潛油式直線電機開環運動控制技術與試驗研究

王 順，黃亞農，劉尚偉，葉艷平，黎 申，于 俊

(武漢第二船舶設計研究所，武漢 430205)

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潛油式直線電機開環運動控制技術與試驗研究

王 順，黃亞農，劉尚偉，葉艷平，黎 申，于 俊

(武漢第二船舶設計研究所，武漢 430205)

針對潛油式直線電機在應用過程中出現結構破壞的現象，分析了這一問題產生的原因，并在此基礎上提出了一種新的運行模式來減輕電機的撞擊和振動從而降低其結構發生故障的概率；同時給出了控制系統的硬件設計方案以及控制策略，介紹了直線電機開環狀態下到位信息的程序檢測算法，而且通過樣機的試驗初步驗證了整個方案的可行性。

潛油式直線電機；運行模式；控制系統；試驗研究

0 引 言

潛油式直線電機抽油泵是近年來新興的一種井下采油設備，它具有傳動結構簡單、井上設備少、可智能化操作等優點，相比游梁式抽油機，可以節約能源，提高效率，節省管理成本[1-3]。但是由于井下環境的限制，直線電機無法安裝位置傳感器等檢測裝置，其運動規律的控制一般均采用開環方法，通過地面控制柜輸出電氣信號從理論上控制電機的運行方向和速度[4-5]。在控制過程中，直線電機又容易受到端部效應、負載以及其他因素的影響[6]，極大地干擾了開環控制的精度，這將會導致電機的位移控制出現偏差，當位移偏差沿某一運動方向累計時，最終使電機動子與電機本體發生撞擊。

根據某油田使用的某型潛油式直線電機故障檢修情況來看，電機故障主要為定子結構破壞，其定子間的焊接部分破裂，井液中的水滲入定子內部從而導致電機短路。分析認為，由于該電機的運行模式僅為簡單的往復運動，其具體位置無法檢測，電機動子出現運行偏差發生碰撞后，無法實時采取有效的治理措施改善該情況。電機本體長期受到動子的沖擊，定子之間的焊縫處結構在反復沖擊下發生疲勞破壞，最終破裂并出現密封失效的情況。

本文根據油田的反饋情況，針對直線電機位置不可檢測從而無法對頻繁撞擊采取措施的實際情況，提出一種新的運行模式，并重新設計了控制方法，實現了在無位置傳感器的情況下也能夠識別出直線電機行程到位信息的功能，即檢測出電機碰撞狀態；在成功檢測到位信息的基礎上采取一定的措施，則可以減輕電機碰撞次數和力度，從而延長其使用壽命。

1 減撞減振運行模式

如前文所述，潛油式直線電機在井下運行時的位置信息處于不可檢測狀態。但是可以明確的是，當直線電機的動子發生碰撞現象時，其電壓或電流信號將會發生畸變。利用這一特點，通過特定的判別方法判斷出電氣信號變化時，即可斷定電機的到位信息。

為了減輕電機發生碰撞的力度并減少碰撞的次數，可以采取如圖1所示的減撞減振運行模式：電機動子在任意位置啟動，首先尋找行程下端點和上端點，然后以上端點為參照，運行至下行程終點，再返回至上行程終點，這一過程稱為尋中；尋中結束后，進入穩定運行階段，在穩定運行開始階段以較低速啟動，逐步過渡到勻速階段，結束階段則逐漸減速，上下行程重復上述過程。

圖1 減撞減振運行模式

通過控制程序實現上述運行模式的過程如下：設定電機的理論行程L小于其最大機械行程S，兩端各留出一定的余量ΔS1和ΔS2，在理想無偏差的控制下，即可使電機動子運行在行程L內部，始終不發生碰撞情況；實際上，潛油式直線電機在油井下處于垂直工況時，由于啟動響應延遲、負載變化等多種原因的綜合作用，將會導致電機的運動行程并不能始終運行在設定的理論行程L范圍之內，因此當發生碰撞現象時，則須利用電機電氣信號的畸變來判斷其行程的到位信息，并采取如下行程補償措施：當電機動子由于運行偏差最終在上(下)端點發生碰撞時，利用電信號的畸變判斷動子已經到位，從而通過控制程序調整電機的相序和動子的理論運動位移，使動子從上(下)端點返回到理論上的下(上)行程終點，然后繼續在下行程終點和上行程終點之間循環往復。當由于位移偏差累積再次出現碰撞現象時，則重復上述的自動糾偏過程，始終使電機在上、下行程終點之間運動。

