潜油直线电机柔性闭环控制技术研究

钱坤 蔡萌 孙延安 宋兴良 郑东志 卢成国

作者简介：钱坤（1988-），高级工程师，博士研究生，从事高效节能举升新技术新装备研发与应用的研究，qk13836956215@163.com。

引用本文：钱坤，蔡萌，孙延安. 潜油直线电机柔性闭环控制技术研究[J].化工自动化及仪表，2023，50（6）：000-000.

DOI：10.20030/j.cnki.1000-3932.202306000

摘  要  针对潜油直线电机，设计了一种柔性闭环控制方法。依据潜油直线电机自适应法与转速观测器法相结合的控制策略，适时引用井下压力传感器的反馈，改善电机失步监测效果，提高闭环控制精度和自适应调参能力。通过利用该控制技术，电机在相同工作频率、电压、运行速度的试验条件下，推力提升20%以上，电机振动幅度降低50.26%，在现场相同工况条件下，电机系统效率提高29.67%以上。

关键词  柔性控制  潜油直线电机  系统振动

中图分类号  TP273       文献标志码  A        文章编号  1000-3932（2023）06-0000-00

直线电机经过数十年的发展，无论在电磁计算还是制造工艺上都有了比较成熟的理论基础和实践经验。现在，直线电机在无杆采油中的应用越来越广泛，但由于该应用领域对电机的机械结构和可靠性要求很高，所需驱动负载的特性变化复杂，导致电机设计方案和控制技术不是十分完善，使得现有的潜油柱塞泵用圆筒型直线电机的效率、推力等指标均未达到一个较为理想的水平，即电机的有效功率密度和推力密度指标过低，同体积下的性能指标无法满足采油现场的需要[1～3]。因此，针对油田采油领域的应用要求，设计开发高性能的电机及驱动控制技术可在一定程度上弥补直线电机及其控制技术在该应用领域的缺陷。同时，通过技术改进和系统优化设计，提高潜油柱塞泵的运行可靠性，延长其运行和检修周期，提高系统运行效率，可在很大程度上达到节能降耗减排的目的，具有可观的经济效益。

目前永磁电机（无启动绕组）在控制方式上分为两种：一种是有感控制方式，即通过在电机上安装转子位置传感器，使得电机控制器能够实时掌握电机转子的位置状态，并根据转子的位置状态调整定子三相绕组的通电顺序、通电时间及换相频率等指标，驱动永磁电机平稳运行。这种控制方式由于建立了电机与控制系统的闭环回路，安全可靠，控制精度高，但对传感器的依赖性太高，可靠性较差。另一种是无感控制方式，即无需在电机上安装任何传感器，控制系统对电机转子运行状态和磁极位置的感知通过控制软件自身的特殊算法来实现。这种控制方式取消了传感器，减少了故障点，大幅提高了电机运行的可靠性，拓展了永磁电机的应用领域。然而，无感控制技术对转子状态的感知是通过软件计算实现的，精度较差且反应速度较慢（需要运算时间），如果软件存在漏洞则易出现电机失控、飞车等故障[4，5]。

在潜油永磁直线电机领域，以上两种控制方式现在都在应用。由于电机安装在千米左右的油井井下，电机的动力电缆和信号电缆都需要到达千米左右的长度，造成动力电缆压降损失，信号电缆传输的信号衰减甚至消失，控制器所必须的运行条件无法建立[6，7]。有感控制方式为解决转子位置信号传输问题，将电机控制系统的信号处理部分安装在电机本体上，与电机一同下入井底，解决了信号远距离传输的问题，这种方式无疑是最佳控制方案。但由于井下的应用环境恶劣，相对于电机而言，转子位置信号处理系统属于微电子产品，无法长期耐受高温、高压的环境，其使用寿命必然大打折扣，这就从根本上影响了电机的使用寿命，缩短了检修周期，增加了维护成本，不利于现场大规模应用。另外一种无感控制方式也被应用于潜油永磁直线电机，但由于无感控制技术不成熟，导致电机空载电流过大，电机效率和功率因数极低。这种无感控制技术在使用效果上等同于普通变频器硬性驱动永磁电机，所反映的效果為：电机空载、负载运行电流大，振动、噪音、发热严重，过载能力小。旋转型永磁电机的无感控制方式是近几年才开始研究和发展的，由于其技术不成熟，存在控制精度低、对电机运行状态监控不准确、长距离传输易产生信号丢失等缺点，国内外能做到比较稳定可靠的无感控制的厂家屈指可数。

