一种抽油机用高效开关磁阻电机控制装置的制作方法

本发明属于油田抽油机电气传动及控制设备，特别是涉及一种抽油机用高效开关磁阻电机控制装置。

背景技术：

目前，在石油开采过程中，抽油机的动力主要采用以下两种方案：一是交流异步电动机，电机工作效率低，在控制方法上，没有采用机井出油流量-冲次闭环控制，电机的工作状况与机井流量无关，长期全速运行能量损耗大；二是采用单片机作为控制器对抽油机用开关磁电机进行控制，但控制精度和效率低，无法精确实时检测抽油机工况和机井流量的实际工况，直接影响经济效益和设备寿命。

技术实现要素：

针对以上不足，本发明的目的是提供一种抽油机用高效开关磁阻电机控制装置，该装置采用DSP控制器，可以使控制对象-开关磁阻电机的工况实时随抽油机流量的变化而变化，及时调节转速，改变抽油机的冲次，使抽油机控制系统更加精准，更加高效节能，功能更加强大，可靠性更高。

实现本发明目的采用的技术方案是：

高效节能的抽油机控制装置包括：

一DSP控制器，用以存储抽油机转矩曲线数据和相关计算，采集流量、电压电流和转速信息，产生控制开关磁阻电机电压、电流、转速、转矩以及开通角开通角θ_on和关断角θ_off的驱动信号；

一与DSP控制器电连接的FPGA逻辑信号处理器，用以对控制信号、故障信号、通讯信号等进行逻辑处理，同时对相关信号进行数字信号滤波；

一与FPGA逻辑信号处理器电连接的MCU控制显示面板，用以对整机进行面板控制以及与DSP控制器进行相关的数据交互，同时将整个设备的关键数据显示在显示屏上；

一与DSP控制器电连接的采样电路，用以采集功率变换电路和开关磁阻电机的电压、电流、温度信号，以及通过流量检测器检测到的抽油机的流量信号；

一流量检测器，安装在抽油机进油管上并与采样电路电连接，用以检测抽油机井石油流量；

一与FPGA逻辑信号处理器电连接的逻辑变换电路，将从采样电路和驱动电路等传来的信号进行逻辑处理，变成FPGA逻辑信号处理器能够识别的数字信号，用于对整个系统运行的故障和状态采集；

一与FPGA逻辑信号处理器电连接的驱动器，用以将从DSP控制器输出经过FPGA逻辑信号处理器处理的PWM脉冲变成满足功率器件驱动要求的脉冲；

一与驱动器电连接的功率变换电路，用以将驱动器的脉冲进行功率放大，以便驱动开关磁阻电机；

一与功率变换电路电连接的开关磁阻电机，用以将电能转换为机械能；

一抽油机：在开关磁阻电机拖动下抽取井下石油；

旋转编码器：其输入端与开关磁阻电机电连接，输出端与编码信号处理电路电连接，用以产生位置脉冲，此脉冲作为控制开关磁阻电机时的开通角θ_on和关断角θ_off同步脉冲，同时通过些脉冲检测开关磁阻电机的运行速度进行速度闭环；

一与旋转编码器电连接的编码信号处理电路，用以处理旋转编码器发出的编码信号，并将处理后的信号传递给FPGA逻辑信号处理器。

本发明还可以在上述技术方案的基础上，增加了外部数据交互电路，整个系统同外部设备进行数据传输通过外部数据交互电路实现，外部数据交互电路与MCU控制显示面板电连接，当MCU控制显示面板对整个系统的数据采集和统计完成之后，可以通过外部数据交互电路将数据传输到计算机或云端进行数据统合统计和处理，从而实现对整个油田所有设备的监控。

本发明的优点和积极效果在实际应用中充分体现在：

1.将抽油机流量、开关磁阻电机及控制装置视为一个完整系统，进行整体设计，参数调整，实现基于流量——冲次的闭环控制，达到系统工况随机井流量变化而变化，提高抽油机工作效率，节约电能。

2.开关磁阻电机在全速下，通过对电压、电流、速度以及石油的流量的信号采集，计算出最优的电流、速度给定值以及最优开通角θ_on和关断角θ_off给定值，通过闭环控制获取最大平均转矩，提高开关磁阻电机的带负载能力，充分利用输入电能。

