本發明屬于油田抽油機電氣傳動及控制設備，特別是涉及一種抽油機用高效開關磁阻電機控制裝置。

背景技術：

目前，在石油開采過程中，抽油機的動力主要采用以下兩種方案：一是交流異步電動機，電機工作效率低，在控制方法上，沒有采用機井出油流量-沖次閉環控制，電機的工作狀況與機井流量無關，長期全速運行能量損耗大；二是采用單片機作為控制器對抽油機用開關磁電機進行控制，但控制精度和效率低，無法精確實時檢測抽油機工況和機井流量的實際工況，直接影響經濟效益和設備壽命。

技術實現要素：

針對以上不足，本發明的目的是提供一種抽油機用高效開關磁阻電機控制裝置，該裝置采用DSP控制器，可以使控制對象-開關磁阻電機的工況實時隨抽油機流量的變化而變化，及時調節轉速，改變抽油機的沖次，使抽油機控制系統更加精準，更加高效節能，功能更加強大，可靠性更高。

實現本發明目的采用的技術方案是：

高效節能的抽油機控制裝置包括：

一DSP控制器，用以存儲抽油機轉矩曲線數據和相關計算，采集流量、電壓電流和轉速信息，產生控制開關磁阻電機電壓、電流、轉速、轉矩以及開通角開通角θ_on和關斷角θ_off的驅動信號；

一與DSP控制器電連接的FPGA邏輯信號處理器，用以對控制信號、故障信號、通訊信號等進行邏輯處理，同時對相關信號進行數字信號濾波；

一與FPGA邏輯信號處理器電連接的MCU控制顯示面板，用以對整機進行面板控制以及與DSP控制器進行相關的數據交互，同時將整個設備的關鍵數據顯示在顯示屏上；

一與DSP控制器電連接的采樣電路，用以采集功率變換電路和開關磁阻電機的電壓、電流、溫度信號，以及通過流量檢測器檢測到的抽油機的流量信號；

一流量檢測器，安裝在抽油機進油管上并與采樣電路電連接，用以檢測抽油機井石油流量；

一與FPGA邏輯信號處理器電連接的邏輯變換電路，將從采樣電路和驅動電路等傳來的信號進行邏輯處理，變成FPGA邏輯信號處理器能夠識別的數字信號，用于對整個系統運行的故障和狀態采集；

一與FPGA邏輯信號處理器電連接的驅動器，用以將從DSP控制器輸出經過FPGA邏輯信號處理器處理的PWM脈沖變成滿足功率器件驅動要求的脈沖；

一與驅動器電連接的功率變換電路，用以將驅動器的脈沖進行功率放大，以便驅動開關磁阻電機；

一與功率變換電路電連接的開關磁阻電機，用以將電能轉換為機械能；

一抽油機：在開關磁阻電機拖動下抽取井下石油；

旋轉編碼器：其輸入端與開關磁阻電機電連接，輸出端與編碼信號處理電路電連接，用以產生位置脈沖，此脈沖作為控制開關磁阻電機時的開通角θ_on和關斷角θ_off同步脈沖，同時通過些脈沖檢測開關磁阻電機的運行速度進行速度閉環；

一與旋轉編碼器電連接的編碼信號處理電路，用以處理旋轉編碼器發出的編碼信號，并將處理后的信號傳遞給FPGA邏輯信號處理器。

本發明還可以在上述技術方案的基礎上，增加了外部數據交互電路，整個系統同外部設備進行數據傳輸通過外部數據交互電路實現，外部數據交互電路與MCU控制顯示面板電連接，當MCU控制顯示面板對整個系統的數據采集和統計完成之后，可以通過外部數據交互電路將數據傳輸到計算機或云端進行數據統合統計和處理，從而實現對整個油田所有設備的監控。

本發明的優點和積極效果在實際應用中充分體現在：

1.將抽油機流量、開關磁阻電機及控制裝置視為一個完整系統，進行整體設計，參數調整，實現基于流量——沖次的閉環控制，達到系統工況隨機井流量變化而變化，提高抽油機工作效率，節約電能。

2.開關磁阻電機在全速下，通過對電壓、電流、速度以及石油的流量的信號采集，計算出最優的電流、速度給定值以及最優開通角θ_on和關斷角θ_off給定值，通過閉環控制獲取最大平均轉矩，提高開關磁阻電機的帶負載能力，充分利用輸入電能。