柔性闭环控制技术是以矢量驱动技术为基础的无感驱动控制技术，矢量驱动是控制类电机，尤其是伺服电机比较常用的一种精度较高的控制策略。通过建立直线电机状态方程，用数学方法分别将驱动电机运行的电流、电压解耦，区分出有功和无功分量，然后单独进行分量控制，使电机按照负载要求在最优条件下运行。矢量驱动方式从发明到发展再到成熟已经历了数十年，对于感应电机和带传感器的永磁电机而言是一项稳定可靠的技术。柔性闭环控制技术的核心就是长距离无感矢量控制技术，其在矢量控制的基础上引入无感控制技术，电机与控制器之间完全通过软件的方法实现闭环[8]。这种控制方式在普通应用场合下的旋转电机上得到了较好的控制效果。由于应用井深要求的限制，所谓长距离就是指电机与控制器之间的连接电缆长度超过100 m。众所周知，在通常状态下，与电机电阻和电感相比，电缆内阻和电感很小，可以忽略不计。由于电缆电阻和电感所引起的电机电压、电流的变化微乎其微，对控制精度也不会产生任何影响。当电缆长度超过100 m时，由于长线电缆的分布特性，即存在漏电感和耦合电容，PWM逆变器的输出脉冲经过长线电缆这种传输线传至电动机，会产生电压反射现象，从而导致在电动机端产生过电压、高频阻尼振荡[9，10]。

笔者的目的是针对现有的潜油直线电机存在的推力密度低、运行冲击振动严重等问题，进行柔性驱动控制技术研究开发，主要依据潜油直线电机自适应法与转速观测器法相结合的控制策略，适时引用井下压力传感器的反馈，改善电机失步监测效果，提高闭环控制精度和自适应调参能力。

1  长距离无感矢量驱动控制技术优化和柔性控制技术研究

采用长线电缆时，逆变器和电动机之间传输的PWM脉冲与传输线上行波的情况类似。PWM脉冲作为正向行波（或入射波），由逆变器传向电动机，在电动机端反射后产生反向行波（或反射波）传向逆变器。其反射机理可看作是一面镜子对正向行波V+反射产生一个反射波V－，V－作为V+的镜像，等于V+乘以电压反射系数。终端（负载端）反射系数N2为：

（1）

其中，为负载（电动机）阻抗；为电缆特性阻抗，、分别是电缆单位长度电感、电容。

起端电压反射系数N1为：

（2）

其中，是起端电阻，一般，则。

在逆变器端，反射后得到的正向行波与传输来的反向行波波形相同，但幅值变为反向行波的倍。而入射波被反射后得到的反射波传向逆变器，反射波的值等于其值乘以负载反射系数，由于电动机的绕组电感很大，即，由式（2）可知，入射波与反射波叠加使电动机端电压近似加倍。这种电压反射现象与逆变器输出脉冲的上升时间以及电缆的长度有关。逆变器输出脉冲上升时间越小，电缆越长，电压反射现象越明显。

对于电机自身而言，这种放大了数倍的脉冲电压和高频谐波将对其绝缘结构造成不可修复的损伤，甚至损坏定子绕组。对于控制器而言，虽然这种反射电压只作用于电机端，但由于电机转子位置信息是依靠电缆上传输过来的电机定子反电势信号解析出来的，反射电压的存在对电机真实反电势信息必然产生影响，从而导致控制器对电机转子信息判断失误，电机失控。因此，长距离无感矢量控制需要综合考虑各方面的因素，尤其是抑制电压反射，消除电压反射对控制上的影响更是解决问题的关键。

柔性驱动控制技术是专有技术，已广泛应用于游梁式抽油机的控制中。该技术与长距离矢量驱动技术的区别在于：长距离矢量驱动技術是基本的电机驱动技术，是在常规的矢量控制（与矢量变频技术相类似）基础之上针对超长电源线开发的专用控制技术；而柔性驱动控制技术则是一种高级控制技术，是专门针对变频驱动单元（含电机及变频器）研究开发的上位机控制技术，其特点在于可根据负载的不同状态实时调整电机做功电流，使电机按需做功、按需运行，最大限度地降低了电机的无功损耗，使电机自身较硬的机械特性适应原油开采的实际要求。其实施的前提条件是变频驱动单元具备基本的变频调速控制技术[11]。

