CN105429554B - 一种抽油机用开关磁阻驱动系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种抽油机用开关磁阻驱动系统的控制方法，属于电气工程领域。涉及一种抽油机用开关磁阻电机驱动系统的平稳、高效、节能控制方法，特别涉及一种抽油机负载特性的自动辨识方法和基于负载特性的开关磁阻电机的自适应控制方法。其负载转矩切换点检测方法的特征是，不附加任何传感器和电路，而是检测开关磁阻电机自带的位置传感器的脉冲个数，同时对电流检测电路检测到的三相电流进行采样，通过微控制器进行计数和判断。控制系统经过自学习，完成抽油机一个冲次中转矩切换点位置的量化后，自动进入负载自适应控制状态，根据抽油机的负载特性，改变转速调节器和电流调节器的PI参数，使开关磁阻电机的输出转矩与抽油机的负载转矩匹配。

Description

一种抽油机用开关磁阻驱动系统的控制方法

技术领域

本发明属于电气工程领域，涉及一种抽油机用开关磁阻电机驱动系统的平稳、高效、节能控制方法，特别涉及一种抽油机负载特性的自动辨识方法和基于负载特性的开关磁阻电机的自适应控制方法。

背景技术

开关磁阻电机因具有结构简单、功率因数高、起动电流小、起动转矩大、调速范围宽、运行效率高和可频繁启停等一系列优点而越来越多的应用到抽油机驱动中，但是由于抽油机的负荷是呈周期性波动的，曲柄转动一周，抽油机的负荷既有制动区域，也有拖动区域；且现有的开关磁阻电机传动系统是以转速为控制目标的，当将其应用于抽油机驱动时，很难与抽油机的负载特性相匹配。特别是当抽油机负载由制动性质变为拖动性质时，电机转速急剧增大，驱动系统依据转速变化而突然改变电机的工作状态，会导致抽油机系统效率降低、皮带抖动等严重问题。为此，需要在抽油机的一个冲次中，根据其负载特性自动切换开关磁阻电机的工作状态，使得电机的输出转矩与负载转矩相匹配。

由于抽油机运行工况复杂多变，在一个冲次中负载转矩性质切换点随着平衡块质量和井况的不同而变化，采用工程中常用的外置传感器方法不仅增加成本，而且无法检测这些切换点，因此需要发明一种抽油机负载特性的自动辨识方法和与负载特性匹配的开关磁阻电机控制方法。

发明内容

本发明要解决的技术难题是发明一种准确检测抽油机在一个冲次中负载转矩切换点的方法，进一步的，发明一种适应抽油机负载的开关磁阻电机系统控制方法，实现抽油机驱动系统的高效、平稳、节能控制。

本发明的技术方案：

一种抽油机用开关磁阻驱动系统的控制方法，是一种抽油机冲程中负载转矩切换点的检测方法和一种与抽油机负载特性相匹配的开关磁阻电机系统控制方法的结合；

所述的控制方法所应用的负载转矩切换点的检测方法中不附加传感器和电路，用于检测抽油机用开关磁阻驱动系统中开关磁阻电机4自带的位置传感器6的脉冲个数，同时对电流检测电路5检测到的三相电流进行采样，通过微控制器1进行计数和判断。

具体方法如下：

抽油机用开关磁阻驱动系统通电运行后，采用不加制动的传统转速、电流双闭环控制，控制系统处于自学习阶段，微控制器1根据以下特征判断抽油机负荷曲线中的转矩切换点N0、N1、N2和N3。

N0点是一个冲次周期的起始点，N3是上一个周期的结束点，即为下一个周期的起始点；对于连续冲次周期，N0和N3均为起始点；在起始点处，开关磁阻电机转速稳定于给定转速，且控制系统的三相电流均为零。

N1点是负载转矩由制动变为拖动的过渡点，当转速调节器和电流调节器的输出均处于递减过程中，在N1点处，控制系统的三相电流均为0，从N1点开始，开关磁阻电机转速不受控制地增大。

N2点是负载转矩由拖动变为制动的过渡点，当转速调节器和电流调节器的输出均为0，三相电流均为0，在N2点处，开关磁阻电机转速开始回落。

位置传感器6的三个检测元件E1、E2和E3在开关磁阻电机的一个通电循环内产生6种位置状态，每一次位置状态的改变均触发微处理器1的捕获中断，开关磁阻电机转动一周触发的中断脉冲数Int_count为

