双功率电机.doc

《电子技术》2004年第5期
计算机应用
抽油机双功率节能电机控制系统的设计
石油大学（华东）信息与控制工程学院（257061） 白连平 隋娜 崔雷
摘 要 文章针对游梁抽油机双功率节能电机的控制问题，介绍了一种以Motorola单片机为核心的控制系统。在双功率节能电机的切换过程中，交流接触器的触点都会产生较大的电弧。这种电弧放电产生一种很强的电磁干扰，给单片机的工作带来非常严重的影响。文章介绍了一种克服这种干扰的方法，以及在抽油机运行过程中，检测平均电流、平衡度的方法。
关键词 游梁抽油机 节能电机 电弧放电 电磁干扰 单片机系统可靠性
绕组。同时控制系统还要检测平均电流、上行下行最大电流，进行切换判断、平衡度判断，以及断相、过载和短路的判断。如上所述，双功率节能电机的控制过程并不复杂。这类接通或分断感性负载控制，在其他电力拖动控制系统中也是一种常见的现象。实验表明，感性负载的通断产生的干扰很强，尤其是分断交流接触器时产生的干扰更强。无论是模拟控制器，还是单片机控制器，这种干扰都足以使其系统工作紊乱。针对这个问题，本文介绍一种以单片机为核心的抗干扰能力强的控制系统。
1 概述
目前在机械采油中，游梁抽油机仍然是主要的机械采油设备。但游梁抽油机也存在着一些不利因素。主要是启动扭矩大，平衡效果差，在一个冲次内载荷变化较大，当抽吸工况变化时，载荷也随之变化。这些因素决定了在选用电机时必须留有较大余量。这就造成了电机大多数处于轻载运行的情况。在大多数情况下，电机的实际负载率低于40%。电机的效率和功率因数都很低，这就造成较大的电能浪费。双功率节能电机是针对以上情况设计的，其控制过程是：先接通电机的大功率绕组，电机起动后，检测几分钟的平均电流，如果小于小功率额定电流，就将电源切换到电机的小功率绕组；电机运行在小功率期间，如果采油工况发生变化，负载增大，大于小功率的额定负载，就将电源切换回电机的大功率
（6）多电源设计。为了保证系统能够高速地正常运作，电源质量是一个非常重要的因素。数字语音处理模块中的高速DSP本身使用了2种电源，2.5V和3.3V；而其他的芯片使用5V电源，因此该模块是一个3电源系统。在设计过程中我们使用了一个二次电源模块首先将－48V转换为5V，然后从5V转换出2.5V和3.3V电源。3种工作电源给布线带来了困难，最后该模块的PCB设计使用了6层板。
我们设计的数字语音处理系统已经在某企业接入服务器的IP Phone系统中成功运行，并且已经开始运营。调试和运行的结果都表明该系统的设计是成功的。
2 双功率节能电机控制系统原理
双功率节能电机控制系统硬件结构框图如图1所示。该控制系统的核心部分为单片机，它采用的Motorola单片机可靠性高，特别适合于在恶劣环境下工作的各种控制
2 曹志刚，钱亚生．现代通讯原理．北京：清华大学出版社，1995，105～137
3 戴明桢．TMS320C54X数字信号处理器结构、原理及应用．南京：南京航空航天大学，2000
4 TMS320C54X Code Generation Tools Getting Started Guide．TEXAS Instrument，1997
5 Sophocles J．Orfanidis. Introduction to Signal Processing. Prentice Hall International Inc，1996，355～388 6 TMS320C548/9
Boot Loader and On-Chip ROM
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Description．TEXAS Instrument，1998
7 苏涛，吴顺君，廖晓群．高性能数字信号处理器与高速实时信号处理．西安：电子科技大学出版社，1999
8 TMS320C54X Simulator Getting Started．TEXAS Instrument，1997
9 Altera 1998 Data Book．Altera Corporation，1998
参 考 文 献
1 TMS320C54X DSP Reference Set，Volume1～4．TEXAS Instrument，1997
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计算机应用
设备。其工作原理是：由电流互感器和电流采集电路，对电机工作时的电流信号进行衰减、滤波、整流，再通过单片机的A/D转换模块实时采集电流。系统通过显示电路实时显示0.5s的平均电流。单片机每隔5min计算电流的平均值，根据平均电流进行大小功率之间的切换判断。如果电流小于小功率额定电流，就将电源切换到电机的小功率绕组；如果大于小功率的额定电流，就将电源切换到电机的大功率绕组。

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过这道屏障。
（3）无论是交流接触器产生的电弧还是小继电器产生的电弧，其电磁干扰信号的频率都很高，峰值较大，频率范围较宽，频谱复杂。而且不同的交流接触器和不同的负载电流，干扰信号的频率也不同，在实验室和现场的对比试验充分证实了这一点。
在众多的干扰信号中惟有分断感性负载给单片机带来的干扰最难克服。在双功率节能电机控制系统的研制过程中经过反复的研究和实验，总结了一些经验，现介绍如下。
分断感性负载的类型一般可分为直流感性负载和交
流感性负载。消除分断直流感性负载产生干扰的有效办法是在电感线圈的两端并联续流二极管，为电感提供放电回路，而由于交流感性负载的电流是交变的，因此无法用二极管续流。交流接触器主触头产生的电弧是很难消除的，其干扰信号只能在信号采集中加以抑制。对于交流接触器线圈通断电源时，其触点产生的电弧干扰，尽管在其线圈两端并联RC吸收电路，但干扰信号仍很强。单片机系统仍无法正常工作。任何一个单片机控制系统，其基本的结构如图2所示。下面针对上述干扰信号规律（上述的（