3.DSP控制器根據開關磁阻電機的電流和速度反饋調節開通角θ_on和關斷角θ_off，轉速增加，電流變大，負載功率變大，開通角θ_on就提前，反之則延后。由于關斷角θ_off對系統功率和轉速影響有限，所以針對關斷角θ_off我們僅僅只做一些微調。

4.該控制裝置通過開關磁阻電機的轉子信號組成速度負反饋控制，采集的流量信號經DSP控制器線性處理后作為系統的速度給定信號，通過開關磁阻電機的相電流組成電流負反饋控制，使整個系統形成一個完整的閉環，提高傳動系統的機械特性，有益于提高系統效率。

以下結合附圖進一步說明本發明的技術方案。

附圖說明

圖1是本發明的原理框圖。

圖2是本發明中采樣電路圖。

圖3是本發明中邏輯變換電路圖。

圖4是本發明中驅動電路圖。

圖5是本發明中開關磁阻電機的功率變換電路圖。

圖6是本發明中系統控制框圖。

圖7是本發明低速和低功率運行時的功率器件(如IGBT)驅動脈沖波形圖。

圖8是本發明高速和高功率運行時的功率器件(如IGBT)驅動脈沖波形圖。

具體實施方式

本發明裝置是基于流量——沖次閉環抽油機SR電動機控制系統。它的實現方法很多，模擬的和數字的都能實現，現針對四相12/8極的開關磁阻電動機為控制對象，用一個數字控制的實施例來說明。

如圖1所示，本裝置包括DSP控制器1、采樣電路2、流量檢測器3、邏輯變換電路4、MCU控制顯示面板5、FPGA邏輯信號處理器6、驅動器7、功率變換電路8、開關磁阻電機9、抽油機10、外部數據交互設備11、編碼信號處理電路12和旋轉編碼器13。

DSP控制器1用以存儲抽油機控制參數和進行相關計算，DSP選用C2000系列數字信號處理器的TMS320F28335，它是一個由數字部件和模擬部件混合的微型控制器，Harvard結構內核，有4M×16位的程序存儲空間和4M×16數據存儲空間，片上有 256K×16 位的 FLASH，頻率可用到150MHz；16路AD采樣通道，12路ePWM輸出，6路32位Ecap/eQEP輸入，6個DMA通道，1個I2C，3個SCI，3個SPI，2個Ecan。因此，選用該DSP可以很好的完成位置、轉速、流量檢測和轉速電流的閉環控制。在AD采樣通道中，ADCINA0、ADCINA1、ADCINA2采集開關磁阻電機9的相電流，ADCINA3采集功率變換電路8的輸入母線電壓，ADCINA4采集功率變換電路8的功率管的溫度信號，ADCINA5采集開關磁阻電機9內部線包的溫度信號，ADCINA6采集抽油機的流量信號。ePWM控制輸出口由Epwm1A、Epwm1B、Epwm2A、Epwm2B、Epwm3A、Epwm3B提供，用于驅動功率變換電路8以實現對開關磁阻電機9的控制。Ecap/eQEP編碼信號采集通道主要由ECAP1、ECAP2、ECAP3提供，用于采集開關磁阻電機9轉子位置和速度信號。DMA通道用來對AD采集和通訊進行硬件信號處理，以加快數據的處理速度。其余通訊接口的所有接口都和FPGA邏輯信號處理器相連接，以實現對外圍通訊以及存儲接口的連接，進而進行數據存儲和數據通訊。在抽油機上沖次階段，DSP控制器1控制開關磁阻電機9工作在電動狀態，向抽油機提供上升動能；在下沖次階段，DSP控制器1控制開關磁阻電機9工作在制動狀態，將抽油機上降的勢能轉化為電動回饋到母線中。

