CN101876243B - 一种抽油系统的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抽油系统的控制系统，包括位于井下的伺服电机、电机控制模块和采集电机运行信息的传感器；还包括位于地面上的电源模块和地面控制模块；所述电源模块将地面上的三相交流电转换为直流电输入到井下的电机控制模块；所述地面控制模块与所述电机控制模块通信，将用户指令和设定的参数发送给电机控制模块；所述电机控制模块接收所述地面控制模块发送来的指令和参数及传感器发送来信息，控制伺服电机工作。本发明避免了交流电在长距离的传输过程当中能量的大量损耗，节约了用电，并且，提高了传动效率、降低了设备成本。

Description

一种抽油系统的控制系统

技术领域

本发明涉及一种控制系统，尤其是一种应用于井下抽油系统的控制系统。 

背景技术

目前我国和世界其它产油国家，油田上都广泛使用潜油电机来驱动潜油电泵来汲取原油，传统的潜油电泵系统，其动力源主要是二极三相异步电动机，现有的采油系统在采油工艺配套中存在如下问题： 

一是与离心潜油泵配套时因电机转速低于同步转速，电机效率和功率因数偏低。 

二是与潜油螺杆泵配套上时，转速过高很难经过转速器将速度降低到与螺杆泵相适应的转速，即使采用减速器也大大的提高了采油成本和降低了系统的效率，若采用变频调速装置，使电机长期处于低频工作状态又容易引起电机的温升加快，引起电机故障。系统不能实现灵活控制，效率低。 

三是传统的潜油电泵系统即使采用变频控制，其电机控制柜往往置于地面，交流电在传输至电机时由于是远距离传输，能量损耗严重，进一步降低了系统的效率。 

随着新技术的发展，伺服技术的逐渐成熟，伺服潜油抽油系统成为潜油抽油系统的一种发展趋势。公开号为CN228745Y的文献提出了一种稀土永磁潜油电动机，但它总得来说只是在原有异步潜油电机的基础上通过在转子上嵌入永磁体来改善同步转速的问题，局限于电机本体，没有解决转速可调的问题，并且在低速场合的应用仍然很困难，效率也不是很高。公开号为CN2627715Y的文献也公开了一中稀土永磁同步潜油电机，不足之处依然是在其节能以及速度调节上的缺乏。虽然结合变频控制器使用仍然存在节能率低的问题。 

另外，由于潜油电机基本是在井下几百到几千米的井下，而现有的潜油电机通常使用交流电机，潜油电机使用的三相交流电源将从地面传输到井下几百到几千米的地方，因此，电能在传输上损耗非常大。而现有的控制系统无法解决该问题。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提供一种抽油系统的控制系统，使抽油系统的节能性、可控性好，电动机的调速范围大，功率因数高，从而实现油井的柔性生产。 

本发明所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的： 

一种抽油系统的控制系统，包括位于井下的伺服电机、电机控制模块和采集电机运行信息的传感器；还包括位于地面上的电源模块和地面控制模块；所述电源模块将地面上的三相交流电转换为直流电输入到井下的电机控制模块；所述地面控制模块与所述电机控制模块通信，将用户指令和设定的参数发送给电机控制模块；所述电机控制模块接收所述地面控制模块发送来的指令和参数及传感器发送来信息，控制伺服电机工作；电源模块和地面控制模块、伺服电机和电机控制模块构成潜油伺服系统的伺服动力系统；其中，所述传感器为伺服电机的电机轴上设有的位置检测装置，位置检测装置将检测到的位置信号输出给伺服控制器，伺服控制器控制伺服电机的运转；所述位置检测装置为磁电式传感器；所述磁钢环、导磁环和磁感应元件为两套；所述磁钢环为多对极。 

其中，所述磁电式传感器的具体结构如下：包括传感器本体、不锈钢罩、密封装置和外壳； 

所述传感器本体包括磁钢环、导磁环和磁感应元件；所述导磁环设置在不锈钢罩的外壁上，由两段或多段同半径、同圆心的弧段构成，相邻两弧段留有缝隙；所述磁感应元件置于该缝隙内；所述磁钢环设置在不锈钢罩的内腔中，固定在电机转轴上；不锈钢罩外部通过密封装置与外壳密封并固定；当磁钢环与导磁环发生相对旋转运动时，所述磁感应元件将感测到的磁信号转换为电压信号，并将该电压信号传输给相应的信号处理装置。 

优选地，所述地面控制模块包括地面处理单元、电源检测单元、地面通信单元和人机交互界面；所述人机交互界面用于提供用户设定指令和参数，并进行相关显示；所述电源检测单元用于检测所述电源模块是否正常，并将检测结果发送给所述地面处理单元；所述通信单元用于与井下电机控制模块通信。 

优选地，所述电机控制模块包括井下处理单元、电机驱动单元和井下通信单元； 

所述井下通信单元与地面通信单元相连接，用于接收地面通信单元发送的指令和参数并传递给井下处理单元； 

所述井下处理单元接收传感器发送来的关于电机运行的信息，根据用户的指令和设定的参数及传感器发送来的信息，生成相应的控制信号给电机驱动单元； 

所述电机驱动单元根据该控制信号，将直流电转换成三相电驱动所述伺服电机运行。 

上述磁电式传感器还包括信号处理电路，所述信号处理电路包括： 

A/D转换模块，对磁电式传感器中磁感应元件发送来的电压信号进行A/D转换，将模拟信号转换为数字信号； 

合成模块，对磁电式传感器发送来的经过A/D转换的多个电压信号进行取舍，得到基准信号D； 

角度获取模块，根据该基准信号D，在角度存储表中选择与其相对的角度作为偏移角度θ；以及 

存储模块，用于存储处理过程中的数据和角度存储表。 

所述磁电式传感器的具体结构还可以为如下的结构：包括传感器本体、不锈钢罩、密封装置和外壳， 

所述传感器本体包括磁钢环，所述磁钢环包括第一磁钢环、第二磁钢环； 

其中，所述第一磁钢环和第二磁钢环分别固定在电机轴上，设置在不锈钢罩的内腔中，所述第一磁钢环被均匀地磁化为N［N<=2ⁿ(n=0，1，2…n)］对磁极，并且相邻两极的极性相反；所述第二磁钢环的磁极总数为N，其磁序按照特定磁序算法确定； 

在不锈钢罩上，对应于第一磁钢环，以第一磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设有m(m为2或3的整数倍)个呈一定角度分布的磁感应元件；对应于第二磁钢环，以第二磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设有n(n=0，1，2…n)个呈一定角度分布的磁感应元件；磁感应元件设置在不锈钢罩的外壁上； 

不锈钢罩外部通过密封装置与外壳密封并固定； 

当磁钢环旋转运动时，所述磁感应元件将感测到的磁信号转变为电压信号，并将该电压信号输出给信号处理装置。 

优选地，对应于所述的第二磁钢环的相邻两个磁感应元件之间的夹角为360°/N。 

优选地，对应于所述的第一磁钢环相邻两个磁感应元件之间的夹角，当m为2或4时，每相邻两个磁感应元件之间的夹角为90°/N，当m为3时，每相邻两个磁感应元件之间的夹角为120°/N；当m为6时，每相邻两个磁感应元件之间的夹角为60°/N。 

所述磁电式传感器的具体结构还可以为如下的结构：即包括传感器本体、不锈钢罩、密封装置和外壳， 

所述传感器本体包括磁钢环，所述磁钢环包括第一磁钢环、第二磁钢环； 

其中，所述第一磁钢环和第二磁钢环分别固定在电机轴上，设置在不锈钢罩的内腔中，对应于第二磁钢环，以第二磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设有n(n=1，2…n)个均匀分布的磁感应元件，所述第二磁钢环的磁极磁化顺序使得n个磁感应元件输出呈格雷码格式，相邻两个输出只有一位变化； 

在不锈钢罩上，对应于第一磁钢环，以第一磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设有m(m为2或3的整数倍)个呈一定角度分布的磁感应元件，所述第一磁钢环的磁极总对数与第二磁钢环的磁极总数相等，并且相邻两极的极性相反；磁感应元件设置在不锈钢罩的外壁上； 

不锈钢罩外部通过密封装置与外壳密封并固定； 

当磁钢环旋转运动时，所述磁感应元件将感测到的磁信号转变为电压信号，并将该电压信号输出给一信号处理装置。 

优选地，对应于第一磁钢环的相邻两个磁感应元件之间的夹角，当m为2或4时，该夹角为90°/g；当m为3时，该夹角为120°/g；当m为6时，该夹角为60°/g，其中，g为第二磁钢环的磁极总数。 