Int_count＝N_r×6 (1)

其中，N_r为所用开关磁阻电机的转子极数。

抽油机工作时，由开关磁阻电机的输出轴通过皮带传动带动减速箱的皮带轮转动，抽油机在一个冲次周期中触发的中断脉冲数Int_total为

其中，D_m为电机输出端皮带轮直径，D_n为减速箱皮带轮直径，J_n为减速箱传动比；

将N0点作为计数的起点，由微控制器1通过其输入捕获口CAP1、CAP2和CAP3对位置信号的中断脉冲进行累计，微控制器1自动记录下对应切换点N1的计数值Num1、对应切换点N2的计数值Num2和对应切换点N3的计数值Num3。由于N3是一个冲次周期的终点，也是下一个冲次周期的起点，故Num3＝Int_total，即位置信号的脉冲个数累计到Int_total时，抽油机完成了一个冲次周期，微控制器1将计数值清零，重新开始累计。

微控制器1通过对捕获中断的脉冲次数进行计数，当连续三次获得的计数值Num0、Num1、Num2和Num3与学习过程中各自平均值的误差不超过1％时，即完成了对抽油机一个冲次周期中转矩切换点位置的量化，实现对开关磁阻电机的准确控制。

本发明控制方法的特征是，控制系统经过自学习，完成抽油机一个冲次周期中转矩切换点位置的量化后，自动进入负载自适应控制状态，根据抽油机的负载特性，改变转速调节器和电流调节器的PI参数，使开关磁阻电机的输出转矩与抽油机的负载转矩匹配。具体方法如下：

根据微控制器1学习得到的转矩切换点N1、N2和N3对应的计数值Num1、Num2和Num3，将一个冲次周期分为3个区间，并分别施以不同的PI控制参数。将正常运行时转速环的比例参数和积分参数值分别记作K_Pn和K_In，将电流环的比例参数和积分参数值分别记作K_PC和K_IC，不同区间控制参数值的大小由系数q决定。K_Pn、K_In、K_PC、K_IC、q均为常数，其值根据具体工况整定；

计数区间Num0～Num1内，抽油机负载变化幅度较大，要求电流和转速的响应速度比较快，所以电流环及转速环的比例系数应当为一个比较大的值，此区间使用电动通电逻辑。转速环的比例参数和积分参数值分别设置为：q×K_Pn、K_In，电流环的比例参数和积分参数分别设置为q×K_PC、K_IC，其中q>1。

计数区间Num1～Num2内，抽油机负载为负值，拖动电机运行，应当使用制动通电逻辑，为防止转速超调过多，转速环仅使用比例项来调节，比例系数设置为q×K_Pn，积分系数设置为0；电流环参数保持K_PC、K_IC不变。制动过程产生的电能储到电容中，用于下个区间供电。

计数区间Num2～Num3内，抽油机负载变化幅度相对区间0～Num1来说较小，可适当减小双闭环比例系数并增大积分系数，此区间使用电动通电逻辑。转速环的比例参数和积分参数设置为：K_Pn、q×K_In；电流环的比例参数和积分参数分别设置为K_PC、q×K_IC，其中q>1。

本发明具有以下显著效果：

1)只需检测捕获中断次数即可精确确定抽油机冲程位置，不需外加传感器等设备。

2)解决了采用传统PI控制方法时转速超调严重、电机输出力矩不能实时跟随负载变化、传动皮带剧烈抖动等问题，确保抽油机系统高效运行。

3)在区间Num1～Num2内对电机进行合理的制动控制，不仅确保了抽油机平稳性，还有效的利用了制动过程存储到电容中的电能，提高了抽油机的节能效果。

附图说明

图1为抽油机用开关磁阻驱动系统示意图。

图2为一个冲程周期内抽油机减速箱负荷的波形示意图。

图3为开关磁阻电机的位置传感器结构图。

图中：1微控制器；2三相整流与滤波电路及其母线电压检测电路；3功率变换器；4三相开关磁阻电机；5电流检测电路；6位置传感器；6-1遮光盘；6-2位置传感器PCB；E1、E2、E3分别为三个检测元件；P直流母线的正极；N直流母线的负极；N0为一个冲程周期的起点；N1为负载转矩由正到负的切换点；N2负载转矩由负到正的切换点；N3为一个冲程周期的终点。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式。