FPGA邏輯信號處理器6與DSP控制器1電連接，用以對控制信號、故障信號、通訊信號等進行邏輯處理，同時對相關信號進行數字信號濾波。選用Cyclone III系列邏輯芯片EP3C10F256C8N作為FPGA的處理器，它有10320個邏輯單元， 423936位的RAM，182個可能的I/0輸入輸出口，因完全滿足些項目對邏輯信號處理的需求。其中，TMS320F28335的ePWM輸出接口Epwm1A、Epwm1B、Epwm2A、Epwm2B、Epwm3A、Epwm3B分別接EP3C10F256C8N的輸入接口Epwm1A、Epwm1B、Epwm2A、Epwm2B、Epwm3A、Epwm3B；EP3C10F256C8N的輸出接口Epwm1A_Out、Epwm1B_Out、Epwm2A_Out、Epwm2B_Out、Epwm3A_Out、Epwm3B_Out 分別與驅動器的輸入接口Epwm1A_Out、Epwm1B_Out、Epwm2A_Out、Epwm2B_Out、Epwm3A_Out、Epwm3B_Out相連接；EP3C10F256C8N的編碼信號輸出接口ECAP1、ECAP2、ECAP3分別與TMS320F28335輸入接口ECAP1、ECAP2、ECAP3相連接；EP3C10F256C8N的編碼信號輸入接口ECAP1_In、ECAP2_In、ECAP3_In 分別與編碼信號處理電路相連接；TMS320F28335的通訊接口I2C、SPI、SCI、Ecan分別與EP3C10F256C8N相應的通訊輸入輸出接口相連接；EP3C10F256C8N的外部I2C接口I2C_Out與外部存儲芯片EEPROM連接；EP3C10F256C8N的外部SCI接口SCI_Out與MCU控制顯示面板5的SCI_ In相連接，用于DSP控制器1和控制顯示面板5之間的數據傳輸和協同控制；EP3C10F256C8N的故障輸入接口分別與邏輯變換電路處理后相應的開關磁阻電機9的相電流、功率變換電路8的輸入母線電壓、功率變換電路8的功率管溫度、開關磁阻電機9內部線包溫度，抽油機的流量信號和功率變換電路8的功率管短路等故障輸出接口相連。

MCU控制顯示面板5與FPGA邏輯信號處理器6電連接，用以對整機進行面板控制以及與DSP控制器1進行相關的數據交互，同時將整個設備的關鍵數據顯示在顯示屏上。選用ST公司的32位ARM微控制芯片STM32F103作為MCU控制顯示面板5的控制器。該芯片有多達8個定時器，3個16位定時器，2個I2C接口(支持SMBus/PMBus)，3個USART接口(支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和調制解調控制)，2個SPI接口(18M位/秒)，CAN接口(2.0B主動)，USB 2.0全速接口。其中，STM32F103的I2C接口同數據存儲芯片EEPROM相連接，STM32F103的USART0接口同與FPGA邏輯信號處理器6通訊的485通訊接口相連接；STM32F103的USART1與外部設備交互設備11的485通訊接口相連接；STM32F103的CAN通訊接口與外部設備交互設備11的CAN通訊接口相連接；MCU控制顯示面板5的以太網接口與外部設備交互設備11的以太網接口相連接；STM32F103的顯示輸出接口DC、WR、RD、D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、CS、RST分別與顯示屏的DC、WR、RD、D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、CS、RST接口相連接；STM32F103的SD卡控制接口SD_DATA2、SD_DATA3、SD_CMD、SD_CLK、SD_DATA0、SD_DATA1分別與MicroSD的控制輸入輸出接口SD_DATA2、SD_DATA3、SD_CMD、SD_CLK、SD_DATA0、SD_DATA1相連接。

采樣電路2與DSP控制器1電連接，用以采集功率變換電路8和開關磁阻電機9的電壓、電流、溫度信號，以及通過流量檢測器檢測3到的抽油機10的流量信號。由于所有采樣信號都是直流信號，因些采樣電路結構都相同，都采用兩級放大的采樣結構，其電路如圖2所示。AD_IN為采樣電路經傳感器處理后的輸出信號，開關磁阻電機9的相電流采樣用的是霍爾傳感器，功率變換電路8的輸入母線電壓采用的是電阻分壓方式采樣，溫度的采集采用的是溫度傳感器，抽油機10的流量信號采用的是流量傳感器。傳感器輸出的AD_IN信號經LF253MX放大電路兩級放大，變成最終輸入TMS320F28335芯片的采樣電壓ADCINA。其中，第一級放大采用的負反饋放大電路，第二級采用的是跟隨電路。第一級放大輸出的AD_For_COMP模擬信號為邏輯變換電路4的輸入信號。

邏輯變換電路4與FPGA邏輯信號處理器6電連接，用以將從采樣電路2和驅動器7等傳來的信號進行邏輯處理，變成FPGA邏輯信號處理器6能夠識別的數字信號，用于對整個系統運行的故障和狀態采集。邏輯變換電路4接收來自采樣電路2的輸出模擬信號AD_For_COMP，輸入圖3所示的比較電路，將模擬信號AD_For_COMP變成數字信號AD_COMP，再將數字信號AD_COMP輸入FPGA邏輯信號處理器6進行邏輯處理。采用LM393MX作為