前述两种磁电式传感器还包括信号处理电路，所述信号处理电路包括： 

A/D转换模块，对磁电式传感器发送来的电压信号进行A/D转换，将模拟信号转换为数字信号； 

相对偏移角度θ₁计算模块，用于计算磁电式传感器中对应于第一磁钢环的磁感应元件发送来的第一电压信号在所处信号周期内的相对偏移量θ₁； 

绝对偏移量θ₂计算模块，根据磁电式传感器中对应于第二磁钢环的磁感应元件发送来的第二电压信号，通过计算来确定第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量θ₂； 

角度合成及输出模块，用于将上述相对偏移量θ₁和绝对偏移量θ₂相加，合成所述第一电压信号所代表的在该时刻的旋转角度θ；和 

存储模块，用于存储处理过程中的数据。 

优选地，前述两种信号处理电路还包括信号放大模块，用于在A/D转换模块进行A/D转换之前，对来自于磁电式传感器的电压信号进行放大。 

优选地，所述相对偏移角度θ₁计算模块包括第一合成单元和第一角度获取单元，所述第一合成单元对磁电式传感器发送来的经过A/D转换的多个电压信号进行取舍， 得到一基准信号D；所述第一角度获取单元根据该基准信号D，在第一角度存储表中选择一与其相对的角度作为偏移角度θ₁。 

优选地，所述相对偏移角度θ₁计算模块还包括温度补偿单元，用于消除温度对磁电式传感器发送来的电压信号的影响。 

优选地，所述第一合成单元在输出基准信号D的同时输出一基准信号R，此时，所述温度补偿单元包括系数矫正器和乘法器，所述系数矫正器根据基准信号R在一修正表中得到与其对应的标准状态下的信号R₀，比较信号R和号R₀得到一输出信号K，所述乘法器为多个，每一所述乘法器将经过A/D转换的、磁电式传感器发送来的一个电压信号与所述系数矫正单元输出的信号K相乘，将相乘后的结果输出给第一合成单元。 

优选地，所述绝对偏移量θ₂计算模块包括第二合成单元和第二角度获取单元，所述第二合成单元用于对对应于第二磁钢环的磁电式传感器发送来的第二电压信号进行译码，得到一信号E；所述第二角度获取单元根据该信号E在第二角度存储表中选择一与其相对的角度作为第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量θ₂。 

优选地，所述井下处理单元包括电机控制子单元和信号处理子单元，所述信号处理子单元接收所述磁电式传感器发送来的信息，并将该信息处理成电机的旋转角度。 

优选地，所述电机控制子单元包括机械环控制子单元、电流环控制子单元和PWM控制信号产生子单元； 

所述机械环控制子单元根据接收到的指令信号和电机轴的旋转角度，经过运算得到电流指令，并输出给所述的电流环控制子单元； 

所述电流环控制子单元根据接收到的电流指令的电流传感器输出的电流信号，经过运算得到三相电压的占空比控制信号，并输出给所述的PWM控制信号产生子单元； 

所述PWM控制信号产生子单元根据接收到的三相电压的占空比控制信号，生成具有一定顺序的六路PWM信号，分别作用于电机驱动单元。 

优选地，所述电机驱动单元为IPM模块。 

优选地，所述伺服电机为永磁同步伺服电机。 

综上所述，本发明具有如下优点： 

1、系统采用永磁同步伺服电机，伺服电机本身就有效率高的优点。永磁同步电机的磁钢环由永磁体励磁，出功大，功率密度高，使得电机转速等于同步转速，功率因数高，节能率高，更省电。 

2、伺服系统可以实现电机的灵活调速，满足多种应用场合。尤其在低速场合目前的潜油系统很难实现，中间不得不另加减速器，而采用伺服系统则可以根据实际的需要调整转速。 

3、油田的出油情况处于变化当中，或者根据生产的需要，需要油井的产油量发生变化，采用伺服抽油系统可以根据油井的出油情况灵活的调整潜油电泵机组的出油量，实现柔性化生产。 

4、潜油伺服系统采用双控制箱形式，电机主要控制箱置于井下信号传输线路短，衰减小，实现了控制系统对电机的有效控制，信号传递干扰少。地面控制箱用于实现交流到直流的转换，以及地面同井下控制箱的通信。通过地面控制箱可以了解井下的情况和电机的运行情况，实现对井下控制器参数的灵活修改，增强了系统的灵活性，减少了作业成本。 

5、控制箱的供电由地面交流变直流装置，直接把交流电转换为直流电，然后同电缆进入井下的控制箱，避免了交流电在长距离的传输过程当中能量的大量损耗，节约了用电。 

6、在螺杆泵等速度要求低速的场合，伺服系统可以实现与之相适应的低速，从而省去中间的减速结构，提高了传动效率的同时，也降低了设备成本。 

7、过载能力强，一般来说，短时间可以达到三倍过载，在抽油机启动时可以提供大转矩，并与软启动结合，解决以往抽油机电机“大马拉小车”问题，降低抽油机选配电机的功率。 

8、潜油抽油伺服系统充分利用原有潜油抽油系统的工艺和结构，在提升自己性能的同时，实现了操作简单，模块化设计。 

附图说明

图1是潜油伺服抽油系统安装示意图； 

图2是潜油伺服系统的一种连接图； 

图3是伺服电机的另一种走线图； 

图4是潜油伺服系统的框架示意图； 

图5是地面控制模块的框架示意图； 

图6是电机控制模块的框架示意图； 

图7是井下处理单元伺服控制的实现示意图； 

图8为井下处理单元的结构原理图； 

图9是机械环的框图； 

图10是只有速度环的情况下的机械环的框图； 

图11是电流环的框图； 

图12是PWM信号产生模块的框图； 

图13是IPM原理图； 

图14是另一井下处理单元控制结构原理图； 

图15是磁电式传感器在伺服电机上的整体安装结构示意图； 

图16是磁电式传感器安装结构的立体分解示意图； 

图17是磁电式传感器中的磁钢环的示意图； 

图18A与图18B是以两个磁感应元件的方案为例解释磁感应元件与导磁环的布置的示意图； 

图19是根据本发明的第一实施例的安装有两个磁感应元件的磁电式传感器方案的分解示意图； 

图20是根据本发明的第一实施例的安装有两个磁感应元件的磁电式传感器方案的信号处理装置的框图； 

图21是根据本发明的第一实施例的安装有三个磁感应元件的磁电式传感器方案的分解示意图； 

图22是根据本发明的第一实施例的安装有三个磁感应元件的磁电式传感器方案的信号处理装置的框图； 

图23A到图23D是本发明的导磁环的倒角设计。 

图24是根据本发明的第二实施例的磁电式传感器方案的关键部件的分解立体图； 

图25是根据本发明的第二实施例的磁电式传感器方案的安装示意图； 

图26是第二实施例中的与第一磁钢环对应的两个磁感应元件的布置示意图； 

图27是第二实施例中的第一磁钢环均匀磁化为六对极时磁感应元件的布置示意图； 

图28是第二实施例中的第二磁钢环所对应的磁感应元件个数为三个时所得到的编码； 

图29是第二实施例中的第二磁钢环的充磁顺序； 

图30是第二实施例中的第二磁钢环所对应的磁感应元件布置示意图； 

图31-图34是第二实施例的磁电式传感器信号处理流程图； 

图35是本实施例的磁电式传感器的一个信号处理装置的框图； 

图36是磁感应元件采用表贴式安装的磁电式传感器的结构示意图； 

图37是根据第三实施例的磁电式传感器的分解立体图。 

具体实施方式

以下结合附图具体描述本发明的实施例，以使本领域的技术人员更加明白和容易实现本发明。 

图1是潜油伺服抽油系统安装示意图。潜油电泵机组一般置于井下2000多米处，整个伺服潜油电泵机组主要由地面控制箱2、潜油电泵6、分离器11、保护器7、伺服电机8、井下伺服控制箱10、潜油电缆12和地面电缆1等组成，各个部分通过相关的法兰等连接件连接。其它附图标记表示分别为：油管3、套管4、出口接头5、高压穿线密封装置9、井口装置13、止回阀14、泄流阀15、电缆保护罩16、控制箱转接件17和电机尾部18。图1中伺服电机8和井下伺服控制箱10是潜油伺服抽油系统的伺服核心模块，伺服电机8是潜油伺服抽油系统的动力拖动源，井下伺服控制箱10内的伺服控制器则是整个潜油伺服抽油系统的控制核心。地面控制箱2、伺服电机8和井下伺服控制箱10构成了潜油伺服系统的伺服动力系统。其中，伺服电机8的电机轴上设有磁电式传感器，磁电式传感器将检测到的位置信号输出给伺服控制器，伺服控制器控制伺服电机8的运转；磁电式传感器通过密封装置固定在伺服控制器上。优选地，潜油电泵6和保护器7之间还可以设有油气分离器11。 