3.DSP控制器根据开关磁阻电机的电流和速度反馈调节开通角θ_on和关断角θ_off，转速增加，电流变大，负载功率变大，开通角θ_on就提前，反之则延后。由于关断角θ_off对系统功率和转速影响有限，所以针对关断角θ_off我们仅仅只做一些微调。

4.该控制装置通过开关磁阻电机的转子信号组成速度负反馈控制，采集的流量信号经DSP控制器线性处理后作为系统的速度给定信号，通过开关磁阻电机的相电流组成电流负反馈控制，使整个系统形成一个完整的闭环，提高传动系统的机械特性，有益于提高系统效率。

以下结合附图进一步说明本发明的技术方案。

附图说明

图1是本发明的原理框图。

图2是本发明中采样电路图。

图3是本发明中逻辑变换电路图。

图4是本发明中驱动电路图。

图5是本发明中开关磁阻电机的功率变换电路图。

图6是本发明中系统控制框图。

图7是本发明低速和低功率运行时的功率器件(如IGBT)驱动脉冲波形图。

图8是本发明高速和高功率运行时的功率器件(如IGBT)驱动脉冲波形图。

具体实施方式

本发明装置是基于流量——冲次闭环抽油机SR电动机控制系统。它的实现方法很多，模拟的和数字的都能实现，现针对四相12/8极的开关磁阻电动机为控制对象，用一个数字控制的实施例来说明。

如图1所示，本装置包括DSP控制器1、采样电路2、流量检测器3、逻辑变换电路4、MCU控制显示面板5、FPGA逻辑信号处理器6、驱动器7、功率变换电路8、开关磁阻电机9、抽油机10、外部数据交互设备11、编码信号处理电路12和旋转编码器13。

DSP控制器1用以存储抽油机控制参数和进行相关计算，DSP选用C2000系列数字信号处理器的TMS320F28335，它是一个由数字部件和模拟部件混合的微型控制器，Harvard结构内核，有4M×16位的程序存储空间和4M×16数据存储空间，片上有 256K×16 位的 FLASH，频率可用到150MHz；16路AD采样通道，12路ePWM输出，6路32位Ecap/eQEP输入，6个DMA通道，1个I2C，3个SCI，3个SPI，2个Ecan。因此，选用该DSP可以很好的完成位置、转速、流量检测和转速电流的闭环控制。在AD采样通道中，ADCINA0、ADCINA1、ADCINA2采集开关磁阻电机9的相电流，ADCINA3采集功率变换电路8的输入母线电压，ADCINA4采集功率变换电路8的功率管的温度信号，ADCINA5采集开关磁阻电机9内部线包的温度信号，ADCINA6采集抽油机的流量信号。ePWM控制输出口由Epwm1A、Epwm1B、Epwm2A、Epwm2B、Epwm3A、Epwm3B提供，用于驱动功率变换电路8以实现对开关磁阻电机9的控制。Ecap/eQEP编码信号采集通道主要由ECAP1、ECAP2、ECAP3提供，用于采集开关磁阻电机9转子位置和速度信号。DMA通道用来对AD采集和通讯进行硬件信号处理，以加快数据的处理速度。其余通讯接口的所有接口都和FPGA逻辑信号处理器相连接，以实现对外围通讯以及存储接口的连接，进而进行数据存储和数据通讯。在抽油机上冲次阶段，DSP控制器1控制开关磁阻电机9工作在电动状态，向抽油机提供上升动能；在下冲次阶段，DSP控制器1控制开关磁阻电机9工作在制动状态，将抽油机上降的势能转化为电动回馈到母线中。