2  潜油柱塞泵永磁直线电机无感控制策略

对于电动机无速度传感器矢量控制的实现方式主要有如下几个通用方法：直接计算法、模型参考自适应法、转速观测器法、磁链观测器法、信号注入法及人工智能方法等。这些方法在不同的系统中各有长处与短处，根据油田直线电机系统的使用环境，确定的方案是模型参考自适应法与转速观测器法相结合的控制策略。所谓自适应控制是对于系统无法预知的变化，能自动地不断使系统保持所希望的状态。因此，一个自适应控制系统应能在其运行过程中通过不断地测取系统的输入、状态、输出或性能参数，逐渐地了解和掌握对象，然后根据所获得的过程信息，按一定的设计方法，作出控制决策去修正控制器的结构、参数或控制作用，以便在某种意义下，使控制效果达到最优或近似更优。自适应控制系统的基本结构框图如图1所示。

矢量控制实现的基本原理（图2）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的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制电动机转矩的目的。实现上是通过将电流首先做3/2变换，变成静止的d-q坐标，然后通过前面介绍的无感自适应理论计算出电机磁场的相位，将电流分离出转矩电流分量和磁场电流分量，这样就实现了解耦控制、矢量控制，电机可以在最高效的状态下运行，实时根据负载变化调节电流，提高整个系统的功率因素，尤其是在长线驱动场合下，可以降低电缆的线损，提高电机的启动转矩。

2.1  长距离无感矢量控制核心软件构成

为实现直线电机无感控制下的稳定运行，专用控制器中的核心算法部分区别于普通无感控制器，对电机电压、电流环及速度环重新构建计算程序，针对直线电机超大阻抗、感抗特性对控制算法进行细化处理。

在软件系统中实现了对直线电机的矢量控制，在控制算法中包含了对应的永磁电机的各个物理参数，如电机的磁场、相电阻、电感及功率等，控制方式上采取高精度的电流矢量控制。但是在实际的试验中发现电机在运行过程中，电机数学模型的各个参数变化范围很大，这些参数和模型的变化将引起控制系统性能的降低，笔者通过一个高阶的观测器算法实现了电机参数的自适应，系统在运行过程中可根据系统本身的时间常数对电机参数进行观测，从而实现了对电机电流的准确解耦，另外通过对电机电阻的准确评估，甚至可以估算出电机当前的定子温度。

2.2  长电缆反射电压抑制技术

正常条件下当动力电缆长度超过100 m时将会在电机端产生电压反射现象，严重的电压反射将损坏电机绝缘结构或系统的绝缘薄弱环节。

普通电机一般采用散嵌线工艺，同一槽内往往存在两组不同相序的线圈，定子绕组的端部也是三相绕组的线圈相互叠加在一起，形成了绝缘上的薄弱点。由于潜油直线电机采用的是容错式结构，即初级绕组线圈相与相之间完全隔离，处于不同的冲片槽中，每个槽中的绕组线圈也都同属于一组线圈，因此潜油直线电机的绕组绝缘结构相比于普通电机来说可靠性有了绝对性的提高。

潜油直线电机的动力电缆长度往往在千米左右，其产生的反射电压值也会很高。在电机与电缆组成的系统中，绝缘薄弱点将是反射电压作用的主要部位。与容错性较高的直线电机初级绝缘结构相比，电机绕组线与电缆连接处的绝缘结构相对薄弱一些，且由于三相电缆线同处于一个铠装的空间内，反射电压极易在此部位造成相间击穿现象。瞬间的尖峰值电压会将两相之间的二次处理的绝缘层击穿并产生局部高温现象，烧毁连接线。

为解决上述问题，平抑反射电压，笔者在进行控制器软硬件设计时内置了输出高阶有源滤波系统。有源滤波系统的增加对平抑反射电压有很强的作用，但同时由于控制器的工作方式为无感矢量控制，有源滤波系统的存在必将干扰控制器对电机各项参数指标的检测和通过实时反电动势推算次级磁极位置的精度。为此笔者在软件内部做了精细化处理，将有源滤波器的参数指标作为常量固化到程序之中，由此所引起的其他感应变量也通过建立合理的运算模型将其转化为常量因子。