比較電路的主要芯片，其正端接模擬輸入信號，負端接參考信號，經過比較后輸出0、1邏輯信號。

驅動器7與FPGA邏輯信號處理器6電連接，用以將從DSP控制器1輸出經過FPGA邏輯信號處理器6處理的PWM脈沖變成滿足功率器件驅動要求的脈沖。其驅動電路如圖4所示，驅動器7由于有三組六路驅動，因此，它包含三個相同的以下驅動電路。驅動電路的INA和INB為FPGA邏輯信號處理器6輸出的同一橋臂的一組PWM驅動脈沖，經74HC04兩級反相和增加驅動電壓后送到驅動控制芯片2SC0108的驅動輸入口，2SC0108對驅動進行功率放大和信號隔離后用于驅動功率變換電路8，其輸出接口C1、G1、E1接一相橋臂功率管上管的集電極、基極、發射極，C2、G2、E2接一相橋臂功率管下管的集電極、基極、發射極。SO1、SO2為上下驅動的故障輸出信號。

功率變換電路8與驅動器7電連接，用以將驅動器7的脈沖進行功率放大，以便驅動開關磁阻電機9。功率變換電路8的電路圖如圖5所示。三相交流電U、V、W經全橋整流REC整流成直流電后向功率變換電路8提供直流電源，驅動器7的三相基級輸出接口G1和G2分別接功率變換電路8的基極輸入接口TA1、TA2、TB1、TB2、TC1、TC2，功率變換電路8的三相輸出分別接電機的三相輸入線圈WA、WB、WC。

開關磁阻電機9與功率變換電路8電連接，用以將電能轉換為機械能。

抽油機10在開關磁阻電機9拖動下抽取井下石油。

旋轉編碼器13，選用光電編碼盤，其輸入端與開關磁阻電機9定子連接，輸出端與編碼信號處理電路12電連接，用以產生位置脈沖，此脈沖作為控制開關磁阻電機9時的開通角θ_on和關斷角θ_off同步脈沖，同時通過些脈沖檢測開關磁阻電機9的運行速度進行速度閉環。

編碼信號處理電路12與旋轉編碼器13電連接的，用以處理旋轉編碼器13發出的編碼信號，并將處理后的信號傳遞給FPGA邏輯信號處理器6：

本裝置的具體工作情況如下：

根據圖1，DSP控制器1初始化時，存入抽油機控制、邏輯和故障參數，這些參數是根據現場抽油機的工況和負載的功率大小進行設定。DSP控制器1控制開關磁阻電機9起動時，首先執行一段軟起動程序，使開關磁阻電機9緩慢起動而不會對系統造成沖擊。系統起動完畢后自動進入流量——沖次閉環控制。

在運行過程中，旋轉編碼器13產生三相相互差120°方波位置脈沖，此脈沖作為開通角θ_on和關斷角θ_off的同步脈沖，同時作為速度反饋信號進行速度閉環。

采樣電路2采集功率變換電路8的母線輸入電壓、開關磁阻電機9的三相線圈電流和抽油機的流量信號，然后送入DSP控制器1進行數字采樣。DSP控制器1根據采集到的信號進行速度前饋給定及負載電流、轉矩和轉速的閉環控制。

DSP控制器1是本發明裝置核心控制單元，它采集流量檢測器3輸出的流量信號、功率變換電路8的母線輸入電壓、開關磁阻電機9的三相線圈電流和編碼信號處理電路12輸出編碼信號。DSP控制器1將采集到的編碼信號送入位置估計器和速度計算器。送入位置估計器的信號用來進行轉子位置判定，同時將處理后的信號送入開關角度調節器；送入速度計算器的信號用來進行開關磁阻電機9的轉速計算，同時將計算出的轉速作為系統的速度反饋信號。DSP控制器1將采集到開關磁阻電機9的三相線圈電流進行濾波處理后一路送入開關角度調節器，另一路作為整個系統的電流反饋。DSP控制器1將采集到的流量信號送入給定轉速計算器中計算出給定轉速，然后將給定轉速作為整個系統的速度給定信號。將計算得到的給定轉速和反饋速度相減送到PI速度/轉矩控制器中進行數據處理，處理后的信號作為系統電流給定信號。然后將電流給定和電流反饋信號相減后送入PI電流調節器，得到最終的ePWM輸出信號對電機進行電流和轉速控制。送入開關角度調節器的位置和電流信號經處理后生成開通角θ_on和關斷角θ_off信號，用于調整電機的輸出功率和轉矩。通過以上閉環進一步實現流量——沖次控制。系統閉環控制系統框圖如圖6所示。