CN103122851A - 一种直驱螺杆泵智能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直驱螺杆泵智能控制方法，包括：利用高频的定子电压分量和对产生的定子电流进行解调，附加的电压分量产生均值为零的转矩和可忽略的转矩、位置波动，电流分量的幅值因为电动机的凸极效应依赖于转子位置角，与高频附加电压矢量的位置角联系起来，在内永磁同步电动机中当电流幅值的最大值发生在电压矢量与最大电感轴重合的时候，识别转子轴的绝对位置，以实现对直驱螺杆泵的无位置控制。本发明的直驱螺杆泵智能控制方法取消了直驱螺杆泵的位置传感器，大幅提高了直驱螺杆泵运行的稳定性，提高了电动机的控制效率，降低了直驱螺杆泵的成本，弥补了原有技术不足，提高了油田开发效益。

Description

一种直驱螺杆泵智能控制方法

技术领域

本发明涉及一种直驱螺杆泵智能控制方法，属于电机控制技术领域。

背景技术

目前油田在用的螺杆泵地面直接驱动装置控制技术均采用位置传感器检测方式来实现。直驱装置驱动电机上部装有的位置传感器，是转子位置的反馈元件，一般采用磁编码器、霍尔器件或光电码盘等，位置传感器负责提供电机转子转动的位置信号。专用驱动器一般都采用转子自同步矢量控制技术和DSP控制内核，动态追踪最佳矢量角，驱动器根据转子位置向电机提供最合适的驱动电流，负载增高电流提升，反之负载降低电流也随之降低，实现负载自动跟踪调整，达到节能目的，使得单位电流的出力达到最大，进一步提升电机效率。

螺杆泵地面直接驱动装置所用电机必需能够满足井下螺杆泵的工作特性，如高启动力矩、频繁的瞬时过载能力、低转速范围内的速度连续调节等。永磁式力矩电机属于低速伺服电动机，通常使用在堵转或低速情况下。其特点是堵转力矩大，空载转速低，不需要任何减速装置可直接驱动负载，过载能力强。长期堵转时能产生足够大的转矩而不损坏。控制方式如图1所示。

系统的最主要的特点之一就是可以实现速度实时调节。与普通的感应电机变频系统相比，本系统中多设置了一个测角元件-位置传感器，它可以随时提供转子的位置和速度，因此系统可以实现从0转速到最高转速的连续转速调节和转速闭环控制。没有位置或者速度传感器，就无法知道转子的实际转速，就不能实现转速闭环控制，这就是本系统的基本原理。具体地，如果在面板上设置了一个转速数值，那么系统启动后就由位置传感器检测转子的速度并反馈给控制单元；如果没达到设定值就继续升速，如果超过了就减速，使电机的实际速度始终维持在设定的数值上。在采用转速控制的基础上，电机的力矩可以实现自动跟踪负载，如果突然力矩加大了，那么电机转速就会降低，系统就会自动控制，升高电压以维持住转速，反过来也一样。

但由于螺杆泵地面直接驱动装置露天使用、严重污染、剧烈振动的场合，环境较恶劣，导致位置传感器发生故障停机的几率较高，经常造成油田螺杆泵井生产时控制效率降低，影响原油产量。

发明内容

本发明提供了一种直驱螺杆泵智能控制方法，用于解决现有螺杆泵地面直接驱动装置存在的故障几率较高、控制效率较低的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种直驱螺杆泵智能控制方法，包括：

利用高频的定子电压分量和对产生的定子电流进行解调，附加的电压分量产生均值为零的转矩和可忽略的转矩、位置波动，电流分量的幅值因为电动机的凸极效应依赖于转子位置角，与高频附加电压矢量的位置角联系起来，在内永磁同步电动机中当电流幅值的最大值发生在电压矢量与最大电感轴重合的时候，识别转子轴的绝对位置，以实现对直驱螺杆泵的无位置控制。

