往复式抽油机控制系统的研究

论文摘要

直线电机驱动的往复式抽油机是将电能直接转变为直线往复运动,不但提高了效率,而且能实现抽汲参数的无级调整,进而能根据抽油的需要调整悬点运动规律,为智能化创造了很好的条件。而这种实现是需要以良好的控制策略作为基础的,本文所研究的正是以圆筒型永磁同步直线电机为驱动源的往复式抽油机的控制系统。本文首先介绍了直线电机的原理,讨论了将其应用于抽油机上的具体方法,并给出了本系统采用的潜油式永磁同步直线电机抽油机的结构。随后推导了直线电机的数学模型,对其控制策略进行了详细的分析。根据直线电机的数学模型,在Matlab/Simulink中建立了它的仿真模型,并根据选定的控制策略搭建了整个控制系统模型,即基于SVPWM技术的动子(转子)磁场定向矢量永磁同步直线电机控制系统,并通过系统仿真验证了该控制策略的可行性。在此基础上设计了控制系统,其主要功能是将输入的三相正弦交流电整流成直流,再控制智能功率模块IPM逆变成频率可调的三相交流电。控制系统包括主回路、控制以及测量三部分。主回路采用三相不控整流桥;控制部分是以TMS320LF2407A为核心的控制板:它的主要功能是对信号进行采集、运算、并输出PWM控制信号,用以驱动IPM,实现电能的转换;测量部分包括电流、速度和位置的检测:利用电流互感器采集电流信号、霍尔接近开关采集位置信号、霍尔传感器检测速度信号,将它们经转换输入给DSP用以实现电机换向和运动速度的控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的目的和意义
• 1.2 油田用抽油机的技术发展现状及其趋势
• 1.2.1 抽油机技术发展的现状
• 1.2.2 抽油机技术发展的趋势
• 1.3 直线电机应用和发展概况
• 1.3.1 直线电机概述
• 1.3.2 直线电机的发展
• 1.3.3 中国直线电机的历史与发展
• 1.4 直线电机抽油机的应用和发展概况
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第2章 直线电机抽油机控制系统基本理论
• 2.1 直线电机工作原理
• 2.1.1 直线电机基本结构
• 2.1.2 直线电机的工作原理
• 2.2 抽油机用直线电机方案的比较
• 2.3 永磁直线抽油机结构及其原理
• 2.4 永磁同步直线电机的数学模型
• 2.5 永磁同步直线电机的控制策略
• 2.5.1 矢量控制的基本原理
• 2.5.2 矢量控制的坐标变换
• 2.5.3 转子磁链定向控制
• 2.6 电压空间矢量SVPWM 技术的基本原理
• 2.6.1 电压矢量和磁链矢量的关系
• 2.6.2 SVPWM 原理
• 2.7 本章小结
• 第3章 控制系统的建模与仿真
• 3.1 建模工具简介
• 3.2 永磁式同步直线电机抽油机仿真模型
• 3.2.1 直线电机模块
• 3.2.2 坐标变换模块（dq-αβ）
• 3.2.3 坐标变换模块（dq-abc）
• 3.2.4 SVPWM 模块
• 3.3 仿真结果及结论
• 3.3.1 额定速度空载启动
• 3.3.2 额定速度下最大推力启动
• 3.3.3 梯形波速度最大推力运行
• 3.3.4 梯形波速度实际负载运行
• 3.4 本章小结
• 第4章 电机控制系统的硬件实现
• 4.1 控制系统概述
• 4.2 控制系统最小系统核心板设计
• 4.2.1 数字信号处理器（DSP）
• 4.2.2 最小系统外设结构
• 4.3 系统主回路简介
• 4.3.1 整流电路
• 4.3.2 直流稳压电源供电电路设计
• 4.3.3 功率驱动电路
• 4.4 采样与检测
• 4.4.1 相电流的检测电路
• 4.4.2 直线电机的位置检测
• 4.5 本章小结
• 第5章 控制系统的软件实现
• 5.1 系统概述
• 5.2 DSP 软件开发系统
• 5.3 主程序设计
• 5.4 中断服务子程序
• 5.4.1 电流采样程序模块
• 5.4.2 SVPWM 的DSP 实现方法
• 5.4.3 PID 调节器
• 5.4.4 串口通信
• 5.5 本章小结
• 第6章 抽油机负面问题的影响
• 6.1 长线传输的问题
• 6.1.1 潜油电泵变频驱动状况
• 6.1.2 波反射过电压
• 6.1.3 共模轴电压和轴承电流的分析
• 6.1.4 长线传输负面问题的对策
• 6.2 空抽的检测及其预防
• 6.2.1 空抽现象及其危害
• 6.2.2 空抽的检测
• 6.2.3 空抽的应对措施
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