基于矢量控制的新型抽油机控制系统研究

林国洲 徐 盛 徐 凡

长江大学 湖北荆州 434023

基于矢量控制的新型抽油机控制系统研究

林国洲 徐 盛 徐 凡

长江大学 湖北荆州 434023

本文介绍了以TMS320F2812 DSP为控制核心的全数字化永磁同步电机伺服控制系统的硬件和软件设计，对控制系统硬件和软件各部分的结构和功能作了详细的阐述。

伺服系统；永磁同步电机；矢量控制；空间电压矢量PWM；DSP

国内油田对抽油机的需求量巨大,但目前国内油田的抽油机主要是传统形式的机器,由于存在大速比的减速机构,其工作效率低。近几年，国内油田抽油机控制器核心技术被少数发达国家大公司垄断，价格昂贵，维修周期长，不利于国内油田的发展。

抽油机用永磁同步电机在转矩控制、弱磁控制和无位置传感器技术方面都存在实现上的复杂性，因此需要寻找一种新的基于矢量控制策略来解决所面临的困难。永磁同步电机是一个多变量、非线性、强耦合的系统，其输出转矩与定子电流不成正比，而是复杂的函数关系，因此要得到好的控制性能，必需进行磁场解耦，这种特点恰好适于应用矢量变换控制技术。

结合实际系统，介绍了以TMS320F2812 DSP为控制核心的全数字化永磁同步电机(PMSM)伺服控制系统的硬件和软件设计，对控制系统硬件和软件各部分的结构和功能作了阐述。

一、系统原理分析与总体设计

控制算法是电动机控制实时性的主要因素之一，也是控制精度的决定因素，因此，应用先进合理的算法可以提高系统的控制性能。由德国学者F.Blashke提出的定向矢量控制，是一种影响广泛的交流电动机变频调速控制策略。矢量控制使交流电动机的调速性能可以与直流电动机的调速性能相媲美，实现瞬时值的控制且相应速度快。

1.矢量控制的原理

电动机的控制系统特性归根到底是转矩特性，而转矩电流和磁通能否独立控制和调节，决定转矩产生是否线性和可控。矢量控制是通过测量和控制电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对电动机励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到对电动机转矩进行控制的目的。具体是将电动机定子电流矢量，分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的分量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以将这种方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又分为基于转差频率的控制方式、无速度传感器控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。

2.永磁同步电机的控制策略

永磁交流伺服系统几十年来的发展表现最突出的是不断进步的控制策略，其中有代表性的是：恒压频比控制、矢量控制、直接转矩控制、非线性控制、自适应控制、滑模变结构控制、智能化控制等。

矢量控制原理是以转子磁场定向，在同步旋转坐标系中，把定子电流矢量分解为两个分量：一个分量与转子磁链矢量重合，产生磁通，称为励磁电流分量MI；另一个分量与转子磁链矢量垂直，产生转矩，称为转矩电流分量TI。通过控制定子电流矢量在旋转坐标系的位置及大小，即可控制励磁电流分量和转矩电流分量的大小，实现交流电动机像直流电动机那样对磁场和转矩控制的完全解耦。因此，矢量控制的关键仍是对电流矢量的幅值和空间位置(频率和相位)的控制。该控制方法首先应用在感应电动机上，很快就被移植到了同步电机上。

二、伺服系统硬件系统设计

我们的主要工作是设计一个适合抽油机的伺服控制系统。为此设计了伺服系统硬件结构框图(如图1所示)，根据强弱电的区别，系统由3块电路板组成，分别是功率板、控制板、键盘显示板。功率板集成了系统中所有的强电部分，包括整流逆变主电路，辅助电源，IPM驱动隔离电路，母线电压保护电路，电流采样电路等。控制板用DSP芯片TMS320F2812为控制核心，包括DSP外围电路、位置信号检测电路、位置脉冲输入电路、电流信号调理电路、过压过流保护电路、掉电存储电路、串行通讯电路等。键盘显示板以键盘显示控制专用芯片ZLG7289为核心，由6个数码管和4个按键组成。

图1 系统硬件结构框图

1.主电路设计

本伺服系统的主电路即功率部分(如图2所示)采用典型的电压源型交—直—交变频电路，输入电压为单相220V或者三相线电压220V，注意三相接入时，要用变压器将市电线电压380V变换为220V。输入端线间接入压敏电阻R6～R8，以限制浪涌电压对主电路造成损坏。整流部分采用三相不控整流桥SKBPC3510，其正常工作允许电流可达35A，管子可承受反相峰值电压为1000V，最大浪涌电流400A。