传统的潜油异步机系统，三相交流电经过地面控制柜后，直接进入潜油异步电机，使得电机转动，潜油电机的转动通过电机保护器和分离器，将动力传至电泵带动电泵汲取原油。 

在潜油伺服系统中，地面控制箱2的作用与传统不同，其主要负责将外接的三相电流转换为直流电输送给井下控制箱中的伺服控制器，同时也实现地面同井下伺服控制器的通信，通过地面控制箱2可以对电机控制模块的控制参数进行修改，从而起到控制伺服电机8的目的。地面控制箱2与井下控制箱靠地面电缆1、潜油电缆12以及电机内的导线连通。 

井下伺服控制器根据用户设定的要求，发出信号，实现电机的转动，从而带动潜 油电泵6抽油，伺服控制器通过磁电式传感器反馈电机的转速、位置等信号实现对电机的闭环控制，同时也可以感知压力传感器等其它传感器的反馈信号对系统的运转实现有效调节。 

整个系统由井下伺服控制器控制伺服电机8的运转，由伺服电动机8拖动整个潜油系统。伺服电动机8内部灌有电机油，保护器7用于平衡潜油电机的内外压力，保证电机的密封性，分离器11是把油井生产出的原油和伴生天然气分离开来的一种装置。油气分离器11置于潜油电泵6（离心泵）和保护器7之间,将井液中的游离气体与井液分离,液体送给潜油电泵6,气体释放到油管3和套管4的环形空间，潜油电泵6是抽油装置，将原油输送到地面。在电机尾部18和井下伺服控制箱10之间通过高压穿线密封装置9连接，该密封装置实现了对井下伺服控制箱10的密封和磁电式传感器的安装，同时通过密封装置将控制器和电机导通。 

图2是潜油伺服系统的一种连接图。伺服电机8包括连接法兰26、定子24、磁钢环25、电机尾轴22、引接电缆头20、导线21等；伺服电机8通过连接法兰26与高压穿线密封装置9连接，高压穿线密封装置9包括磁钢环27、磁电式传感器28、磁电式传感器信号线29等。伺服电机8的电机尾轴22上安装有用于产生磁电式传感器28所需正弦磁场的磁钢环27，在井下控制箱10中安装有电流传感器、伺服控制器19，高压密封装置上安装有磁电式传感器28，高压密封装置两侧有导通的导线插头。从图1中可以看到地面电缆1与地面控制箱2连接，再与潜油电缆12连接，潜油电缆12引入伺服电机8内部。如图2所示，在伺服电机8内部，与相应的导线21连接，导线21从电机定子24上的开槽或者壳体上的槽，由电机内部经过高压穿线密封装置9，进入伺服控制器19。潜油电缆12和电机8内的导线传输电机控制模块所需的电流，以及传输井下控制箱10和地面控制箱之间的信号流，达到连通地面控制箱和井下控制箱10的目的。井下控制箱10与地面控制箱是通过潜油电缆12以及通过电机的导线21连通的。 

同时控制器提供给伺服电机的三相电也经由密封装置供给电机的三相绕组，控制电机的运转。密封装置上即电机尾部的磁电式传感器用于反馈电机的速度、位置等信息，其通过密码器线与控制箱连接，因此形成了一个闭环控制系统。提供给井下控制箱电源的是直流电，伺服控制器给电机的交流电经过的路程很短，在减少电磁干扰的同时也减少了损耗。 

在潜油异步机系统中，潜油电缆12的导线往往是3根，在潜油伺服系统中，为 了满足系统需要，电缆中含有导线的根数根据实际情况定的，这其中包含有伺服控制器19所需的动力线和以及用于和地面控制箱实现通信的信号线。图2未对附图标记17、23进行描述。 

图3是伺服电机的另一种走线图。伺服电机8包括连接法兰26、定子24、磁钢环25、电机尾轴22、引接电缆头20等；伺服电机8通过连接法兰26与高压穿线密封装置9连接，高压穿线密封装置9包括磁钢环27、磁电式传感器28、磁电式传感器信号线29等。与图2从伺服电机头部进入电机不同，图3中的潜油电缆12直接引入井下控制箱10，与伺服控制器19连接。也就是说这中情况下通过高压穿线密封装置9的导线只有提供给伺服电机的电流的导线。包含电机控制模块动力线和信号线的电缆被直接引入到井下控制箱。图3未对附图标记17、23进行描述。 

图4是潜油伺服系统的框架示意图。如图4所示，潜油伺服系统包括地面控制模块、电机控制模块、传感器、电源模块和伺服电机。所述伺服电机为永磁同步伺服电机。所述电源模块将地面上的三相交流电转换为直流电输入到井下的电机控制模块；所述地面控制模块与所述电机控制模块通信，将用户指令和设定的参数发送给电机控制模块；所述电机控制模块接收所述地面控制模块发送来的指令和参数及传感器发送来信息，控制伺服电机工作。所述传感器为用于采集电机轴位置信息的磁电式传感器。所述磁电式传感器可以为磁电式传感器。 

图5是地面控制模块的框架示意图。如图5所示，地面控制模块包括地面处理单元、电源检测单元、地面通信单元和人机交互界面，其中，图4中的MCU1可以起到地面处理单元、电源检测单元、地面通信单元的作用。 

所述人机交互界面用于提供用户设定指令和参数，并进行相关显示；其可以实施为多种形式，如一控制面板，通过数码管、LED等进行显示，并通过按钮、拨码开关等输入指令；或者也可以是触摸屏等其他形式。所述电源检测单元用于检测所述电源模块是否正常，并将检测结果发送给所述地面处理单元；所述通信单元用于与井下电机控制模块通信。 

图6是电机控制模块的框架示意图。如图6所示，电机控制模块包括井下处理单元、电机驱动单元和井下通信单元，其中，图4所示的MCU2可以起到井下处理单元和井下通信单元的作用，图4所示的IPM为电机驱动单元。所述井下通信单元与地面通信单元相连接，用于接收地面通信单元发送的指令和参数并传递给井下处理单元；所述井下处理单元接收磁电式传感器发送来的关于电机运行的信息，根据用户的指令 和设定的参数及磁电式传感器发送来的信息，生成相应的控制信号给电机驱动单元；所述电机驱动单元根据该控制信号，将直流电转换成三相电驱动所述伺服电机运行。 

具体地说，地面控制模块和电机控制模块通过电缆连接，电缆为多芯电缆，包括地面控制模块MCU1与电机控制模块MCU2通讯用的通讯线和给IPM提供功率电即输送直流电的线。操作人员通过人机交互界面操作地面控制模块，设定相应的控制参数和控制模式。地面控制模块的MCU1通过通讯线与电机控制模块MCU2通讯，将操作人员设定的控制参数和控制模式传递给电机控制模块。 

外部三相交流电输入地面控制模块，通过整流滤波电路，将三相交流电转换为直流电，然后通过电缆输送给电机控制模块的IPM（智能功率模块），直流电的正、负极分别接入IPM的P、N极。地面控制的MCU1同时会进行电压检测，包括三相交流电压检测和直流电压检测，确保输送到电机控制模块的直流电正常，如果不正常则会发出报警信号。 

电机控制模块MCU2根据地面控制模块MCU1设定的控制参数和控制模式，以及电流传感器和磁电式传感器的反馈信号，运行控制程序，产生PWM信号控制IPM。IPM根据PWM信号，产生三相电压给交流伺服电机。 

整个系统是一个闭环的控制系统，控制周期短（一个控制周期只有几十个微秒），响应快，精度高。 

图7是井下处理单元伺服控制的实现示意图。图8为井下处理单元的结构原理图。所述井下处理单元包括电机控制子单元和信号处理子单元，所述信号处理子单元接收所述磁电式传感器发送来的信息，并将该信息处理成电机的旋转角度。电机控制子单元中包含CPU、IPM、和电流传感器等，编码器安装在电机尾部的密封组件上，将电机磁钢环的角度位置信号传递给伺服控制器。具体的工作方式为，CPU每隔一个固定的周期（如100us）运行控制程序，首先读取电流传感器的三相电流信号和编码器的电机角度位置信号，然后进行控制计算，计算出需加给电机的三相电压占空比，并产生相应的PWM信号传递给IPM，IPM接收CPU的PWM信号控制，产生加给电机的三相电压，从而控制电机。电机为永磁交流同步电机，体积小、效率高，伺服控制器能控制电机的磁钢环磁场和定子磁场完全同步，使永磁电机不容易退磁。 

如图8所示，在MCU的内部有CPU、A/D、同步通讯口和PWM信号产生模块等，A/D将电流传感器输入到MCU的模拟信号转换为数字信号，从而得到电流反馈。编码器将电机角度位置信息通过同步口通讯传递给MCU。MCU中的CPU根据电流反 馈和角度反馈运行控制程序。控制程序主要包含机械环和电流环，机械环根据设定指令和角度反馈，计算出电流指令，电流环根据电流指令和电流反馈，计算出三相电压占空比。PWM信号产生模块根据三相电压占空比，产生PWM信号，传递给IPM。IPM根据PWM信号，产生三相电压给电机。 

