SR電動機運行進入速度保持階段，電流維持一恒定值不變。SR電動機減速運行時，采用斬波控制與制動運行相結(jié)合的方式，克服SR電動機的轉(zhuǎn)矩脈動。

4.3主程序設(shè)計

主程序主要完成系統(tǒng)的初始化、初始狀態(tài)的判斷以及起動、運行子程序的調(diào)用。初始化包括TMS320LF2812內(nèi)部各寄存器及變量的初始化，事件管理器和通訊顯示模塊及中斷命令初始化，QEP中斷觸發(fā)方式，禁止全部中斷，并關(guān)閉所有的相輸出信號等。根據(jù)接收的指令確定系統(tǒng)的運行模式、維護系統(tǒng)正常運行、通訊和顯示等工作。

4.4定時器中斷程序設(shè)計

定時器中斷程序主要是實現(xiàn)電壓斬波、換相和速度控制。電壓斬波控制在定時器3中斷中實現(xiàn)，PWM頻率設(shè)置為25Hkz；PWM初始占空比為100%，以使對通電相通電瞬間相電流能快速上升；電流檢測每40us一次，頻率為25Hkz與PWM同頻。此部分程序在定時器3中斷中實現(xiàn)。程序根據(jù)采樣的速度和電流信息改變比較寄存器的比較值，從而改變占空比，實現(xiàn)電壓斬波的目的。

4.5通訊程序設(shè)計

通訊程序主要采用查詢方式，通過CAN總線或者RS-485總線的接收數(shù)據(jù)，并根據(jù)程序要求設(shè)定相應(yīng)的標志位，并根據(jù)相應(yīng)的標志位對所接收的數(shù)據(jù)進行請求處理后，做出相應(yīng)的反應(yīng)或者動作。電動執(zhí)行器要傳送的數(shù)據(jù)有閥門的實際開度和各種參數(shù)，故障報警時的數(shù)據(jù)等，在上位機向電動執(zhí)行器發(fā)出請求數(shù)據(jù)要求且電動執(zhí)行器收到數(shù)據(jù)時，電動執(zhí)行器將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)打包發(fā)送給上位計算機。當(dāng)現(xiàn)場出現(xiàn)故障時，電動執(zhí)行器則不等上位計算機發(fā)出請求數(shù)據(jù)要求，就將故障數(shù)據(jù)發(fā)送。電動執(zhí)行器可以接收來自上位機的控制信息，進行相應(yīng)的動作。

五、結(jié)論

5.1總結(jié)

本次設(shè)計采用國內(nèi)油田最新節(jié)能技術(shù)，改變了傳統(tǒng)采油機構(gòu)的控制機理和結(jié)構(gòu)，引入了開關(guān)磁阻電動機，利用軟件控制算法和硬件反饋電路相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了電動執(zhí)行機構(gòu)的數(shù)字化智能控制。開關(guān)磁阻電機具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固、工作可靠、效率高、并且其構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)SRD具有運行性能和經(jīng)濟指標好等突出優(yōu)點?？刂破鞑捎脭?shù)字信號處理器TMS320LF2812 DSP，TMS320LF2812 DSP是TMS320x28x系列DSP控制器中面向高性能、高精度應(yīng)用的產(chǎn)品，該器件上集成了多種先進的外設(shè)，為電機及其他運動控制領(lǐng)域應(yīng)用的實現(xiàn)提供了良好的平臺。同時代碼和指令與F24x系列數(shù)字信號處理器完全兼容，從而保證了項目或產(chǎn)品設(shè)計的可延續(xù)性。F281x系列數(shù)字信號處理器具有較高的運算精度和較高的處理能力。此次設(shè)計中，以TI公司的TMS320F2812數(shù)字信號處理器為主構(gòu)建的開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)，通過位置檢測器對電機轉(zhuǎn)動圈數(shù)進行采集，通過DSPTMS320F2812的QEP模塊進行接受，再算出此時轉(zhuǎn)子位置及速度，輸出下一相的對應(yīng)信號，從而實現(xiàn)開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)動，還可以根據(jù)轉(zhuǎn)子位置判斷和控制電機轉(zhuǎn)動的方向。經(jīng)檢驗，該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)輸入、位置隨動、故障檢測以及位置輸出等方面，達到了設(shè)計的目標，軟硬件設(shè)計和實現(xiàn)是可行的。

5.2發(fā)展展望

在石油行業(yè)引入該先進技術(shù)，會使油田節(jié)能采油機傳動系統(tǒng)具有較好的運行效果，特別實現(xiàn)低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩，在各種工況條件下均會有良好的節(jié)電效果。及時調(diào)整抽油機的沖次，實現(xiàn)沖次的無級調(diào)速，使抽油機工作隨時處在最佳運行狀態(tài)。很好的實現(xiàn)了油田企業(yè)的節(jié)能降耗。

作為一種新型調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，開關(guān)磁阻電機以其結(jié)構(gòu)簡單、低成本、高效率、優(yōu)良的調(diào)速性能和靈活的可控性，愈來愈得到人們的認可和應(yīng)用。目前已成功應(yīng)用于在電動車用驅(qū)動系統(tǒng)、家用電器、工業(yè)應(yīng)用、伺服系統(tǒng)、高速驅(qū)動、航空航天等眾多領(lǐng)域中，成為交流電機調(diào)速系統(tǒng)、直流電機調(diào)速系統(tǒng)和無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的強有力競爭者。

在提倡節(jié)能降耗的今天，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，電機控制技術(shù)和電動執(zhí)行器控制算法的不斷成熟，以及電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，基于DSP的開關(guān)磁阻電機的調(diào)速控制系統(tǒng)必然會得到更進一步的發(fā)展。

參考文獻

[1]王曉明.電動機的單片機控制.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002

[2]吳守箴.藏英杰.電氣傳動的脈寬調(diào)制技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，1998

[3]陳國呈.新型電力電子變換技術(shù).北京：中國電力出版社，2004

[4]戴文進等.特種交流電機及其計算機控制與仿真.北京：機械工業(yè)出版社，2002

[5]吳寧.微型計算機原理及應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2002

[6]馮建華.趙亮.單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與產(chǎn)品開發(fā).北京：人民郵電出版社，2004

[7]王幸之等.8051/8098單片機原理及接口技術(shù).北京：兵器工業(yè)出版社，1998

[8]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng).北京：機械工業(yè)出版社，2005

[9]范正翹.電力傳動與自動控制系統(tǒng).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003

[10]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，2000

[11]謝寶昌.電機的DSP控制技術(shù)及其應(yīng)用.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005

[12]張雄偉.DSP芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2000

[13]孫建忠.特種電機及其控制. 北京：中國水利水電出版社，2005

[14]李忠娟.DSP在電機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.電機技術(shù)，2003（1）

[15]彭軍.無刷直流伺服電機的DSP控制.電機技術(shù)，2005（3）

[16]周有為，劉和平.DSP在電機控制中的應(yīng)用.微特電機，2005（4）