基于矢量控制的新型抽油機(jī)控制系統(tǒng)研究

林國洲 徐 盛 徐 凡

長江大學(xué) 湖北荊州 434023

基于矢量控制的新型抽油機(jī)控制系統(tǒng)研究

林國洲 徐 盛 徐 凡

長江大學(xué) 湖北荊州 434023

本文介紹了以TMS320F2812 DSP為控制核心的全數(shù)字化永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計，對控制系統(tǒng)硬件和軟件各部分的結(jié)構(gòu)和功能作了詳細(xì)的闡述。

伺服系統(tǒng)；永磁同步電機(jī)；矢量控制；空間電壓矢量PWM；DSP

國內(nèi)油田對抽油機(jī)的需求量巨大,但目前國內(nèi)油田的抽油機(jī)主要是傳統(tǒng)形式的機(jī)器,由于存在大速比的減速機(jī)構(gòu),其工作效率低。近幾年，國內(nèi)油田抽油機(jī)控制器核心技術(shù)被少數(shù)發(fā)達(dá)國家大公司壟斷，價格昂貴，維修周期長，不利于國內(nèi)油田的發(fā)展。

抽油機(jī)用永磁同步電機(jī)在轉(zhuǎn)矩控制、弱磁控制和無位置傳感器技術(shù)方面都存在實現(xiàn)上的復(fù)雜性，因此需要尋找一種新的基于矢量控制策略來解決所面臨的困難。永磁同步電機(jī)是一個多變量、非線性、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，其輸出轉(zhuǎn)矩與定子電流不成正比，而是復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，因此要得到好的控制性能，必需進(jìn)行磁場解耦，這種特點恰好適于應(yīng)用矢量變換控制技術(shù)。

結(jié)合實際系統(tǒng)，介紹了以TMS320F2812 DSP為控制核心的全數(shù)字化永磁同步電機(jī)(PMSM)伺服控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計，對控制系統(tǒng)硬件和軟件各部分的結(jié)構(gòu)和功能作了闡述。

一、系統(tǒng)原理分析與總體設(shè)計

控制算法是電動機(jī)控制實時性的主要因素之一，也是控制精度的決定因素，因此，應(yīng)用先進(jìn)合理的算法可以提高系統(tǒng)的控制性能。由德國學(xué)者F.Blashke提出的定向矢量控制，是一種影響廣泛的交流電動機(jī)變頻調(diào)速控制策略。矢量控制使交流電動機(jī)的調(diào)速性能可以與直流電動機(jī)的調(diào)速性能相媲美，實現(xiàn)瞬時值的控制且相應(yīng)速度快。

1.矢量控制的原理

電動機(jī)的控制系統(tǒng)特性歸根到底是轉(zhuǎn)矩特性，而轉(zhuǎn)矩電流和磁通能否獨立控制和調(diào)節(jié)，決定轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生是否線性和可控。矢量控制是通過測量和控制電動機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對電動機(jī)勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到對電動機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制的目的。具體是將電動機(jī)定子電流矢量，分解為產(chǎn)生磁場的電流分量(勵磁電流)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的分量(轉(zhuǎn)矩電流)分別加以控制，并同時控制兩分量的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以將這種方式稱為矢量控制方式。矢量控制方式又分為基于轉(zhuǎn)差頻率的控制方式、無速度傳感器控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。

2.永磁同步電機(jī)的控制策略

永磁交流伺服系統(tǒng)幾十年來的發(fā)展表現(xiàn)最突出的是不斷進(jìn)步的控制策略，其中有代表性的是：恒壓頻比控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、非線性控制、自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、智能化控制等。

矢量控制原理是以轉(zhuǎn)子磁場定向，在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，把定子電流矢量分解為兩個分量：一個分量與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐睾?，產(chǎn)生磁通，稱為勵磁電流分量MI；另一個分量與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶看怪保a(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，稱為轉(zhuǎn)矩電流分量TI。通過控制定子電流矢量在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的位置及大小，即可控制勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量的大小，實現(xiàn)交流電動機(jī)像直流電動機(jī)那樣對磁場和轉(zhuǎn)矩控制的完全解耦。因此，矢量控制的關(guān)鍵仍是對電流矢量的幅值和空間位置(頻率和相位)的控制。該控制方法首先應(yīng)用在感應(yīng)電動機(jī)上，很快就被移植到了同步電機(jī)上。