图9是机械环的框图。如图9所示，机械环根据角度指令和编码器的角度反馈，经过控制计算，计算出电流指令，传递给电流环。机械环包含位置环和速度环，位置环输出速度指令，速度环输出电流指令。 

角度指令为控制程序设定的指令或者根据设定指令计算出来。编码器检测电机转轴的角度位置信号，并将角度信号通过同步口通讯传递给MCU，MCU得到角度反馈。角度指令减去角度反馈，得到角度误差，通过PID控制器对角度进行PID控制，得到速度指令，角度的PID控制叫做位置环，位置环输出的是速度指令，传递给速度环。角度反馈通过微分器得到速度反馈，速度指令减去速度反馈，得到速度误差，通过PID控制器对速度进行PID控制，得到电流指令I_{q_ref}。速度的PID控制叫做速度环。电流指令为速度环的输出，也为机械环的输出，机械换输出电流指令I_{q_ref}给电流环。 

图10是只有速度环的情况下的机械环的框图。在有些情况下，不需对电机进行位置控制，只需要进行速度控制，因此机械环中没有位置环，只有速度环。速度指令为控制程序设定的指令。编码器检测电机转轴的角度位置信号，并将角度信号通过同步口通讯传递给MCU，MCU得到角度反馈，角度反馈通过微分器得到速度反馈。速度指令减去速度反馈，得到速度误差，通过PID控制器对速度进行PID控制，得到电流指令I_{q_ref}。速度的PID控制叫做速度环。电流指令为速度环的输出，也为机械环的输出，机械换输出电流指令I_{q_ref}给电流环。 

图11是电流环的框图。电流环根据机械环输出的电流指令和电流传感器的电流反馈，经过控制计算，产生加给PWM信号产生模块的三相电压占空比。 

电流传感器可以为3个或者2个。电流传感器为3个时，每一个电流传感器分别检测电机U、V、W三相中一相电流的大小。电流传感器将检测的三相电流信号传递给CPU，CPU经过A/D采样，将模拟信号转换为数字信号，从而获得电机的三相电流大小。正常情况下电机的三相电流之和为零，当电机出现某些异常时，如电机漏电，三相电流之和不为零。当电流传感器出现故障或者电流A/D采样故障时，也可能造成CPU获得的三相电流值之和不为零，可以以此作为一个项系统检测依据，出现上述故障时及时报警。 

电流传感器为2个时，检测电机U、V、W三相中两相电流的大小。电流传感器将检测的两相电流信号传递给CPU，CPU经过A/D采样，将模拟信号转换为数字信号，获得电机的两相电流大小。由于电机的三相电流之和为零，所以根据两相电流大小，可以计算出第三相电流大小。这样只用两个电流传感器就能满足电机系统的需要，降低了成本。 

机械输出的电流指令为I_{q_ref}，为q轴的电流指令。电流传感器输出的信号传递给MCU，经过A/D采样，得到电流反馈。如果电流传感器为三个，则直接得到三相电流反馈I_{a_fb}，I_{b_fb}，I_{c_fb}，如果电流传感器为两个，则得到直接得到两相电流反馈，另一相电流反馈根据三相电流反馈之和为零，计算得到。三相电流反馈I_{a_fb}，I_{b_fb}，I_{c_fb}经过3->2变换，得到d，q轴的电流反馈I_{d_fb}，I_{q_fb}。一般将d轴的电流指令I_{d_ref}控制为0。分别将d，q轴的电流指令减去d，q轴的电流反馈，得到d，q轴的电流误差I_{d_err}和I_{q_err}，通过PID控制器分别对d，q轴电流进行PID控制，得到d，q轴的指令电压U_{d_ref}，U_{q_ref}。指令电压U_{d_ref}，U_{q_ref}经过2->3变换，得到三相指令电压，即为三相电压占空比U_{a_占空比}，U_{b_占空比}，U_{c_占空比}。三相占空比为电流环的输出，传递给PWM信号产生模块。 

上述3->2变换的公式为： 

$\left[\begin{array}{c}{I}_d\\ I_q\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\&theta;}}_e& \cos ({\mathrm{\&theta;}}_e-\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})& \cos ({\mathrm{\&theta;}}_e+\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})\\ -\sin {\mathrm{\&theta;}}_e& -\sin ({\mathrm{\&theta;}}_e-\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})& -\sin ({\mathrm{\&theta;}}_e+\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_a\\ I_b\\ I_c\end{array}\right]$

3->2变换将电流传感器反馈的电机三相电流，经过坐标变换，变换为d，q轴电流。式中I_a，I_b，I_c为反馈的三相电流，在电流环框图中对应为I_{a_fb}，I_{b_fb}，I_{c_fb}。式中I_d，I_q为变换后的d，q轴电流，在电流环框图中对应为I_{d_fb}，I_{q_fb}。式中θ_e为电机的电角度，其中：θ_e=p×θ_r，p为电机的极对数，θ_r为电机的机械角度，θ_r为控制框图中的角度反馈，通过角度求解算法得到。 

2->3变换的公式为： 

$\left[\begin{array}{c}{U}_a\\ U_b\\ U_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\&theta;}}_e& -\sin {\mathrm{\&theta;}}_e\\ \cos ({\mathrm{\&theta;}}_e-\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})& -\sin ({\mathrm{\&theta;}}_e-\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})\\ \cos ({\mathrm{\&theta;}}_e+\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})& -\sin ({\mathrm{\&theta;}}_e+\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_d\\ U_q\end{array}\right]$

3->2变换将d，q轴电压转换为电机的三相电压。式中U_d，U_q为d，q轴电压， 在电流环框图中对应为U_{d_ref}，U_{q_ref}。式中U_a，U_b，U_c为计算出来的需加给电机的三相电压，在电流环框图中对应为U_{a_占空比}，U_{b_占空比}，U_{c_占空比}。式中θ_e为电机的电角度。 

图12是PWM信号产生模块的框图。PWM信号产生模块根据电流环计算出来的三相电压占空比，以及控制程序设定的控制周期和死区时间，产生六路PWM信号，传递给IPM，控制IPM内部的六个IGBT。控制周期和死区时间是在编写控制程序的时候设定好的，一般在程序运行的过程中不作改变。设置死区的原因是IPM内部同一相上下桥臂IGBT不能同时导通，同时导通则会损坏IGBT，因此必须有一个关断死区，保证同一相上下桥臂IGBT不会同时导通。 

图13是IPM原理图。IPM内部有六个功率开关管(IGBT)，六个IGBT可以分为三组，分别对应U、V、W三相，每一相有两个IGBT，分别称之为上、下桥臂。PN之间的电压为控制器的母线电压，输入到控制器的交流电，经过整流、滤波变换为直流电，P、N分别为直流电的正负极。PWM信号产生模块产生的六路PWM信号，分别控制IPM内部的六个IGBT。以U相为例，如果PWM_U为导通信号，则U相上桥臂导通，U相输出的电势为P极电势，如果PWM_U（带上划线的）为导通信号，则U相下桥臂导通，U相输出的电势为N极电势。当PWM_U和PWM_U（带上划线的）都为关断时，电流通过续流二极管流动。当电流流向电机时，电流通过下桥臂的续流二极管从N极流向电机，此时U相电势输出的电势为N极电势；当电流从电机流出时，电流通过上桥臂的续流二极管从电机流向P极，此时U相输出的电势为P极电势。 

图14是另一井下处理单元控制结构原理图，此时，控制器中包括用于处理来自于磁电式传感器的电压信号的信号处理电路，该部分与前述在磁电式传感器的说明中所述的信号处理电路相同；其他部分与图8相同，因此，在此不再重复说明。 

以下以优选实施例具体说明作为本发明传感器的磁电式传感器的设计。 

图15是磁电式传感器在伺服电机700上的整体安装结构示意图。磁电式传感器系统由磁电式传感器电路板701、磁感应元件702、磁钢环703、导磁环704、高压穿线密封组件705、磁电式传感器线706、不锈钢罩708及外壳（未图示）等组成，磁电式传感器电路板701由电路板和磁感应元件702组成，磁感应元件例如是霍尔元件。磁钢环703安装在伺服电机尾轴707上，它的位置要同不锈钢罩708外的导磁环704对应，跟随电机磁钢环一起旋转，从而产生正弦磁场。导磁环704被分成几个磁环块，导磁环704的方案要根据整个磁电式传感器磁感应元件个数方案来确定。导磁环704 安装在不锈钢罩708的台阶上，构成一周，每两个导磁环之间留有狭缝，磁感应元件702处在两个导磁环的狭缝当中。磁感应元件702的管脚直接接在磁电式传感器电路板701上，由电路板伸出，使得磁感应元件到达两个导磁环之间，磁电式传感器电路板701上有CPU等电子元器件，磁电式传感器电路板701用于处理磁感应元件702产生的信号，反馈信号经过磁电式传感器线706传入井下控制箱709中的伺服控制器。图1中以第一实施例为例，其中磁钢环、导磁环以及磁感应元件只有一套，磁钢环为单对磁极，然而本发明不限于此，磁钢环、导磁环以及磁感应元件可以有两套，磁钢环可以有多对极，后面将会结合实施例对多对极的情况加以描述。 