为检测反射电压抑制技术的实际效果和对电机运行所产生的影响，笔者通过电机的空载试验进行了一系列验证，分别在控制器输出端和电机输入端检测电压和电流波形，检测结果如图3～10所示，从检测结果来看效果十分明显。

由以上图形可以明显看出：在控制器中内嵌有源滤波电路后无论是控制器输出端还是电机输入端，其电压波形由典型的变频器输出PWM波形改善为标准正弦波形。电压波形中的高频谐波成分明显减少，反射电压的典型代表——尖峰脉冲基本消失。另外，从电流波形来看，加装滤波电路后电流波形在电机输入端干扰性毛刺明显减少但波形基本形状不变，可见电流输出正常，电机运行状态反馈正常，有源滤波器对于控制电路和控制策略没有任何影响。

2.3  柔性闭环控制技术在直线电机控制上的嵌入和应用

柔性控制技术是比较成熟的电机控制技术，在普通旋转电机上的应用收到了良好的效果。潜油直线电机的运行同样存在S曲线的特征，将柔性控制技术引入潜油直线电机的控制中是提高潜油柱塞泵系统效率、减少附加损耗的有效方法。为此在无感矢量控制程序中嵌入柔性控制算法，通过PID的高级智能调节实现：自动生成全冲程内的最佳运行速度分布和输出功率分布方案，并能根据工况的变化情况自动完成运行方案的优化调整；全程围绕最佳速度分布和功率输出分布预案做持续无级变速运行；自动追踪负荷功率与运行速度，并随动做出动态主动变速运行响应；实现柔性启动、柔性运行、软刹车等功能，从而形成闭环控制。

潜油直线电机柔性闭环控制装置具有的基本功能和高级功能见表1。

2.4  柔性闭环控制技术室内试验

为直观判断柔性技术的性能指标，首先利用柔性控制装置驱动单节直线电机，试验原理如图11所示，与普通控制技术相比较的试验数据见表2。

由表2可以看出，在驱动相同电机的前提下，柔性闭环控制时电机输入电压明显下降，同等输入电流条件下，输入电压明显降低，有用功显著提升。

直线电机整机室内试验平台如图12所示，试验通过负载油缸的阻尼作用模拟加载运行，运行期间的直线电机通过循环水喷淋水槽进行冷却，测试直线电机在柔性控制和常规控制条件下的电参数。试验给定相关数据如下：

冲程  1.23 m

冲次  8 min-1

井口压力  8 MPa

排量  35 m3/s

电机推力  1.22 t

图12  直线电机推力及振动检测试验平台示意图

1——水阀；2——水泵；3——喷淋水槽；4——喷淋水管；5——直线电机；6——供电电缆；7——控制柜；8——推力位移传感器；9——推力测试联接装置；10——支架；11——蹩压阀；12——负载油缸；13——液压油槽；14——压力软管

對比试验结果如图13～15所示，检测数据见表3。

通过试验数据和曲线可以看出，采用柔性控制后，同工况、相同电机推力条件下，最大电流和平均电流大幅降低，降幅分别为53.94%和44.73%。同时，系统振动也大幅减弱，常规控制时振动频域曲线的最大值为0.577 m/s2，采用柔性控制后电机振动频域曲线最大值为0.287 m/s2，降幅50.26%。

2.5  柔性闭环控制技术现场试验

选取采油五厂X9-D4-319和X8-21-B481两口生产井分别采用常规控制和柔性闭环控制技术进行比较测试，测试数据见表4～7。

从以上数据可以看出，柔性控制比常规控制在相同工作频率、电压、运行速度条件下，两口试验井直线电机电流分别降低34.22%、28.47%以上，系统效率分别提升了35.01%、29.67%以上。

3  结束语

与普通旋转电机相比，潜油直线电机较高的阻抗、感抗值使电机的磁极位置、运行状态等信息的捕捉难度加大，普通直线电机用变频器的通用型控制算法无法有效地按既定程序控制电机正常运行，有时甚至无法正常空载运行。笔者针对潜油直线电机，设计了一种柔性闭环控制方法。改善了电机失步监测效果，提高了闭环控制精度和自适应调参能力。经过试验验证，笔者提出的控制算法具有良好控制效果。

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（收稿日期：2023-07-07，修回日期：2023-10-08）