本发明的直驱螺杆泵智能控制方法取消了直驱螺杆泵的位置传感器，大幅提高了直驱螺杆泵运行的稳定性，提高了电动机的控制效率，降低了直驱螺杆泵的成本，弥补了原有技术不足，提高了油田开发效益。

附图说明

图1为现有力矩电机的驱动系统原理框图；

图2为本发明的具体实施方式提供的识别转子d、q轴的绝对位置构成的控制示意图；

图3为本发明的具体实施方式提供的电流闭环控制和速度闭环控制的原理示意图。

具体实施方式

下面对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

一种直驱螺杆泵智能控制方法，其特征在于，包括：

利用高频的定子电压分量和对产生的定子电流进行解调，附加的电压分量产生均值为零的转矩和可忽略的转矩、位置波动，电流分量的幅值因为电动机的凸极效应依赖于转子位置角，与高频附加电压矢量的位置角联系起来，在内永磁同步电动机中当电流幅值的最大值发生在电压矢量与最大电感轴重合的时候，识别转子轴的绝对位置，以实现对直驱螺杆泵的无位置控制。

具体的，螺杆泵地面直接驱动装置所用的永磁同步电动机既是执行元件，也是传感元件，电动机的电流、电压信号中包含了电动机转子转速、位置的信息。这种技术的关键就是如何根据测量得到的电动机电流、电压信号估计电动机转速、转子位置。这类方法可以通过计算同步电动机定子磁链空间矢量来估计电动机转子空间位置，也可以通过计算同步电动机的随转子位置变化的相电感来估计转子位置，或者通过检测电枢绕组反电势过零点的位置估计转子位置。其优点是计算量小，简单，易于实现，但在低速情况下估计精度下降，而且此法对电动机的参数依赖较大，当由于温度变化、磁饱和效应等导致电动机参数发生变化时调速精度也随之下降，鲁棒性差。利用高频的定子电压分量(600Hz)和对产生的定子电流进行适当的解调，附加的电压分量产生均值为零的转矩和可以忽略的转矩、位置波动，电流分量的幅值因为电动机的凸极效应依赖于转子位置角，所以可以与高频附加电压矢量的位置角联系起来，在内永磁同步电动机中，电流幅值的最大值发生在电压矢量与最大电感轴重合的时候，这样可识别转子d、q轴的绝对位置构成如图2所示的的控制方框图。可见，基于永磁同步电动机电磁关系的无位置传感器技术主要研究工作是提高鲁棒性，改善低速段的调速性能。

螺杆泵地面直接驱动装置智能控制方法即利用可测量的电机参量，诸如电压、电流等，来推算出转子的当前位置，这样就省去了对电机安装、运行和维护极为不便的位置传感器，同时也节省了成本。电动机的驱动器控制系统采用双闭环控制，电流闭环控制和速度闭环控制。原理框图如图3所示。常用的有全阶状态观测器、自适应观测器、变结构观测器、卡尔曼滤波器等，这种方法动态性能好，稳定性高、参数鲁棒性强，缺点是在低速段调速效果依然不是很理想，而且算法复杂，计算量很大，但近年来随着微处理器的发展，各种高速数字信号处理器DSP的出现和性能不断提高。以前认为是不可能的方法也成了现实。此方法利用电动机线电流，对转子转动方向没有要求并且不需要附加的硬件检测。控制策略包括一个完全线性反馈控制器和一个非线性状态观测器。基于α-β坐标系的非线性观测器为线性反馈和速度调节提供了状态估计。提出的控制系统的稳定性和表现也通过用永磁同步电动机和一片DSP组成的实验装置加以证明。结果表明提出的控制方案在速度调节中具有很高的精度，并且电动机处于开环控制模式时只在开始和给定值变化阶段速度跟踪有较大误差。使用恒压变频的开环控制可以使系统在观测器的奇异点ω＝0处的邻域正常工作。