磁电式传感器系统分两处安装，产生正弦磁场的磁钢环703安装在潜油伺服电机尾轴707上，剩下的部分与高压穿线密封装置705构成一体，成组件化安装。安装磁电式传感器的高压穿线密封装置705的钢罩，材料要选为不导磁材料，所以可以采用不锈钢材料，也就是不锈钢罩708，既满足了密封强度要求，又满足了磁电式传感器系统对磁路的要求。需要说明的是除了不锈钢罩，其它不导磁、强度满足密封强度要求的材料也可以选用。 

磁钢环主要是产生正弦磁场；导磁环起聚磁作用，磁钢环产生的磁通通过导磁环。电路板是固定磁感应元件并且输出六路信号线。磁感应元件把通过导磁环的磁场转换成电压信号，电压信号直接进入主控板芯片。由主控板上芯片对电压信号进行处理，最后得到角位移。 

磁电式传感器是利用霍尔效应来检测电机转速、磁钢环位置等信息的磁电式传感器，磁感应元件能感应磁场的变化，把通过导磁环的磁场转换成电压信号，磁钢环转动一周产生一个或多个周期的正弦磁场，在不同的角度产生不同的磁场，磁感应元件感应出不同的电压信号，电路板通过接插件，将每个磁感应元件的电压信号传递给CPU，CPU根据电压信号计算出转轴的角度位置。磁感应元件优选地为霍尔感应元件。霍尔感应元件模块的成本低，因为磁感应元件、磁钢环、导磁环成本低，电路板只是将磁感应元件的感应电压传递给CPU，因此总成本也低。 

这种磁电式传感器的安装结构既达到了磁电式传感器密封性的要求，要使得磁电式传感器在恶劣的伺服电机环境中得以正常工作。电机旋转时带动磁钢环旋转，从而产生旋转磁场，在不锈钢罩外表面上的导磁环导通磁场，在两个导磁环间隙之间磁感应元件感应磁场的变化，产生电压信号，这些变化的信号在磁电式传感器电路板上被处理，并将处理后的信号传递给控制箱，从而获得电机的磁钢环位置、速度等信号。 

图16是磁电式传感器安装结构的立体分解示意图，其中以与图15相同的附图标记表示相同的部件。由图16可以看到，整个安装结构成组件化设计，磁电式传感器电路板701、磁感应元件702、导磁环704与高压密封组件705安装为一体可以单独成立为一个组件。这使得这种磁电式传感器在伺服电机中的应用安装方便可靠。 

图17是磁电式传感器中的磁钢环的示意图。磁钢环安装在电机的尾轴上，随着电机磁钢环一起旋转，形成磁电式传感器系统所需的旋转变化的正弦磁场，磁钢环的充磁方式和方向与相应的磁电式传感器系统的要求对应。在第一实施例中，磁钢环为一对磁极；在第二实施例中，磁钢环为多对磁极，该多对磁极均匀排列；在第三实施例中，磁钢环为多对磁极，该多对磁极按一定角度排列。 

图18A与图18B是以两个磁感应元件的方案为例解释磁感应元件与导磁环的布置的示意图。如图18A所示，磁感应元件100、101采用表面贴的方式，即在圆环形定子102内侧壁布置，103为磁钢环，在两个磁感应元件的方案中，两个磁感应元件100、101相隔90°布置。在图18B中，两个磁感应元件109、110夹于导磁环的两个或多个同心安装的弧段（此处为两个弧段111、112）之间，113为磁钢环。尽管此处以两个磁感应元件的方案为例加以解释，然而本发明不限于此，每列磁感应元件的数目可以是三个、四个、六个，对应的导磁环的弧段也相应地为三个、四个、六个。而且可以采用两列磁感应元件和两个磁钢环的方案，此时第二个导磁环的弧段也相应地有所变化，而不局限于1/4弧段与3/4弧段的方案或均匀分段的方案。 

本发明还提供了一种基于上述结构的磁电式传感器的信号处理装置，包括：A/D转换模块、合成模块、角度获取模块和存储模块，其中，A/D转换模块对磁电式传感器中磁感应元件发送来的电压信号进行A/D转换，将模拟信号转换为数字信号，对应于磁感应元件的个数，该模块中具有多个A/D转换器，分别用于对每个磁感应元件发送来的电压信号进行A/D转换；所述合成模块对经过A/D转换的多个电压信号进行处理，得到基准信号D；所述角度获取模块，根据该基准信号D，在角度存储表中选择与其相对的角度作为偏移角度θ；所述存储模块用于存储数据。 

上述各个模块可以构成一MCU。以下通过实施例详细描述本发明的磁电式传感器及其信号处理装置与方法。 

第一实施例

图19是根据本发明的第一实施例的安装有两个磁感应元件的磁电式传感器方案的分解示意图。磁电式传感器包括感应元件710、电路板711、导磁环712、不锈钢罩 713、磁钢环715及外壳（未图示）等部分，磁钢环715安装于电机尾轴716上，其余部分可安装于高压穿线密封组件714的不锈钢罩713上。本方案的特征之处在于，磁电式传感器有两个磁感应元件，导磁环712也由两部分组成，一个是1/4的磁环，一个是3/4的磁环。两个不完整的磁环形成两个狭缝，用于同两个磁感应元件配合使用。 

图20是根据本发明的第一实施例的安装有两个磁感应元件的磁电式传感器方案的信号处理装置的框图。磁感应元件H_1a和H_2a的输出信号接MCU的内置A/D转换器模拟输入口，经模数转换后得到输出信号接乘法器20a、21a，系数矫正器5a的输出信号K接乘法器20a、21a的输入端，乘法器20a、21a的输出信号接合成器3a的输入端，合成器3a输出信号D和R，根据信号D从一数据修正表中得到R₀，通过对信号R₀和信号R进行运算得到信号K，通过使磁感应元件H_1a和H_2a的信号与该信号K进行相乘，以此来进行温度补偿，消除温度对信号的影响。存储器40a中存储有一角度存储表，MCU根据信号D在角度存储表中选择与其相对的角度作为偏移角度θ。 

在存储模块中存储有一标准角度表，其中存储了对应于一系列的码，每一个码对应于一个角度。该表是通过标定得到的，标定方法是，利用本施例的检测装置和一高精度位置传感器，将本施例中的磁感应元件输出的信号和该高精度位置传感器输出的角度进行一一对应，以此建立出一磁感应元件输出的信号与角度之间的关系表。 

另外，在存储模块中还存储了一些数据修正表，这些表中包括一个信号D与信号R₀的对应表，其中R₀为信号R在标准状态下的信号，通过合成模块，即合成器3a得到的信号D，通过查表可以得到一信号R₀，通过将信号R₀和信号R进行比较，如除法运算，得到信号K。 

其中对信号的处理，即合成器3对信号的处理原则是：比较两个信号的数值的大小，数值小的用于输出的信号D，信号D的结构为｛第一个信号的符合位，第二个信号的符合位，较小数值的信号的数值位｝。以本实施例为例，说明如下： 

约定： 

当数据X为有符号数时，数据X的第0位（二进制左起第1位）为符号位，X_0=1表示数据X为负，X_0=0表示数据X为正。 

X_D表示数据X的数值位（数据的绝对值），即去除符号位剩下数据位。 

如果A_D>=B_D 

D={A_0；B_0；B_D} 

$R=\sqrt{A^2+B^2};$

否则： 

D={A_0；B_0；A_D} 

$R=\sqrt{A^2+B^2}.$

图21是根据本发明的第一实施例的安装有三个磁感应元件的磁电式传感器方案的分解示意图。其各部分组件的安装方式与两个磁感应元件的方案的相似，故在此不再重复。本方案的特征之处在于，磁电式传感器有三个磁感应元件，导磁环也由三部分组成，每两个不完整的磁环形成狭缝，总共形成三个狭缝，用于同三个磁感应元件配合使用。 

图22是根据本发明的第一实施例的安装有三个磁感应元件的磁电式传感器方案的信号处理装置的框图。磁电式传感器包括感应元件717、电路板718、导磁环719、不锈钢罩720、磁钢环722及外壳（未图示）等部分，721是高压穿线密封组件，723是电机尾轴。本方案的信号处理装置与两个磁感应元件的方案中的相似，不同之处在于，磁感应元件有三个，输出给合成器的信号为三个，合成器在取舍信号时与上述方案中的有所不同。在这里，仅说明合成器如何取舍信号。 