本发明的具体实施方式如图1所示，微控制器1是16位单片机DSPIC33FJ128MC706，三相整流与滤波电路及其母线电压检测电路2检测功率变换器3的直流母线电压U_dc，将其输入到微控制器1的ADC0口。开关磁阻电机4是为12/8极的三相开关磁阻电机，额定功率为11kW，额定转速为750r/min，它由功率变换器3供电，并由电流检测电路5检测其三相绕组的电流，分别输入到微控制器1的ADC1口、ADC2口、ADC3口。位置传感器6中的三个检测元件E1、E2、E3依次相隔7.5°，其输出信号分别输入到微控制器1的捕获中断口CAP0、CAP1、CAP2。根据位置信号电平的变化可计算捕获中断的脉冲数，通过公式(1)可知，电机转动一周产生48个位置中断脉冲。

开关磁阻电机4驱动的抽油机型号为CYJ3-2.1-13HF，每分钟4～6个冲次，结构不平衡重为450kg，抽油机减速箱的传动比J_n＝32.54，最大扭矩为13kN﹒m。电机的转子轴伸端皮带轮直径D_m＝240mm，减速箱皮带轮直径D_n＝1100mm，根据公式(2)可得一个冲次内位置信号产生的中断脉冲数为

开关磁阻电机系统在开始通电运行后的一段时间内，采用不加制动的传统转速、电流双闭环控制，微控制器1通过自学习得到的转矩切换点N0、N1、N2、N3对应的计数值Num0、Num1、Num2、Num3分别为：0、2368(±1％)、3976(±1％)、7159。

当开关磁阻电机驱动系统进入负载转矩自适应控制状态后，微控制器1通过实时查询中断脉冲计数值并与Num0、Num1、Num2、Num3进行比较，判断负载区间，不同区间使用不同的转速调节器和电流调节器PI参数，使开关磁阻电机的转矩与抽油机的负载转矩匹配，具体数值如下：

不加制动双闭环控制时，转速环比例参数和积分参数分别为K_Pn＝5，K_In＝0.5；电流环的比例参数和积分参数分别为K_PC＝4.5，K_IC＝1。

在计数区间Num0～Num1内，转速环PI参数值分别为10、0.5，电流环PI参数分别为9、1，q＝2。此区间使用电动通电逻辑。

计数区间Num1～Num2内，转速环PI参数分别为10、0，电流环PI参数分别为9、1，q＝2。此区间使用发电制动逻辑。

计数区间Num2～Num3内，转速环PI参数分别5、1，电流环PI参数分别为4.5、2，q＝2。此区间使用电动通电逻辑。

表1给出了在相同的负载条件下，采用开关磁阻电机驱动CYJ3-2.1-13HF型抽油机和与原来采用异步电动机驱动时的对比数据，可见采用开关磁阻电机驱动可以获得良好的节能效果。

表1开关磁阻电机与异步电动机驱动对比

本发明的开关磁阻电机驱动系统可以实现抽油机驱动的准确控制，达到电机与负载的良好匹配，从而提高抽油机运行的平稳性，取得显著的节能效果。

Claims (1)

1.一种抽油机用开关磁阻驱动系统的控制方法，其特征在于，该控制方法是基于抽油机冲程中负载转矩切换点的检测方法和与抽油机负载特性相匹配的开关磁阻电机系统控制方法的结合；

(1)对抽油机用开关磁阻驱动系统中的开关磁阻电机进行准确控制

抽油机用开关磁阻驱动系统通电运行后，采用不加制动的传统转速、电流双闭环控制，控制系统处于自学习阶段，微控制器根据以下特征判断抽油机负荷曲线中的转矩切换点N0、N1、N2和N3；

N0点是一个冲次周期的起始点，N3点是上一个冲次周期的结束点，即为下一个冲次周期的起始点；对于连续冲次周期，N0点和N3点均为起始点；在冲次周期的起始点处，开关磁阻电机转速稳定于给定转速，且控制系统的三相电流均为零；