FPGA逻辑信号处理器6与DSP控制器1电连接，用以对控制信号、故障信号、通讯信号等进行逻辑处理，同时对相关信号进行数字信号滤波。选用Cyclone III系列逻辑芯片EP3C10F256C8N作为FPGA的处理器，它有10320个逻辑单元， 423936位的RAM，182个可能的I/0输入输出口，因完全满足些项目对逻辑信号处理的需求。其中，TMS320F28335的ePWM输出接口Epwm1A、Epwm1B、Epwm2A、Epwm2B、Epwm3A、Epwm3B分别接EP3C10F256C8N的输入接口Epwm1A、Epwm1B、Epwm2A、Epwm2B、Epwm3A、Epwm3B；EP3C10F256C8N的输出接口Epwm1A_Out、Epwm1B_Out、Epwm2A_Out、Epwm2B_Out、Epwm3A_Out、Epwm3B_Out 分别与驱动器的输入接口Epwm1A_Out、Epwm1B_Out、Epwm2A_Out、Epwm2B_Out、Epwm3A_Out、Epwm3B_Out相连接；EP3C10F256C8N的编码信号输出接口ECAP1、ECAP2、ECAP3分别与TMS320F28335输入接口ECAP1、ECAP2、ECAP3相连接；EP3C10F256C8N的编码信号输入接口ECAP1_In、ECAP2_In、ECAP3_In 分别与编码信号处理电路相连接；TMS320F28335的通讯接口I2C、SPI、SCI、Ecan分别与EP3C10F256C8N相应的通讯输入输出接口相连接；EP3C10F256C8N的外部I2C接口I2C_Out与外部存储芯片EEPROM连接；EP3C10F256C8N的外部SCI接口SCI_Out与MCU控制显示面板5的SCI_ In相连接，用于DSP控制器1和控制显示面板5之间的数据传输和协同控制；EP3C10F256C8N的故障输入接口分别与逻辑变换电路处理后相应的开关磁阻电机9的相电流、功率变换电路8的输入母线电压、功率变换电路8的功率管温度、开关磁阻电机9内部线包温度，抽油机的流量信号和功率变换电路8的功率管短路等故障输出接口相连。

MCU控制显示面板5与FPGA逻辑信号处理器6电连接，用以对整机进行面板控制以及与DSP控制器1进行相关的数据交互，同时将整个设备的关键数据显示在显示屏上。选用ST公司的32位ARM微控制芯片STM32F103作为MCU控制显示面板5的控制器。该芯片有多达8个定时器，3个16位定时器，2个I2C接口(支持SMBus/PMBus)，3个USART接口(支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和调制解调控制)，2个SPI接口(18M位/秒)，CAN接口(2.0B主动)，USB 2.0全速接口。其中，STM32F103的I2C接口同数据存储芯片EEPROM相连接，STM32F103的USART0接口同与FPGA逻辑信号处理器6通讯的485通讯接口相连接；STM32F103的USART1与外部设备交互设备11的485通讯接口相连接；STM32F103的CAN通讯接口与外部设备交互设备11的CAN通讯接口相连接；MCU控制显示面板5的以太网接口与外部设备交互设备11的以太网接口相连接；STM32F103的显示输出接口DC、WR、RD、D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、CS、RST分别与显示屏的DC、WR、RD、D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、CS、RST接口相连接；STM32F103的SD卡控制接口SD_DATA2、SD_DATA3、SD_CMD、SD_CLK、SD_DATA0、SD_DATA1分别与MicroSD的控制输入输出接口SD_DATA2、SD_DATA3、SD_CMD、SD_CLK、SD_DATA0、SD_DATA1相连接。

采样电路2与DSP控制器1电连接，用以采集功率变换电路8和开关磁阻电机9的电压、电流、温度信号，以及通过流量检测器检测3到的抽油机10的流量信号。由于所有采样信号都是直流信号，因些采样电路结构都相同，都采用两级放大的采样结构，其电路如图2所示。AD_IN为采样电路经传感器处理后的输出信号，开关磁阻电机9的相电流采样用的是霍尔传感器，功率变换电路8的输入母线电压采用的是电阻分压方式采样，温度的采集采用的是温度传感器，抽油机10的流量信号采用的是流量传感器。传感器输出的AD_IN信号经LF253MX放大电路两级放大，变成最终输入TMS320F28335芯片的采样电压ADCINA。其中，第一级放大采用的负反馈放大电路，第二级采用的是跟随电路。第一级放大输出的AD_For_COMP模拟信号为逻辑变换电路4的输入信号。

逻辑变换电路4与FPGA逻辑信号处理器6电连接，用以将从采样电路2和驱动器7等传来的信号进行逻辑处理，变成FPGA逻辑信号处理器6能够识别的数字信号，用于对整个系统运行的故障和状态采集。逻辑变换电路4接收来自采样电路2的输出模拟信号AD_For_COMP，输入图3所示的比较电路，将模拟信号AD_For_COMP变成数字信号AD_COMP，再将数字信号AD_COMP输入FPGA逻辑信号处理器6进行逻辑处理。采用LM393MX作为