合成器3c对信号的处理原则是：先判断三个信号的符合位，并比较符合位相同的信号的数值的大小，数值小的用于输出的信号D，信号D的结构为｛第一个信号的符合位，第二个信号的符合位，第三个信号的符合位，较小数值的信号的数值位｝。以本实施例为例： 

约定： 

当数据X为有符号数时，数据X的第0位（二进制左起第1位）为符号位，X_0=1表示数据X为负，X_0=0表示数据X为正。 

X_D表示数据X的数值位（数据的绝对值），即去除符号位剩下数据位。 

如果{A_0；B_0；C_0}=010并且A_D>=C_D 

D={A_0；B_0；C_0；C_D} 

如果{A_0；B_0；C_0}=010并且A_D<C_D 

D={A_0；B_0；C_0；A_D} 

如果{A_0；B_0；C_0}=101并且A_D>=C_D 

D={A_0；B_0；C_0；C_D} 

如果{A_0；B_0；C_0}=101并且A_D<C_D 

D={A_0；B_0；C_0；A_D} 

如果{A_0；B_0；C_0}=011并且B_D>=C_D 

D={A_0；B_0；C_0；C_D} 

如果{A_0；B_0；C_0}=011并且B_D<C_D 

D={A_0；B_0；C_0；B_D} 

如果{A_0；B_0；C_0}=100并且B_D>=C_D 

D={A_0；B_0；C_0；C_D} 

如果{A_0；B_0；C_0}=100并且B_D<C_D 

D={A_0；B_0；C_0；B_D} 

如果{A_0；B_0；C_0}=001并且B_D>=A_D 

D={A_0；B_0；C_0；A_D} 

如果{A_0；B_0；C_0}=001并且B_D<A_D 

D={A_0；B_0；C_0；B_D} 

如果{A_0；B_0；C_0}=110并且B_D>=A_D 

D={A_0；B_0；C_0；A_D} 

如果{A_0；B_0；C_0}=110并且B_D<A_D 

D={A_0；B_0；C_0；B_D} 

$\mathrm{\&alpha;}=A-B\&times;\cos \left(\frac{\mathrm{\&pi;}}{3}\right)-C\&times;\cos \left(\frac{\mathrm{\&pi;}}{3}\right)$

$\mathrm{\&beta;}=B\&times;\sin \left(\frac{\mathrm{\&pi;}}{3}\right)-C\&times;\sin \left(\frac{\mathrm{\&pi;}}{3}\right)$

$R=\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}^2+{\mathrm{\&beta;}}^2}$

安装有四个和六个磁感应元件的磁电式传感器的结构和信号处理方式与安装有两个和三个磁感应元件的磁电式传感器类似，在此不再赘述。 

图23A到图23D以由1/4弧段和3/4弧段构成的导磁环为例，图示了本发明的导磁环的倒角设计。如图23A到图23D所示，导磁环由两段或多段同半径、同圆心的弧段构成，图23A所示的导磁环没有设计倒角，图23B到图23D所示的弧段端部设有倒角，所述倒角为沿轴向（图23B）或径向（图23C）或同时沿轴向、径向（图23D）切削而形成的倒角，151、154表示轴向切面，152、153表示径向切面。相邻两弧段间留有缝隙，磁感应元件置于该缝隙内，当磁钢环与导磁环发生相对旋转运动时，所述磁感应元件将感测到的磁信号转换为电压信号，并将该电压信号传输给相应的控制器。根据磁密公式 可以知道，当φ一定时候，可以通过减少S，增加B。因为永磁体产生的磁通是一定的，在导磁环中S较大，所以B比较小，因此可以减少因为磁场交变而导致的发热。而通过减少导磁环端部面积能够增大端部的磁场强度，使得磁感应元件的输出 信号增强。这样的信号拾取结构制造工艺简单，拾取的信号噪声小，生产成本低，可靠性高，而且尺寸小。虽然以两个弧段的方案为例描述了导磁环的倒角设计，然而本发明不限于此，导磁环为三弧段、四弧段、六弧段的方案都可以采用类似的倒角设计，在此不再详细描述。 

以上以采用导磁环的方案为例描述了本发明的磁电式传感器的安装方案，而本发明还可以采用表贴的方式安装磁感应元件。由于除了磁感应元件的安装方式之外的其余部分的安装方式与上述实施例中的类似，故在此不再赘述。 

第二实施例

在第二实施例中，磁钢环、导磁环各为两个，磁感应元件也相应地有两列，这些是磁电式传感器的关键部件，除此之外的其它部件的安装与结构与第一实施例中的相似，在此不再赘述。 

图24是根据本发明的第二实施例的磁电式传感器方案的关键部件的分解立体图。图25是根据本发明的第二实施例的磁电式传感器方案的安装示意图。本实施例的磁电式传感器包括磁钢环和将磁钢环套在内部的定子，磁钢环包括第一磁钢环201a和第二磁钢环201b以及第一导磁环205a和第二导磁环205b，第一磁钢环201a和第二磁钢环201b分别固定在电机轴200上，其中，所述定子，即支架203可以实施为不锈钢罩。第一导磁环205a和第二导磁环205b分别由多个同圆心、同半径的弧段构成，相邻两个弧段之间留有空隙，对应于两个磁钢环的磁感应元件204分别设在该空隙内。磁感应元件设置在不锈钢罩的外壁上，不锈钢罩外部通过密封装置与外壳密封并固定，当磁钢环旋转运动时，所述磁感应元件将感测到的磁信号转变为电压信号，并将该电压信号输出给一信号处理装置。 

第一磁钢环201a均匀的磁化为g（g的取值等于第二磁钢环中的磁极总数）对极（N极和S极交替排列），当第二磁钢环中的磁极总数为6时，第一磁钢环201a的极对数为6对。以第一磁钢环201a的中心为圆心的同一圆周上，设置有m个磁感应元件，如2个，如图26所示，二个磁感应元件H₁、H₂之间的夹角为90°/6。第一磁钢环均匀地磁化为6对极时磁感应元件的布置如图27所示。当磁钢环相对于定子发生相对旋转运动时，所述磁感应元件将感测到的磁信号转变为电压信号，并将该电压信号输出给一信号处理装置。 

定义第一磁钢环中相邻一对“N-S”为一个信号周期，因此，任一“N-S”对应的机械角度为360°/g（g为“N-S”个数），假定磁钢环在t时刻旋转角度θ位于第n^th信号周期内，则此时刻角位移θ可认为由两部分构成：1.在第n^th信号周期内的相对偏 移量，磁感应元件H₁和H₂感应第一磁钢环的磁场来确定在此“N-S”信号周期内的偏移量θ₁（值大于0小于360°/g）；2.第n^th信号周期首位置的绝对偏移量θ₂，用传感器感应第二磁钢环的磁场来确定此时磁钢环究竟是处于哪一个“N-S”来得到θ₂。 

对应于第二磁钢环201b，以第二磁钢环201b的中心为圆心的同一圆周上设有n(n=1，2…n)个均匀分布的磁感应元件，第二磁钢环的磁极磁化顺序使得n个磁感应原件输出呈格雷码形式。磁极的极性为格雷码的首位为“0”对应于“N/S”极，首位为“1”对应于“S/N”极。例如，当n为3时，得到如图28所示的编码，得到如图29所示的第二磁钢环的充磁顺序，如图30所示，三个磁感应元件均布周围进行读数。 

本发明还提供了一种基于该磁电式传感器及其原理的信号处理装置，其包括：A/D转换模块、相对偏移量θ₁计算模块、绝对偏移量θ₂计算模块和存储模块。其信号处理流程如图31-图34所示，对传感器本体中第一磁钢环和第二磁钢环发送来的电压信号进行A/D转换，将模拟信号转换为数字信号；由相对偏移量θ₁计算模块对磁电式传感器发送来的对应于第一磁钢环的第一电压信号进行角度θ₁求解，计算对应于第一磁钢环的信号在所处信号周期内的相对偏移量θ₁；由绝对偏移量θ₂计算模块对磁电式传感器发送来的对应于第二磁钢环的第一电压信号进行角度θ₂求解，来确定第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量θ₂；通过角度合成及输出模块，如加法器用于将上述相对偏移量θ₁和绝对偏移量θ₂相加，合成所述第一电压信号所代表的在该时刻的旋转角度θ。对于图31，为在图30的基础上增加的信号放大模块，具体如放大器，用于在A/D转换模块进行A/D转换之前，对来自于传感器本体的电压信号进行放大。图33是包括温度补偿的信号处理流程图，在进行角度θ₁求解之前，还包括温度补偿的过程；图34为基于图33的温度补偿的具体过程，即进行温度补偿时，要先进行系数矫正，而后再将A/D转换器输出的信号与系数矫正的输出通过乘法器进行相乘的具体方式来进行温度补偿。当然，温度补偿的具体方式还有很多种，在此就不一一介绍。 