2 開環控制系統設計

2.1 控制系統主要構成

控制系統總體結構框圖如圖2所示[7]。硬件電路采用成熟的AC-DC-AC變換電路，其交流輸入為三相電源，AC/DC環節采用單相橋式不控整流電路；DC/AC環節采用三相全橋逆變電路，輸出相序/頻率/電壓可控的三相交流電壓，經過濾波器濾波后，驅動潛油直線電機作往復運動。

圖2 控制系統總體結構框圖

該系統的控制核心是美國TI公司的DSP芯片TMS30F28335，該芯片自帶AD轉換模塊，可以檢測電壓、電流等電氣信號，并轉換為數字信號。程序根據反饋的電壓、電流，實時的調節驅動信號與邏輯判斷，從而實現直線電機的穩壓、行程到位信息判斷、位移補償等功能。

2.2 電壓調節控制策略

根據減撞減振的運行模式，設定電機在運行過程中分為加速、勻速和減速三個階段。由于交流永磁同步直線電機的速度與輸入頻率成正比關系，因此采用變頻調速的方法調節電機的速度，并利用恒壓頻比的方式來調節直線電機輸入電壓的大小[4]。

由于直流母線電壓變化、負載波動等外部擾動，逆變電路輸出的交流電壓將隨之變化，因此必須采取措施保證電機在各種運行狀態下輸出電壓是穩定的。針對這一問題，控制系統在逆變電路中采取了具有反饋調節的內部閉環控制策略。在檢測電路中利用電壓傳感器，檢測控制柜的輸出電壓U(s)，經過采樣器采樣后與輸出的指令值U*(s)比較。電壓偏差ΔU經過調節器后，輸出正弦調制波，在DSP芯片的PWM模塊中經過運算處理，完成正弦脈沖寬度調制(SPWM)后，經過逆變電路中IGBT的通斷輸出可控的三相交流電壓，通過濾波器濾波后即可輸出與指令值U*(s)偏差較小的U(s)，從而完成穩壓調節過程。電壓調節閉環控制原理框圖如圖3所示。

圖3 電壓調節控制原理框圖

2.3 電機到位信息檢測流程框圖

控制策略選取恒壓頻比的閉環調節方式控制直線電機電壓，因此在電機動子發生碰撞時變化明顯的將是電流信號。根據這一特點，程序通過檢測電機電流的畸變特征判斷電機動子是否到位。直線電機在開環的情況下實現到位信息檢測以及采取補償措施的程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程框圖

采用SPWM技術輸出的電壓經過濾波后得到的輸出波形近似于正弦波形，因此直線電機的電流在正常情況下同樣具有周期、幅值等規律性的特征。根據電流的變化情況，在程序中設定電流檢測算法，以直線電機在穩定運行過程中存儲的電流數值特征變化趨勢為判斷基準，通過電流傳感器將電流采樣信號通過AD轉換模塊不停地輸入DSP內部并完成計算，當電機電流的數值特征達到一定變化并超出設定閾值時，即可斷定電機發生了碰撞，電流的數值特征可用瞬時值的誤差值表征。設定閾值的大小通過試驗的方式獲取，利用程序分別記錄電機穩定運行時的電流瞬時值誤差值與碰撞時的電流瞬時值誤差值，閾值取兩者的中間值，具體大小可根據試驗結果的有效性微調。

3 樣機空載試驗與結果

為了驗證上文所述內容的可行性，采用樣機試驗的方法進行初步探索性驗證。試驗采用的潛油式永磁同步直線電機的參數為額定電壓為1 140 V，額定功率為40 kW，極距為30 mm，最大機械行程為S=1 350mm，試驗設定運行行程為1 140mm，電機在行程終端所留余量均為105mm；電機在完成尋中后，進入穩定運行階段，開始上、下往復運行。

已知同步直線電機的運行速度公式：

v=2fτ

式中：f為電機輸入頻率；τ為電機極距。從該公式可以推導出，直線電機在任一頻率對應的周期內，其運行的位移大小為2個極距。

根據這一特點，試驗利用示波器檢測潛油式直線電機某一相的輸入電壓和電流，通過記錄電機在運行過程中輸入的周期波形數目，即可計算出電機的理論運行行程大小；同時，利用示波器記錄的波形，通過頻率等信息還可以分辨出電機的加速、勻速及減速運動過程。

3.1 電機動子碰撞試驗與到位信息檢測算法試驗

試驗首先研究直線電機發生碰撞時的電流變化現象，并且利用電流的畸變特征對電機到位信息檢測方法的有效性進行驗證。

試驗采用程序驗證的方法，具體實現的功能如下：電機行程不控，首先使動子在任意位置沿固定方向以低頻啟動，逐漸過渡為高頻后持續運行至行程端點；電機動子與電機本體發生碰撞后，若電流檢測算法成功，則程序中斷控制柜的輸出(即電機的輸入)；反之，若檢測算法失敗，則程序中斷作用失效，電機將會持續運行。圖5為電機從運行開始直至在行程端點發生碰撞時的電壓、電流檢測波形。