N1点是负载转矩由制动变为拖动的过渡点，当转速调节器和电流调节器的输出均处于递减过程，在N1点处，控制系统的三相电流均为0，从N1点开始，开关磁阻电机转速不受控制地增大；

N2点是负载转矩由拖动变为制动的过渡点，当转速调节器和电流调节器的输出均为0，三相电流均为0，在N2点处，开关磁阻电机转速开始回落；

位置传感器的三个检测元件E1、E2和E3在开关磁阻电机的一个通电循环内产生6种位置状态，每一次位置状态的改变均触发微处理器的捕获中断，开关磁阻电机转动一周触发的中断脉冲数Int_count为

Int_count＝N_r×6 (1)

其中，N_r为所用开关磁阻电机的转子极数；

抽油机工作时，由开关磁阻电机的输出轴通过皮带传动带动减速箱的皮带轮转动，抽油机在一个冲次周期中触发的中断脉冲数Int_total为

<mrow> <mi>I</mi> <mi>n</mi> <mi>t</mi> <mo>_</mo> <mi>t</mi> <mi>o</mi> <mi>t</mi> <mi>a</mi> <mi>l</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>D</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>J</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mi>I</mi> <mi>n</mi> <mi>t</mi> <mo>_</mo> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>u</mi> <mi>n</mi> <mi>t</mi> </mrow> <msub> <mi>D</mi> <mi>m</mi> </msub> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中：D_m为电机输出端皮带轮直径，D_n为减速箱皮带轮直径，J_n为减速箱传动比；

将N0点作为计数的起点，由微控制器通过其输入捕获口CAP1、CAP2和CAP3对位置信号的中断脉冲进行累计，微控制器自动记录下对应切换点N1点的计数值Num1、对应切换点N2点的计数值Num2和对应切换点N3点的计数值Num3；N3点是一个冲次周期的终点，也是下一个冲次周期的起点，故Num3＝Int_total，即位置信号的脉冲个数累计到Int_total时，抽油机完成了一个冲次周期，微控制器将计数值清零，重新开始累计；

微控制器通过对捕获中断的脉冲次数进行计数，当连续三次获得的计数值Num0、Num1、Num2和Num3与学习过程中各自平均值的误差不超过1％时，即完成了对抽油机一个冲次周期中转矩切换点位置的量化，实现对开关磁阻电机的准确控制，其中，Num0为对应切换点N0点的计数值；

(2)控制系统经过自学习，完成抽油机一个冲次周期中转矩切换点位置的量化后，自动进入负载自适应控制状态，根据抽油机的负载特性，改变转速调节器和电流调节器的PI参数，使开关磁阻电机的输出转矩与抽油机的负载转矩匹配；具体方法如下：

根据微控制器学习得到的转矩切换点N1、N2和N3对应的计数值Num1、Num2和Num3，将一个冲次周期分为3个区间，并分别施以不同的PI控制参数；将正常运行时转速环的比例参数和积分参数值分别记作K_Pn和K_In，将电流环的比例参数和积分参数值分别记作K_PC和K_IC，不同区间控制参数值的大小由系数q决定；K_Pn、K_In、K_PC、K_IC、q均为常数，其值根据具体工况整定；

计数区间Num0～Num1内，转速环的比例参数和积分参数值分别设置为：q×K_Pn、K_In，电流环的比例参数和积分参数分别设置为q×K_PC、K_IC，其中q>1；

计数区间Num1～Num2内，抽油机负载为负值，拖动开关磁阻电机运行，使用制动通电逻辑，防止转速超调过多，使用比例项调节转速环，转速环的比例参数和积分参数值分别记作q×K_Pn和0；电流环的比例参数和积分参数值分别记作保持K_PC和K_IC不变；制动过程产生的电能储到电容中，用于下个区间供电；

计数区间Num2～Num3内，抽油机负载变化幅度相对区间Num0～Num1来说较小，减小双闭环比例参数并增大积分参数，此区间使用电动通电逻辑；转速环的比例参数和积分参数设置为K_Pn和q×K_In；电流环的比例参数和积分参数分别设置为K_PC、q×K_IC，其中q>1。