相对偏移量θ₁计算模块包括信号第一合成单元、第一角度获取单元和温度补偿单元，信号第一合成单元对不同磁电式传感器发送来的经过A/D转换的电压信号进行处理，得到一基准信号D；所述第一角度获取单元根据该基准信号D，在第一标准角度表中选择一与其相对的角度作为偏移角度θ₁；其中，在得到基准信号D之前，先对输入给信号第一合成单元的信号由温度补偿单元进行温度补偿，再将温度补偿后的信号进行处理得到信号D。这里所述的处理将在后面详细说明。绝对偏移量θ₂计算模块包括第二合成单元和所述第二角度获取单元，用于对对应于第二磁钢环的磁电式传感 器发送来的第二电压信号进行合成，得到轴转过信号周期数，从而确定第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量θ₂，具体实现方式是所述第二合成单元对对应于第二磁钢环的磁电式传感器发送来的第二电压信号进行合成，得到一信号E；所述第二角度获取单元根据该信号E在第二标准角度表中选择一与其相对的角度作为第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量θ₂。 

图35是本实施例的磁电式传感器的一个信号处理装置的框图。本示例中，第一磁钢环设有两个磁感应元件，磁电式传感器1_1a和1_2a的输出信号接放大器2_1a、2_2a进行放大，然后接A/D转换器3_1a、3_2a，经模数转换后得到输出信号接乘法器4_1a、5_1a，系数矫正器10_1a输出信号接乘法器4_1a、5_1a的输入端，乘法器4_1a、5_1a的输出信号A、B接第一合成器6_1a的输入端，第一合成器6_1a对信号A、B进行处理，得到信号D、R，根据信号D从存储器8_1a中存储的标准角度表中选择一与其相对的角度作为偏移角度θ₁。其中，第一合成器6_1a的输出信号R输送给系数矫正器10_1a，系数矫正器10_1a根据信号R和从存储器9_1a中查表得到信号R₀得到信号K，该信号K作为乘法器4_1a、5_1a的另一输入端，与从放大器2_1a、2_2a输出的信号C1、C2分虽相乘得到信号A、B作为第一合成器6_1a的输入。 

磁电式传感器1_3a、1_4a、…1_na的输出信号分别接放大器2_3a、2_4a、…2_na进行放大，然后接A/D转换器3_3a、3_4a、…3_na进行模数转换后通过第二合成单元7_1a进行合成，得到一信号E；根据该信号E在存储器11_1a中的第二标准角度表中选择一与其相对的角度作为第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移量θ₂，θ₁和θ₂通过加法器12_1a得到测量的绝对角位移输出θ。 

第二合成单元7_1a的功能是，通过对磁电式传感器3_3a、3_4a、…3_na的信号进行合成，得到此时刻磁钢环处于哪一个“N-S”信号周期内。第二合成单元7_1a的处理是：当数据X为有符号数时，数据X的第0位（二进制左起第1位）为符号位，X_0=1表示数据X为负，X_0=0表示数据X为正。也即当感应的磁场为N时，输出为X_0=0，否则为X_0=1。 

则对于本实施例，E={C3_0;C4_0;Cn_0}。 

其中，第一合成器6_1a对信号的处理是：比较两个信号的数值的大小，数值小的用于输出的信号D，信号D的结构为｛第一个信号的符合位，第二个信号的符合位，较小数值的信号的数值位｝。具体如下： 

这里约定（后文各合成器均使用该约定），当数据X为有符号数时，数据X的第 0位（二进制左起第1位）为符号位，X_0=1表示数据X为负，X_0=0表示数据X为正。X_D表示数据X的数值位（数据的绝对值），即去除符号位剩下的数据位。 

如果A_D>=B_D 

D={A_0;B_0;B_D} 

$R=\sqrt{A^2+B^2};$

否则： 

D={A_0;B_0;A_D} 

$R=\sqrt{A^2+B^2};$

信号K一般是通过将信号R₀和R进行除法运算得到。 

对于第一、二标准角度表，在存储器中存储了两个表，每个表对应于一系列的码，每一个码对应于一个角度。该表是通过标定得到的，标定方法是，利用本施例的检测装置和一高精度位置磁电式传感器，将本施例中的磁感应元件输出的信号和该高精度位置磁电式传感器输出的角度进行一一对应，以此建立出一磁感应元件输出的信号与角度之间的关系表。也就是，对应于信号D存储了一个第一标准角度表，每一个信号D代表一个相对偏移量θ₁。对应于信号E，存储了一个第二标准角度表，每一个信号E代表一个绝对偏移量θ₂。 

本发明不限于上述示例，第一磁钢环还可以设有三个、四个、六个磁感应元件，相应的导磁环和信号处理电路也要做相应变化，然而其变化与第一实施例中所述的类似，故在此不再赘述。 

当设有导磁环时，导磁环的弧段端部设有倒角，为沿轴向或径向或同时沿轴向、径向切削而形成的倒角。 

作为替代，磁感应元件可以直接表贴在不锈钢罩的外表面上，即不设有导磁环，如图36所示。其它部件以及其信号处理装置与有导磁环的类似，在此不再赘述。 

第三实施例

第三实施例中，各个部件的个数及其安装方案与第二实施例中的类似，所不同的是磁钢环的充磁方式及磁感应元件的布置位置。 

图37是根据第三实施例的磁电式传感器的分解立体图。在骨架306上，对应于磁钢环302、磁钢环303分别设有两列磁感应元件307。图中只示出一列磁感应元件，为了说明方便，这里将第一列磁感应元件即对应磁钢环302和导磁环304的多个磁感应元件都用磁感应元件307表示，而将第二列磁感应元件即对应磁钢环303和导磁环 305的多个磁感应元件也用磁感应元件309表示。为了说明方便，这里将磁钢环302定义为第一磁钢环，将磁钢环303定义为第二磁钢环，将导磁环304限定为对应于第一磁钢环，将导磁环305限定为对应于第二磁钢环，然而本发明不限于上述的限定。 

第一磁钢环302被均匀地磁化为2ⁿ(n=0，1，2…n)对磁极，并且相邻两极的极性相反，第二磁钢环的磁极总数为2ⁿ，其磁序按照磁序算法确定；在轴301上，对应于第一磁钢环302，以第一磁钢环302的中心为圆心的同一圆周上设有m(m为2或3的整数倍)个呈一定角度分布的磁感应元件307；对应于第二磁钢环303，以第二磁钢环303的中心为圆心的同一圆周上设有n(n=0，1，2…n)个呈360°/N角度分布的磁感应元件307。 

本实施例中，对应于所述的第二磁钢环的相邻两个磁感应元件之间的夹角为360°/2ⁿ。关于对应于所述的第一磁钢环相邻两个磁感应元件之间的夹角，当m为2或4时，每相邻两个磁感应元件之间的夹角为90°/2ⁿ，当m为3时，每相邻两个磁感应元件之间的夹角为120°/2ⁿ；当m为6时，每相邻两个磁感应元件之间的夹角为60°/2ⁿ。当然，第一磁钢环302被均匀磁化的磁极对数最大为2ⁿ，也可以为其他小于该值的任何值。 

由于其信号处理方式与第二实施例的类似，故在此不再赘述。 

第一磁钢环可以设有两个、三个、四个、六个磁感应元件，相应的导磁环和信号处理电路也要做相应变化，然而其变化与第一实施例中所述的类似，故在此不再赘述。 

当设有导磁环时，导磁环的弧段端部设有倒角，为沿轴向或径向或同时沿轴向、径向切削而形成的倒角。 

作为替代，磁感应元件可以直接表贴在不锈钢罩的外表面上，即不设有导磁环，其它部件以及其信号处理装置与有导磁环的类似，在此不再赘述。 

本实施例的磁电式传感器的信号处理方法与第二实施例中的类似，故在此省略对其重复描述。 

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的技术方案进行修改和等同替换，而不脱离本技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (18)

1.一种抽油系统的控制系统，包括位于井下的伺服电机、电机控制模块和采集电机运行信息的传感器；其特征在于，还包括位于地面上的电源模块和地面控制模块；所述电源模块将地面上的三相交流电转换为直流电输入到井下的电机控制模块；所述地面控制模块与所述电机控制模块通信，将用户指令和设定的参数发送给电机控制模块；所述电机控制模块接收所述地面控制模块发送来的指令和参数及传感器发送来信息，控制伺服电机工作；

电源模块和地面控制模块、伺服电机和电机控制模块构成潜油伺服系统的伺服动力系统；其中，所述传感器为伺服电机的电机轴上设有的位置检测装置，位置检测装置将检测到的位置信号输出给伺服控制器，伺服控制器控制伺服电机的运转；所述位置检测装置为磁电式传感器；