图2 主电路框图

当单相或三相220V输入时，整流滤波后直流侧电压Udmax＝ 2 ×220V=311V。

2.驱动及保护电路

IPM模块内部集成了各IGBT的驱动电路,因此只需将DSP输出的PWM波经过缓冲变换之后送IPM模块,由于功率部分为强电信号,需要经过光耦隔离(如图3所示),本系统中采用高CMR的快速光耦HCPL-4504隔离驱动。另外,IPM模块内部带有短路、过流等保护功能。

图3 驱动、过流输出电路

3.电流采样电路

本系统中通过在逆变器输出的U，V两相中串接精密电阻进行电流采样(如图2所示)，采样电阻R4，R5规格为0.01Ω/2W。采样得到的电压信号经过内含运算放大器的线性光耦HCPL-7840进行隔离放大。

下面以U相为例，其电流采样电路(如图4所示)，图中引脚IU+与IU-分别接于图2中主电路的采样电阻R4两端，假设电流瞬时值大小为IU，则经过HCPL-7840隔离放大后引脚IUC+与IUC-间输出电压为UU＝0.01IU×8=0.08IU。图中78L05用于提供线性光耦输入侧的供电电源，它与输出侧的供电电源独立。

图4 U相电流采样电路

图5 采样信号电压转换电路

由于R4采样的电流为交流信号，UU则为双极性电压，而TMS320F2812的A/D引脚上的输入电压必须为0～3V的单极性信号，因此还必须通过一个电压变换电路将图4中输出的采样电压变换到0～3V之间(如图5所示),使用虚短虚断原理可以求出TLE2022A的1号引脚输出电压U1=10/5.6UU，TLE2022B的7号引脚输出电压U7=0.5U1+0.5UREF，基准电压UREF＝3V，仍由一片精密可调基准电源TL431提供。电路中的参数设计以可能出现的相电流最大值定标，使此时采样的电压信号最终变换到3V，则可以充分利用A/D转换的精度。由以上分析可知，最终送到DSP的A/D引脚上电压U7=1/14IU+1.5，当校准到0～3V之间时，采样电流范围为：-21A≤IU≤21A，因此本系统中电流峰值可达到21A。

三、系统软件设计

本系统的软件全部采用C语言开发，软件的主要功能有：实现位置环、速度环、电流环的控制计算；实现电机位置检测、转速计算；实现两相电流的A/D采样；实现SVPWM控制信号的产生；实现功率驱动保护。其中，位置环，速度环，电流环的控制计算是核心部分。软件从结构上分为主程序，ADC中断处理程序，CAP3中断处理程序，PDPA中断处理程序4部分。

1.主程序

主程序首先要完成系统和所需各功能模块的初始化，然后开启中断，进入键显循环子程序，等待中断的发生。一旦中断发生，DSP自动执行中断服务子程序，处理完成后继续循环扫描键盘及显示，等待下一次中断的发生。其流程图如图6所示。

图6 主程序流程图

2.ADC中断处理子程序

电流A/D转换完成后产生ADC中断。每次进入A/D中断都将进行一次电流环的控制计算，并产生空间电压矢量（SVPWM）控制信号输出。通过在子程序中设置计数器可以保证每隔固定次数的A/D中断进行一次位置环和速度环的计算，以使得外环的采样频率比内环(电流环)小。

3.CAP3中断处理程序

DSP的CAP3引脚接光电编码器的Z信号输出，因此电机每运行一周(机械角度)，将产生一个Z信号，系统将产生一次捕获中断，在其中断处理子程序中对电机零位位置角更新。

4.PDPA中断处理程序

当系统出现过压、过流等故障时，DSP的PDPINTA引脚电压由高电平变为低电平，系统产生PDPA中断，在其中断子程序中将切断DSP的PWM输出，设置输出引脚为高阻状态。

四、结束语

油田抽油机现场不带速度位置传感器；对永磁同步电机实现速度闭环矢量控制；能判断当前是否处于正常运行状态，如能够判断当前是否停机，变频器是否报出故障等。如果是意外停机，如雷击或电网大干扰造成的停机要能够自行控制变频器重新启动，可根据实际情况加一些智能型的判断。

分析了数字化电流控制的实现方法，比较了常用的电流控制和PWM技术，详细介绍了空间电压矢量算法的实现，并推导出伺服控制系统位置、速度、电流3个控制环的数学模型。

完成了以TMS320F2812 DSP为控制核心的全数字化PMSM伺服系统的硬件和软件设计，对系统硬软件各部分的结构和功能分别做了阐述。

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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

林国洲，本科。