二、伺服系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計

我們的主要工作是設(shè)計一個適合抽油機(jī)的伺服控制系統(tǒng)。為此設(shè)計了伺服系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖(如圖1所示)，根據(jù)強(qiáng)弱電的區(qū)別，系統(tǒng)由3塊電路板組成，分別是功率板、控制板、鍵盤顯示板。功率板集成了系統(tǒng)中所有的強(qiáng)電部分，包括整流逆變主電路，輔助電源，IPM驅(qū)動隔離電路，母線電壓保護(hù)電路，電流采樣電路等。控制板用DSP芯片TMS320F2812為控制核心，包括DSP外圍電路、位置信號檢測電路、位置脈沖輸入電路、電流信號調(diào)理電路、過壓過流保護(hù)電路、掉電存儲電路、串行通訊電路等。鍵盤顯示板以鍵盤顯示控制專用芯片ZLG7289為核心，由6個數(shù)碼管和4個按鍵組成。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.主電路設(shè)計

本伺服系統(tǒng)的主電路即功率部分(如圖2所示)采用典型的電壓源型交—直—交變頻電路，輸入電壓為單相220V或者三相線電壓220V，注意三相接入時，要用變壓器將市電線電壓380V變換為220V。輸入端線間接入壓敏電阻R6～R8，以限制浪涌電壓對主電路造成損壞。整流部分采用三相不控整流橋SKBPC3510，其正常工作允許電流可達(dá)35A，管子可承受反相峰值電壓為1000V，最大浪涌電流400A。

圖2 主電路框圖

當(dāng)單相或三相220V輸入時，整流濾波后直流側(cè)電壓Udmax＝ 2 ×220V=311V。

2.驅(qū)動及保護(hù)電路

IPM模塊內(nèi)部集成了各IGBT的驅(qū)動電路,因此只需將DSP輸出的PWM波經(jīng)過緩沖變換之后送IPM模塊,由于功率部分為強(qiáng)電信號,需要經(jīng)過光耦隔離(如圖3所示),本系統(tǒng)中采用高CMR的快速光耦HCPL-4504隔離驅(qū)動。另外,IPM模塊內(nèi)部帶有短路、過流等保護(hù)功能。

圖3 驅(qū)動、過流輸出電路

3.電流采樣電路

本系統(tǒng)中通過在逆變器輸出的U，V兩相中串接精密電阻進(jìn)行電流采樣(如圖2所示)，采樣電阻R4，R5規(guī)格為0.01Ω/2W。采樣得到的電壓信號經(jīng)過內(nèi)含運算放大器的線性光耦HCPL-7840進(jìn)行隔離放大。

下面以U相為例，其電流采樣電路(如圖4所示)，圖中引腳IU+與IU-分別接于圖2中主電路的采樣電阻R4兩端，假設(shè)電流瞬時值大小為IU，則經(jīng)過HCPL-7840隔離放大后引腳IUC+與IUC-間輸出電壓為UU＝0.01IU×8=0.08IU。圖中78L05用于提供線性光耦輸入側(cè)的供電電源，它與輸出側(cè)的供電電源獨立。

圖4 U相電流采樣電路

圖5 采樣信號電壓轉(zhuǎn)換電路

由于R4采樣的電流為交流信號，UU則為雙極性電壓，而TMS320F2812的A/D引腳上的輸入電壓必須為0～3V的單極性信號，因此還必須通過一個電壓變換電路將圖4中輸出的采樣電壓變換到0～3V之間(如圖5所示),使用虛短虛斷原理可以求出TLE2022A的1號引腳輸出電壓U1=10/5.6UU，TLE2022B的7號引腳輸出電壓U7=0.5U1+0.5UREF，基準(zhǔn)電壓UREF＝3V，仍由一片精密可調(diào)基準(zhǔn)電源TL431提供。電路中的參數(shù)設(shè)計以可能出現(xiàn)的相電流最大值定標(biāo)，使此時采樣的電壓信號最終變換到3V，則可以充分利用A/D轉(zhuǎn)換的精度。由以上分析可知，最終送到DSP的A/D引腳上電壓U7=1/14IU+1.5，當(dāng)校準(zhǔn)到0～3V之間時，采樣電流范圍為：-21A≤IU≤21A，因此本系統(tǒng)中電流峰值可達(dá)到21A。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件全部采用C語言開發(fā)，軟件的主要功能有：實現(xiàn)位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的控制計算；實現(xiàn)電機(jī)位置檢測、轉(zhuǎn)速計算；實現(xiàn)兩相電流的A/D采樣；實現(xiàn)SVPWM控制信號的產(chǎn)生；實現(xiàn)功率驅(qū)動保護(hù)。其中，位置環(huán)，速度環(huán)，電流環(huán)的控制計算是核心部分。軟件從結(jié)構(gòu)上分為主程序，ADC中斷處理程序，CAP3中斷處理程序，PDPA中斷處理程序4部分。

