尹振軍

摘 要：針對系統(tǒng)控制自動化需求以及節(jié)能降耗的要求，提出一種基于DSP的智能傳動控制系統(tǒng)。為實現(xiàn)對該系統(tǒng)的設(shè)計，首先對目前主流的抽油機類型進行了簡單的介紹，然后對傳動系統(tǒng)調(diào)速的原理進行了分析，最后結(jié)合DSP在智能控制方面的優(yōu)勢，利用DSP芯片作為主處理器，從硬件和軟件的角度對系統(tǒng)進行了設(shè)計。由此通過設(shè)計，為抽油機的節(jié)能和自動化控制提供了參考。

關(guān)鍵詞：抽油機；節(jié)能；控制原理；軟件

中圖分類號：TM301 文獻標識碼：A

隨著現(xiàn)代智能技術(shù)的發(fā)展，電力電子控制被廣泛應(yīng)用，其中也包含石油領(lǐng)域。而抽油機作為石油開采領(lǐng)域中的一個重要機械設(shè)備，其成為采油中能量消耗最大的一個設(shè)備之一。同時，抽油機的動力主要依靠傳動系統(tǒng)，通過傳動系統(tǒng)電機的轉(zhuǎn)動，以此不斷地對巖層下的石油進行抽取。由此，如何對傳動系統(tǒng)進行控制，成為保障抽油機工作的重點。

1.抽油機類型概述

目前，針對我國國內(nèi)的抽油機類型中，使用比較廣泛的包括有游梁式和無游梁式兩類。在抽油機結(jié)構(gòu)中，其傳動系統(tǒng)主要由電機、變速箱部分組成，并且配備的電動機大部分都是Y系列為主。

對于抽油機來講，其配備的電機大部分都處在輕載運行的狀態(tài)，這樣其負載率很低，并且功率的損耗非常大。對抽油機的電耗來講，其用在生產(chǎn)中的用電比例會很大，并且對其進行沖程沖次調(diào)節(jié)顯得十分不便。因此，提出對抽油機進行技術(shù)技能改造，使其在各種工況下都具備良好的節(jié)電效果。而在本研究中，則提出采用開關(guān)磁足電機對其轉(zhuǎn)速進行優(yōu)化控制，并借助DSP的智能處理，實現(xiàn)抽油機上沖程和下沖程的速度調(diào)節(jié)。

2.開關(guān)磁阻電動機調(diào)速的工作原理

對開關(guān)磁阻電機調(diào)速來講，其主要包括控制器、功率變換器、開關(guān)磁阻電機、電流和位置檢測裝置。其中，開關(guān)磁阻電機的控制主要是通過控制器對功率進行調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)對SR電機轉(zhuǎn)速的控制。同時，結(jié)合抽油機的功率和實際采油需求，可以將其運行狀態(tài)分為啟動運行、穩(wěn)定運行和制動運行3個狀態(tài)。在不同的狀態(tài)下，其采取的控制策略又有所不同，但總結(jié)起來，其基本的控制策略可以分為低速運行斬波控制和高速運行角度位置控制。而在這兩種控制策略中，斬波方式和角度結(jié)合的控制策略，被認為是控制效果較好的一種方式，由此被大量運用。如在啟動運行的階段，以12/8結(jié)構(gòu)的三相開關(guān)磁阻電機來講，通常采用斬波控制的方式，這樣啟動可以沒有死區(qū)，并且可在任意的位置實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)動；而在穩(wěn)定運行階段，則采用APC控制控制方式，通過調(diào)節(jié)開通角，同時對導通角進行優(yōu)化，最終完成對系統(tǒng)效率的調(diào)節(jié)；在制動運行狀態(tài)下，則是采用固定開關(guān)角和電壓斬波控制的方式，實現(xiàn)電機盡快停轉(zhuǎn)。因此，實現(xiàn)對傳送系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)節(jié)能，最為關(guān)鍵的是實現(xiàn)對控制器的設(shè)計。

3.控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1系統(tǒng)硬件整體架構(gòu)設(shè)計

對控制器來講，最為關(guān)鍵的是架構(gòu)設(shè)計，這是實現(xiàn)控制的基礎(chǔ)。對此，本研究中則選擇TMS320LF2812芯片作為主控制器，并且配以高速的邏輯電路。以傳統(tǒng)的四相8/6極開關(guān)磁阻電動機為對象，在控制中采用速度、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。同時DSP在捕獲光電傳感器中的轉(zhuǎn)子位置信號，將其變?yōu)橄辔恍盘柡退俣刃盘枺煌ㄟ^電流傳感器采集到的電流信號，在濾波后將其作為反饋信息，速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)的給定。當抽油機在低速運轉(zhuǎn)的時候，通過電流調(diào)節(jié)器的輸出，對PWM相位進行調(diào)制，進而驅(qū)動功率器件；在高速的情況下，此時電流調(diào)節(jié)器則主要輸出為導通寬度，以此使得功率開關(guān)能夠在合適的時候?qū)ㄩ_斷開相繞組。