所述磁电式传感器包括传感器本体、不锈钢罩、密封装置和外壳；

所述传感器本体包括磁钢环、导磁环和磁感应元件；所述导磁环设置在不锈钢罩的外壁上，由两段或多段同半径、同圆心的弧段构成，相邻两弧段留有缝隙；所述磁感应元件置于该缝隙内；所述磁钢环设置在不锈钢罩的内腔中，固定在电机转轴上；不锈钢罩外部通过密封装置与外壳密封并固定；当磁钢环与导磁环发生相对旋转运动时，所述磁感应元件将感测到的磁信号转换为电压信号，并将该电压信号传输给相应的信号处理装置；

所述磁钢环、导磁环和磁感应元件为两套；所述磁钢环为多对极；

所述磁电式传感器还包括信号处理电路，所述信号处理电路包括：

A/D转换模块，对磁电式传感器中磁感应元件发送来的电压信号进行A/D转换，将模拟信号转换为数字信号；

合成模块，对磁电式传感器发送来的经过A/D转换的多个电压信号进行取舍，得到基准信号D；

角度获取模块，根据该基准信号D，在角度存储表中选择与其相对的角度作为偏移角度θ；以及

存储模块，用于存储处理过程中的数据和角度存储表；

信号放大模块，用于在A/D转换模块进行A/D转换之前，对来自于磁电式传感器的电压信号进行放大。

2.如权利要求1所述的抽油系统的控制系统，其特征在于，所述地面控制模块包括地面处理单元、电源检测单元、地面通信单元和人机交互界面；所述人机交互界面用于提供用户设定指令和参数，并进行相关显示；所述电源检测单元用于检测所述电源模块是否正常，并将检测结果发送给所述地面处理单元；所述通信单元用于与井下电机控制模块通信。

3.如权利要求1所述的抽油系统的控制系统，其特征在于，所述电机控制模块包括井下处理单元、电机驱动单元和井下通信单元；

所述井下通信单元与地面通信单元相连接，用于接收地面通信单元发送的指令和参数并传递给井下处理单元；

所述井下处理单元接收磁电式传感器发送来的关于电机运行的信息，根据用户的指令和设定的参数及磁电式传感器发送来的信息，生成相应的控制信号给电机驱动单元；

所述电机驱动单元根据该控制信号，将直流电转换成三相电驱动所述伺服电机运行。

4.如权利要求1所述的抽油系统的控制系统，其特征在于，所述磁钢环包括第一磁钢环、第二磁钢环；

其中，所述第一磁钢环和第二磁钢环分别固定在转轴上，设置在不锈钢罩的内腔中，所述第一磁钢环被均匀地磁化为N对磁极，其中，N<＝2ⁿ且n＝0，1，2…n，并且相邻两极的极性相反；所述第二磁钢环的磁极总数为N，其磁序按照特定磁序算法确定；

在不锈钢罩上，对应于第一磁钢环，以第一磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设有m个呈一定角度分布的磁感应元件，其中，m为2或3的整数倍；对应于第二磁钢环，以第二磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设有n个呈一定角度分布的磁感应元件，其中，n＝1，2…n；磁感应元件设置在不锈钢罩的外壁上；

不锈钢罩外部通过密封装置与外壳密封并固定；

当磁钢环旋转运动时，所述磁感应元件将感测到的磁信号转变为电压信号，并将该电压信号输出给信号处理装置。

5.如权利要求4所述的抽油系统的控制系统，其特征在于，对应于所述的第二磁钢环的相邻两个磁感应元件之间的夹角为360°/N。

6.如权利要求4所述的抽油系统的控制系统，其特征在于，对应于所述的第一磁钢环相邻两个磁感应元件之间的夹角，当m为2或4时，每相邻两个磁感应元件之间的夹角为90°/N，当m为3时，每相邻两个磁感应元件之间的夹角为120°/N；当m为6时，每相邻两个磁感应元件之间的夹角为60°/N。

7.如权利要求1所述的抽油系统的控制系统，其特征在于，所述磁钢环包括第一磁钢环、第二磁钢环；

其中，所述第一磁钢环和第二磁钢环分别固定在电机轴上，设置在不锈钢罩的内腔中，对应于第二磁钢环，以第二磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设有n个均匀分布的磁感应元件，其中，n＝1，2…n；所述第二磁钢环的磁极磁化顺序使得n个磁感应元件输出呈格雷码格式，相邻两个输出只有一位变化；

在不锈钢罩上，对应于第一磁钢环，以第一磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设有m个呈一定角度分布的磁感应元件，其中，m为2或3的整数倍；所述第一磁钢环的磁极总对数与第二磁钢环的磁极总数相等，并且相邻两极的极性相反；磁感应元件设置在不锈钢罩的外壁上；

不锈钢罩外部通过密封装置与外壳密封并固定；

当磁钢环旋转运动时，所述磁感应元件将感测到的磁信号转变为电压信号，并将该电压信号输出给信号处理装置。

8.如权利要求7所述的抽油系统的控制系统，其特征在于，对应于第一磁钢环的相邻两个磁感应元件之间的夹角，当m为2或4时，该夹角为90°/g；当m为3时，该夹角为120°/g；当m为6时，该夹角为60°/g，其中，g为第二磁钢环的磁极总数。

9.如权利要求4或7所述的抽油系统的控制系统，其特征在于，所述磁电式传感器还包括信号处理电路，所述信号处理电路包括：

A/D转换模块，对磁电式传感器发送来的电压信号进行A/D转换，将模拟信号转换为数字信号；

相对偏移角度θ₁计算模块，用于计算磁电式传感器中对应于第一磁钢环的磁感应元件发送来的第一电压信号在所处信号周期内的相对偏移角度θ₁；

绝对偏移角度θ₂计算模块，根据磁电式传感器中对应于第二磁钢环的磁感应元件发送来的第二电压信号，通过计算来确定第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移角度θ₂；

角度合成及输出模块，用于将上述相对偏移角度θ₁和绝对偏移角度θ₂相加，合成所述第一电压信号所代表的在该时刻的旋转角度θ；和

存储模块，用于存储处理过程中的数据。

10.根据权利要求1所述的抽油系统的控制系统，其特征在于，所述信号处理电路还包括：

信号放大模块，用于在A/D转换模块进行A/D转换之前，对来自于位置检测装置的电压信号进行放大。

11.根据权利要求9所述的抽油系统的控制系统，其特征在于，所述相对偏移角度θ₁计算模块包括第一合成单元和第一角度获取单元，所述第一合成单元对磁电式传感器发送来的经过A/D转换的多个电压信号进行取舍，得到一基准信号D；所述第一角度获取单元根据该基准信号D，在第一角度存储表中选择一与其相对的角度作为偏移角度θ₁。

12.如权利要求11所述的抽油系统的控制系统，其特征在于，所述相对偏移角度θ₁计算模块还包括温度补偿单元，用于消除温度对磁电式传感器发送来的电压信号的影响。

13.如权利要求12所述的抽油系统的控制系统，其特征在于，所述第一合成单元在输出基准信号D的同时输出一基准信号R，所述温度补偿单元包括系数矫正器和乘法器，所述系数矫正器根据基准信号R及在一修正表中得到与其对应的标准状态下的信号R₀，比较信号R和号R₀得到一输出信号K，所述乘法器为多个，每一所述乘法器将经过A/D转换的、磁电式传感器发送来的一个电压信号与所述系数矫正单元输出的信号K相乘，将相乘后的结果输出给第一合成单元。

14.根据权利要求9所述的抽油系统的控制系统，其特征在于，所述绝对偏移角度θ₂计算模块包括第二合成单元和第二角度获取单元，所述第二合成单元用于对对应于第二磁钢环的磁电式传感器发送来的第二电压信号进行译码，得到一信号E；所述第二角度获取单元根据该信号E在第二角度存储表中选择一与其相对的角度作为第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对偏移角度θ₂。

15.如权利要求3所述的抽油系统的控制系统，其特征在于，所述井下处理单元包括电机控制子单元和信号处理子单元，所述信号处理子单元接收所述传感器发送来的信息，并将该信息处理成电机的旋转角度。

16.如权利要求15所述的抽油系统的控制系统，其特征在于，所述电机控制子单元包括机械环控制子单元、电流环控制子单元和PWM控制信号产生子单元；

所述机械环控制子单元根据接收到的指令信号和电机轴的旋转角度，经过运算得到电流指令，并输出给所述的电流环控制子单元；

所述电流环控制子单元根据接收到的电流指令和电流传感器输出的电流信号，经过运算得到三相电压的占空比控制信号，并输出给所述的PWM控制信号产生子单元；

所述PWM控制信号产生子单元根据接收到的三相电压的占空比控制信号，生成具有一定顺序的六路PWM信号，分别作用于电机驱动单元。

17.如权利要求3所述的抽油系统的控制系统，其特征在于，所述电机驱动单元为IPM模块。

18.如权利要求3所述的抽油系统的控制系统，其特征在于，所述伺服电机为永磁同步伺服电机。