圖5 電機碰撞檢測試驗過程

從圖5可以看出：

(1)電機起始的電壓、電流輸入頻率較低，然后逐漸進入高頻穩定階段，整個過程中電機的電壓隨著頻率的增加而增加；

(2)從波形尾部的放大示意圖中可以看出，電流在末端出現了明顯的畸變，其峰值、周期均發生了變化，說明此時電機動子已經發生了碰撞；電壓的變化趨勢始終比較穩定，說明采用的電壓調節策略，可以使控制柜的輸出電壓維持良好的穩定性；

(3)當電流出現畸變特征后，電機的輸入在延遲較短的時間后停止了，說明程序中的檢測算法成功地判斷出了電機的到位信息，并執行了控制柜輸出停止的指令；其中出現的延遲現象是由于檢測算法執行需要一定的計算時間。

3.2 電機尋中與穩態運行試驗

根據上節中的實驗結果，說明利用程序可以使電機完成到位信息檢測功能，從而及時換向，實現減震減撞的運行模式。試驗仍采用程序驗證的方法，具體實現的功能如下：電機動子從任意位置啟動，首先尋找上、下行程端點，當程序檢測出電機在端點發生碰撞時，下一運行階段即執行換向功能；然后以上行程端點為起始位置，進入穩態運行過程。圖6至圖8記錄了電機從啟動到運行穩定后，整個運行過程中電壓、電流的波形。

(1) 圖6為直線電機在任一點啟動，尋找下行程端點過程中的電壓、電流波形。圖6(a)為波形全圖，圖6(b)為局部放大示意圖。

(a)全過程電壓、電流(b)局部放大圖

圖6 電機下行至下行程端點過程

從圖6(a)中可以看出，電機在尋找上行程端點的過程中，電壓、電流波形的完整周波數目在16個左右，由于電機從任一點啟動，因此其下行行程具有隨機性；從圖6(b)中可以看出，電機向下運行至行程端點時，電流出現了畸變特征，隨之電機的輸入停止，說明程序中的到位信息檢測算法成功。

(2)圖7為電機以下行程端點為起點尋找上行程端點過程中的電壓、電流波形。

(a)全過程電壓、電流(b)局部放大圖

圖7 電機上行至上行程端點過程

從圖7(a)中可以看出，電機在尋找上行程端點的過程中，電壓、電流波形的完整周波數目在23個左右，從理論上計算出的電機運行位移為1 320 mm，與電機的最大機械行程S相近；從圖7(b)中可以看出，電機向上運行至行程端點時，電流同樣出現了畸變特征，隨之電機的輸入停止，說明程序中的到位信息檢測算法成功。

(3)圖8為電機完成尋中后，在穩態運行過程中的任意電壓、電流檢測波形。

(a)全過程電壓、電流(b)局部放大圖

圖8 電機穩態向下運行過程

從圖8(a)中可以看出，電機在穩態向下運行的過程中，電壓、電流波形的完整周波數目為19個，從理論上計算出的電機運行位移為1 140 mm；從圖8(b)中可以看出，電流波形末端沒有出現畸變特征，但是電機的輸入卻隨之停止，說明電機向下運行的過程并沒有發生碰撞現象，程序執行了輸入停止指令使控制柜停止對電機的輸出。

4 結 語

(1)本文針對潛油式直線電機提出的減撞減振運行模式，可以在一定程度上減少電機發生碰撞的次數，減輕碰撞時的振動程度，降低電機由于撞擊發生結構故障的可能性；

(2)在無位置傳感器反饋電機位置信息的開環運動控制系統下，本文所述的潛油式電機的行程到位信息檢測算法具有一定的實用性；

(3)通過樣機的試驗，初步驗證了開環控制系統下減撞減振運行模式的可行性，為該方案的實際應用奠定了基礎。

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Experiment Research on Open-Loop Motion Control of Submersible Linear Motor

WANGShun,HUANGYa-nong,LIUShang-wei,YEYan-ping,LIShen,YUJun

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China)

The reason of submersible linear motor's structure failure happened on the using process was analyzed, moreover, a new moving mode of the motor which could ease the motor's impacting and vibration was put forward to reduce the failure rate. The hardware design plan of control system and control method and the program earithmetic which could check the end point displacement information about linear motor in the opening control state were introduced, furthermore, the practicability about this project was proved by the proto's experiment research result.

submersible linear motor; moving mode; control system; experiment research

2016-02-23

TM359.4

A

1004-7018(2016)07-0080-03

王順(1989-)，男，研究生在讀，研究方向為潛油式直線電機的運動控制。