比较电路的主要芯片，其正端接模拟输入信号，负端接参考信号，经过比较后输出0、1逻辑信号。

驱动器7与FPGA逻辑信号处理器6电连接，用以将从DSP控制器1输出经过FPGA逻辑信号处理器6处理的PWM脉冲变成满足功率器件驱动要求的脉冲。其驱动电路如图4所示，驱动器7由于有三组六路驱动，因此，它包含三个相同的以下驱动电路。驱动电路的INA和INB为FPGA逻辑信号处理器6输出的同一桥臂的一组PWM驱动脉冲，经74HC04两级反相和增加驱动电压后送到驱动控制芯片2SC0108的驱动输入口，2SC0108对驱动进行功率放大和信号隔离后用于驱动功率变换电路8，其输出接口C1、G1、E1接一相桥臂功率管上管的集电极、基极、发射极，C2、G2、E2接一相桥臂功率管下管的集电极、基极、发射极。SO1、SO2为上下驱动的故障输出信号。

功率变换电路8与驱动器7电连接，用以将驱动器7的脉冲进行功率放大，以便驱动开关磁阻电机9。功率变换电路8的电路图如图5所示。三相交流电U、V、W经全桥整流REC整流成直流电后向功率变换电路8提供直流电源，驱动器7的三相基级输出接口G1和G2分别接功率变换电路8的基极输入接口TA1、TA2、TB1、TB2、TC1、TC2，功率变换电路8的三相输出分别接电机的三相输入线圈WA、WB、WC。

开关磁阻电机9与功率变换电路8电连接，用以将电能转换为机械能。

抽油机10在开关磁阻电机9拖动下抽取井下石油。

旋转编码器13，选用光电编码盘，其输入端与开关磁阻电机9定子连接，输出端与编码信号处理电路12电连接，用以产生位置脉冲，此脉冲作为控制开关磁阻电机9时的开通角θ_on和关断角θ_off同步脉冲，同时通过些脉冲检测开关磁阻电机9的运行速度进行速度闭环。

编码信号处理电路12与旋转编码器13电连接的，用以处理旋转编码器13发出的编码信号，并将处理后的信号传递给FPGA逻辑信号处理器6：

本装置的具体工作情况如下：

根据图1，DSP控制器1初始化时，存入抽油机控制、逻辑和故障参数，这些参数是根据现场抽油机的工况和负载的功率大小进行设定。DSP控制器1控制开关磁阻电机9起动时，首先执行一段软起动程序，使开关磁阻电机9缓慢起动而不会对系统造成冲击。系统起动完毕后自动进入流量——冲次闭环控制。

在运行过程中，旋转编码器13产生三相相互差120°方波位置脉冲，此脉冲作为开通角θ_on和关断角θ_off的同步脉冲，同时作为速度反馈信号进行速度闭环。

采样电路2采集功率变换电路8的母线输入电压、开关磁阻电机9的三相线圈电流和抽油机的流量信号，然后送入DSP控制器1进行数字采样。DSP控制器1根据采集到的信号进行速度前馈给定及负载电流、转矩和转速的闭环控制。

DSP控制器1是本发明装置核心控制单元，它采集流量检测器3输出的流量信号、功率变换电路8的母线输入电压、开关磁阻电机9的三相线圈电流和编码信号处理电路12输出编码信号。DSP控制器1将采集到的编码信号送入位置估计器和速度计算器。送入位置估计器的信号用来进行转子位置判定，同时将处理后的信号送入开关角度调节器；送入速度计算器的信号用来进行开关磁阻电机9的转速计算，同时将计算出的转速作为系统的速度反馈信号。DSP控制器1将采集到开关磁阻电机9的三相线圈电流进行滤波处理后一路送入开关角度调节器，另一路作为整个系统的电流反馈。DSP控制器1将采集到的流量信号送入给定转速计算器中计算出给定转速，然后将给定转速作为整个系统的速度给定信号。将计算得到的给定转速和反馈速度相减送到PI速度/转矩控制器中进行数据处理，处理后的信号作为系统电流给定信号。然后将电流给定和电流反馈信号相减后送入PI电流调节器，得到最终的ePWM输出信号对电机进行电流和转速控制。送入开关角度调节器的位置和电流信号经处理后生成开通角θ_on和关断角θ_off信号，用于调整电机的输出功率和转矩。通过以上闭环进一步实现流量——冲次控制。系统闭环控制系统框图如图6所示。