1.主程序

主程序首先要完成系統(tǒng)和所需各功能模塊的初始化，然后開啟中斷，進(jìn)入鍵顯循環(huán)子程序，等待中斷的發(fā)生。一旦中斷發(fā)生，DSP自動執(zhí)行中斷服務(wù)子程序，處理完成后繼續(xù)循環(huán)掃描鍵盤及顯示，等待下一次中斷的發(fā)生。其流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

2.ADC中斷處理子程序

電流A/D轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生ADC中斷。每次進(jìn)入A/D中斷都將進(jìn)行一次電流環(huán)的控制計算，并產(chǎn)生空間電壓矢量（SVPWM）控制信號輸出。通過在子程序中設(shè)置計數(shù)器可以保證每隔固定次數(shù)的A/D中斷進(jìn)行一次位置環(huán)和速度環(huán)的計算，以使得外環(huán)的采樣頻率比內(nèi)環(huán)(電流環(huán))小。

3.CAP3中斷處理程序

DSP的CAP3引腳接光電編碼器的Z信號輸出，因此電機(jī)每運行一周(機(jī)械角度)，將產(chǎn)生一個Z信號，系統(tǒng)將產(chǎn)生一次捕獲中斷，在其中斷處理子程序中對電機(jī)零位位置角更新。

4.PDPA中斷處理程序

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)過壓、過流等故障時，DSP的PDPINTA引腳電壓由高電平變?yōu)榈碗娖?，系統(tǒng)產(chǎn)生PDPA中斷，在其中斷子程序中將切斷DSP的PWM輸出，設(shè)置輸出引腳為高阻狀態(tài)。

四、結(jié)束語

油田抽油機(jī)現(xiàn)場不帶速度位置傳感器；對永磁同步電機(jī)實現(xiàn)速度閉環(huán)矢量控制；能判斷當(dāng)前是否處于正常運行狀態(tài)，如能夠判斷當(dāng)前是否停機(jī)，變頻器是否報出故障等。如果是意外停機(jī)，如雷擊或電網(wǎng)大干擾造成的停機(jī)要能夠自行控制變頻器重新啟動，可根據(jù)實際情況加一些智能型的判斷。

分析了數(shù)字化電流控制的實現(xiàn)方法，比較了常用的電流控制和PWM技術(shù)，詳細(xì)介紹了空間電壓矢量算法的實現(xiàn)，并推導(dǎo)出伺服控制系統(tǒng)位置、速度、電流3個控制環(huán)的數(shù)學(xué)模型。

完成了以TMS320F2812 DSP為控制核心的全數(shù)字化PMSM伺服系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計，對系統(tǒng)硬軟件各部分的結(jié)構(gòu)和功能分別做了闡述。

[1]金鈺，胡佑德，李向春.伺服系統(tǒng)設(shè)計指導(dǎo)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2000

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The design of new oil pumping machine based vector controller

Lin Guozhou, Xu Sheng, Xu Fan
Yangtze university, Jingzhou, 434023, China

Permanent magnet synchronous motor has been widely applied in servo system for unsurpassed efficiency and power density; it gradually takes the place of DC motor. With developments of power converters technology and high performance microprocessors, servo system is steadily moving towards fully digital implementation of the controllers.Fully digital AC servo system has high reliability, and it is excellently flexible to implement new control strategies without ameliorating system hardware. The thesis introduces hardware and software design of servo control system which is based on TMS320F2812 DSP. Their structure and function are described in detail.

servo system; PMSM; vector control; SVPWM; DSP

2010-05-10

林國洲，本科。