1）、（2）、（3））分别提出相应抗干扰措施。
图1 硬件结构框图
该控制系统功能上的突出特点就是可以检测并实时显示电流平均值，以及根据需要通过键盘中断检测并显示抽油杆上行和下行时的最大电流。由于电机负载波动较大，电流实时变化，根据其平均电流可判断出电机的负载变化情况。检测出抽油杆的上行和下行最大电流可判断抽油机的平衡度。同时该控制系统还具有断相、过载和短路保护，断相和过载保护通过软件实现，短路保护由外部中断完成，确保整个抽油机系统安全、可靠、高效运行。
3 干扰的产生及抗干扰措施
在双功率节能电机控制系统的研制和试验过程中发现，在异步电机的控制过程中，感性负载的通断产生的干扰有以下一些规律：
（1）交流接触器触点的吸合或分断时导致电弧放电，会产生很强的电磁干扰。其分断时产生的干扰要比吸合时产生的干扰强得多。这种干扰一是通过电源传到单片机，二是通过电源线上的电流互感器传到单片机的采集通道。
（2）交流接触器的线圈通常是用一个小继电器控制的，当小继电器的触点断开时，交流接触器的线圈的电源被切断，产生很强的干扰。由于小继电器的触点和交流接触器线圈很近，干扰可直接通过线圈耦合到小继电器的电源。尽管小继电器的电源和单片机的电源是相互独立的，且小继电器的控制信号经过光耦隔离，但由于光耦的输入和输出之间存在耦合电容，干扰还是能够越22
图2 简单的单片机控制系统简图
（1）电源干扰，针对电源传入的干扰，采取了以下措施，首先是小继电器的电源和单片机的电源相互独立。其次，在电源电路中，稳压电源模块的前后先采用电容分段滤波，然后再加一级“∏”形滤波电路，串联一个1ìH左右小电感或磁珠，能够对电源的尖峰干扰起到明显的抑制作用。单片机的电源引脚上再并联一个10ìF钽电容。这样的电源抗干扰电路，抗干扰效果很好。
（2）输入通道干扰，输入通道是单片机用来接受外部信息和命令的通道，它包括信号采集、系统中断、键盘接口、系统复位等。中断、键盘、复位的抗干扰措施
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在有关单片机的书籍中都有较为详细实用的介绍，在此不不作赘述。这里主要讨论分断交流感性负载时产生的干扰信号。针对输入通道的干扰特点，电路设计如图3所示。

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A/D转换
图3 A/D转换采样电路原理图
首先由电流互感器采集电流信号，然后通过电阻R1将电流信号转换为电压信号，通过放大电路将采样的电压信号进行放大之后，再求信号绝对值，然后再把分压后的信号提供给A/D转换端口。同一些参考书提及的交流互感器电流采集电路相比较，这个电路的设计有3个特点。
（1）R1较小，信号电压在0.1～0.2V左右，这样干扰信号的幅值也减小了，然后加电容滤波后再放大、整流。
（2）整流前先滤波，这样要比先整流再滤波效果好得多。
（3）采用4级电容消干扰滤波即C1、C2、C3、C4，可消除各频段的干扰信号。实验中发现，根据交流接触器触点电弧放电产生的干扰频带宽、幅值大的特点，采取的减小采集信号、滤波后再放大、4级滤波的抗干扰措施，能取得很好的效果。
（3）输出通道干扰，针对输出通道的干扰可用两种办法解决：一是通过两级小继电器隔离，后一级小继电器去分断交流接触器的线圈，这种方法的优点是不存在驱动能力不足的问题，缺点是两级小继电器的延时较长，体积较大；另一种方法是通过两级光耦隔离，后一级光耦的输出接一个小继电器，去分断交流接触器的线圈，这种方案的优点是延时短，体积小。本系统采用第二种方法，试验证明抗干扰效果很好。
图4 软件设计流程图
5 结论
异步电机控制过程中，感性负载通断时产生很强的干扰，尤以分断交流接触器时干扰最强，严重影响系统的正常工作。该双功率节能电机控制器以Motorola单片机为核心，采用上述的抗干扰措施，在抑制分断交流接触器产生的干扰方面取得了很好的效果。并且该控制器在功能上得到加强，可以检测与显示平均电流，上行下行最大电流，进行切换判断，平衡度的判断以及短路、过流、断相保护。该控制器现已小批量投入现场使用，系统运行可靠，有着很好的应用前景。
参 考 文 献
1 王幸之等．单片机应用系统抗干扰技术．北京：北京航空航天大学出版社，1999.12，281～322
2 袁旭军等．单片机复位电路的可靠性分析．电子技术应用，2002，11（19）：19～21
3 宋吉江等．浅谈单片机应用系统的干扰问题．微电子技术，2000，10（28）：57～59
4 Motorola．MC68HC908GP32．Motorola Inc，2000 5 张松春等．电子控制设备抗干扰技术及其应用．北京：机械工业出版社，1989，252～261
4 软件设计框图
根据系统硬件组成和要求，该系统的软件设计流程图如图4所示。它采用嵌入式实时操作系统中的前后台系统，主要完成了平均电流的检测及实时显示，上行、下行最大电流的检测及显示，大、小功率切换判断以及短路、过流、断相保护等功能。经试验验证该程序的可行性以及可靠性都满足要求。