而之所以選擇TMS320LF2812信號的DSP控制芯片，其關(guān)鍵在于與傳統(tǒng)的240系列相比，該信號的芯片在性能方面更加優(yōu)越，精度也更高。

3.2軟件部分設(shè)計

3.2.1軟件部分控制方案設(shè)計

給定一個速度，當在經(jīng)過電位器之后，其濕度計的速度是通過電流傳感器和位置傳感器共同決定，并經(jīng)過濾波、隔離和整形之后，通過DSP的捕獲，最終作為新的速度輸入單元，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的精確調(diào)節(jié)。而在這個過程中，是通過利用PID算法對單元和脈寬調(diào)制電路輸出信號進行比較，并經(jīng)過隔離放大后，由驅(qū)動模塊對功率開關(guān)和相開關(guān)進行控制，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)調(diào)控。因此，根據(jù)上述的工作流程，將本文提出的控制方案設(shè)計定位通過對過程變量的實時采集，并結(jié)合制定的算法和控制方案，實現(xiàn)對結(jié)果的輸出。其中，在DSP控制器啟動的時候，計算SR電動機轉(zhuǎn)子的初始位置，然后根據(jù)檢測到的位置，給出相應(yīng)的相繞組觸發(fā)信號，此時電動機開始轉(zhuǎn)動；而在其運行中，則通過電壓斬波控制的方式，通過速度控制生成電流的參考值。當轉(zhuǎn)速達到一定的值以后，SR電動機運行進入速度保持階段，電流維持一恒定值不變。SR電動機減速運行時，采用斬波控制與制動運行相結(jié)合的方式，克服SR電動機的轉(zhuǎn)矩脈動。

3.2.2主程序設(shè)計

對主程序來講，其主要是完成對系統(tǒng)狀態(tài)的初始化，并調(diào)用不同的運行程序。而在初始化中，主要對TMS320LF2812內(nèi)存器中的各個參數(shù)進行初始化，以及對通信顯示模塊進行初始化，并關(guān)閉所有的相輸出信號。而根據(jù)接收到的指令，確定電機的運行模式。

3.2.3定時器終端程序設(shè)計

該程序主要是為了實現(xiàn)對電壓斬波、速度和PWM相位的控制。其中，PWM頻率設(shè)置大小為25Hkz，PWM的初始占空比設(shè)定為100%，以此使得對通電相在通電的瞬間能夠使得電流快速的上升。而對電流的檢測中，每隔40us進行監(jiān)測，其頻率和PWM的頻率相同。由此通過電流和速度的綜合作用，改變寄存器中的比較直，最終改變PWM的占空比，達到調(diào)速的目的。

3.2.4通信程序設(shè)計

在本文中，通信的實現(xiàn)則采用RS-485總線的方式來實現(xiàn)。通過RS-485對數(shù)據(jù)的接收，并根據(jù)程序的相關(guān)要求，設(shè)計相應(yīng)的標志位。當在發(fā)出數(shù)據(jù)接收請求后，做出相應(yīng)的動作。而電動執(zhí)行器需要傳送的數(shù)據(jù)包括閥門參數(shù)、實際的開度等，以及報警信息。在硬件系統(tǒng)發(fā)出數(shù)據(jù)請求后，電動執(zhí)行器則接收這些數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)打包，上傳給后臺的計算機。如果現(xiàn)場出現(xiàn)故障，那么電動執(zhí)行器則不等上機位請求，直接將數(shù)據(jù)上傳，然后再將數(shù)據(jù)上傳給后臺電腦。

結(jié)語

總之，通過本文的設(shè)計，在傳統(tǒng)的控制方式上，引入了開關(guān)磁阻電動機，從而使得對其速度的控制通過PID控制算法，進而提高了該系統(tǒng)的智能化程度，并且更好的實現(xiàn)能耗的節(jié)約，為石油開采提供了實例借鑒。

參考文獻

[1]彭英偉.油田節(jié)能采油機傳動系統(tǒng)控制機理與設(shè)計[J].科技與企業(yè)，2014（4）：98-99.

[2]靳江雷.基于變頻調(diào)速的抽油機智能節(jié)能控制系統(tǒng)研究[J].信息化建設(shè)，2015（10）：152-153.

[3]王艷春.一種基于DSP的抽油機智能變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].化工自動化及儀表，2011（1）：89-92.

[4]蘇憲龍，李山，苗亮亮，等.變頻調(diào)速在油田抽油機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008（11）：123-126.