状态观测器的状态方程为：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}\mathrm{\θ}\\ \widehat{\mathrm{\ω}}\\ {\hat{i}}_{\mathrm{\α}}\\ {\hat{i}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\widehat{\mathrm{\ω}}\\ -\frac{3}{2}\frac{\mathrm{P\Φ}}{J}{\hat{i}}_{\mathrm{\α}}\sin \left(P\widehat{\mathrm{\θ}}\right)+\frac{3}{2}\frac{\mathrm{P\Φ}}{J}{\hat{i}}_{\mathrm{\β}}\cos \left(P\widehat{\mathrm{\θ}}\right)-\frac{B}{J}\widehat{\mathrm{\ω}}\\ -\frac{R}{L}{\hat{i}}_{\mathrm{\α}}+\frac{\mathrm{P\Φ}}{L}\widehat{\mathrm{\ω}}\sin \left(\mathrm{P\θ}\right)\\ -\frac{R}{L}{\hat{i}}_{\mathrm{\β}}-\frac{\mathrm{P\Φ}}{L}\widehat{\mathrm{\ω}}\cos \left(P\widehat{\mathrm{\θ}}\right)\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ \frac{1}{L}{u}_{\mathrm{\α}}\\ \frac{1}{L}{u}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}\mathrm{\Λ}& 0\\ 0& I\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{K}_x\\ K_y\end{array}\right](y-\hat{y})$

$\mathrm{\Λ}=\frac{L}{\mathrm{P\Φ}}\left[\begin{array}{cc}\cos \left(P\widehat{\mathrm{\θ}}\right)/\widehat{\mathrm{\ω}}& \sin \left(P\widehat{\mathrm{\θ}}\right)/\widehat{\mathrm{\ω}}\\ \sin \left(P\widehat{\mathrm{\θ}}\right)& -\cos \left(P\widehat{\mathrm{\θ}}\right)\end{array}\right],y=\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

$\hat{y}=\left[\begin{array}{c}{\hat{i}}_{\mathrm{\α}}\\ {\hat{i}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

分别为转子角位移、转子角速度、α、β轴电流的估计值。

P、Φ、J、R、L、B分别为电动机的极对数、磁链、转动惯量、电阻、电感、摩擦系数。

u_α、u_β、i_α、i_β分别为α、β轴电压、电流。

K_x、K_y为状态观测器增益。

其中通过电流闭环完成矢量控制。矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，而最终实施仍然是落实在对定子电流(交流量)的控制上。由于在定子侧的各物理量(电压、电流、电动势、磁动势)都是交流量，其空间矢量在空间上以同步旋转，调节、控制和计算均不方便。因此，需借助于坐标变换，使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，站在同步旋转的坐标系上观察，电动机的各空间矢量都变成了停止矢量，在同步坐标系上的各空间矢量就都变成了直流量，可以根据转矩公式的几种形式，找到转矩和被控矢量的各分量之间的关系，实时地计算出转矩控制所需的被控矢量的各分量值——直流给定量。按这些给定量实时控制，就能达到直流电动机的控制性能。通过测量电动机的反电势，然后经过高级的控制算法计算出转子的位置角度，来构成速度闭环。这样大大提高系统的稳定性。另外，电动机工作电流、转速、转矩、有功功率以及无功功率这些数据在控制过程中已经得出。无需专门测量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种直驱螺杆泵智能控制方法，其特征在于，包括：

利用高频的定子电压分量和对产生的定子电流进行解调，附加的电压分量产生均值为零的转矩和可忽略的转矩、位置波动，电流分量的幅值因为电动机的凸极效应依赖于转子位置角，与高频附加电压矢量的位置角联系起来，在内永磁同步电动机中当电流幅值的最大值发生在电压矢量与最大电感轴重合的时候，识别转子轴的绝对位置，以实现对直驱螺杆泵的无位置控制。

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