（电机与电器专业论文）抽油机用bldcm控制及解析设计法研究.pdf

山东大学硕士学位论文 以区别。 关键词：无刷直流电动机；神经网络；单冲程内停机策略；仿真；解析法 生查查兰堡主兰垡垒苎 a b s t r a c t t h eo i1d r i1l e rr e q u i r e st h ed r i v i n gm o t o rt oh a v eh i g hs t a r tt o r q u e a n dc a nb es p e e d a d j u s t e de a s i l y d u et ot h en e g a t i v et o r q u eo ft h e d r i l l e rl o a d 。t h eb l d c mw i l lr o t a t et o oh i g h ，w h i c hr e d u c e st h es y s t e m s l i f e b a s e do nt h ea b o v eq u e s t i o n ， s i n g l es t r o k em o t o r s t o p p i n gm e t h o di s p r o p o s e d b y t h es e l f s t u d yf u n c t i o no fa n nl m sm e t h o d ， t h e m o t o r s t o p p i n gp o i n tc a nb er e g u l a t e dt ot h eb e s tp o i n t ， a n dt h es p e e d r e b o u n dw i l lb et h e1 e a s t s i 舢1 a t i o ni sm a d ew h i c hc o n f i 珈st h i sm e t h o d m e a n w h i l e 。c o m b i n e dw i t hs i n g l es t r o k em o t o r s t o p p i n gm e t h o d ，t h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fb l d c mc o n t r o ls y s t e mi sc o m p l e t e d ， b u tt h e f e a s i b i l i t yo ft h es i n g l es t r o k em o t o r s t o p p i n gi n e t h o di sn o tv e r i f i e d t h ee x d e r i m e n tr e s u l ti ss a t i s f y i n g n o r 哪l l yt h ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no fb l d c mi sb a s e do nt h ei d e a l a i rg a pm a g n e t i cf i e l d t h ea c t u a lm a g n e t i cf i e l di sd i f f e r e n tf r o mt h e i d e a lv a l u e ，s ot h ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nr e s u l tp r e c i s i o ni sn o tg o o d i no r d e rt oa n a l y s i sa n dc a l c u l a t et h eb l d c mp r o p e r l y ， t h ev e r a c i t yo f a i rg a p 衄g n e t i cf i e l dm u s tb ea s s u r e d f o rt h es u r f a c em o u n t e db l d c m ， t h i sp a p e ri m p o r t st h ea i rg a pm a g n e t i cf i e l da n a l y t i c a lc a l c u l a t i o n m o d e la st h ef o u n d a t i o no ft h i sk i n do fm o t o r sa n a l y s i sa n d c a l c u l a t i o n f u r t h e r m o r e ， t h e s ew o r ki sc o m p l e t e db a s e do nt h e a n a l y t i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o d ： 1 t h eb l d c me l e c t r 伽a g n e t i s mc a l c u l a t i o nm e t h o db a s e d0 na i rg a p m g n e t i c f i e l da n a l y t i c a lc a l c u l a t i o ni s p r o p o s e d t h ed e s i g n c a l c u l a t i o np r e c i s i o ni sg r e a t l yi m p r o v e dt ot h i sk i n do fm o t o r a n dt h e e x d e r i e n c ec o e f f i c e n t sa r en o tn e e d e d ， w h i c hi sv e r yi 叩o r t a n tt ot h i s k i n do fm o t o r sd e s i g na n do p t i m i z a t i o n 2 t h eb l d c mf i e l dr o u t ec o u p l i n gm o d e li sp r o p o s e d ，w h i c hp r o v i d e s r e l i a b l ea n da c c u r a t ec a l c u l a t i o nm e t h o d t oc a l c u l a t i o no fm o t o r v 一坐堡奎兰堡主堂竺堡奎 c h a r a c t e r i s t i cp a r 锄e t e r s 3 t h e a n a l y t i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o d o fm o t o rc o i i i n d u c t a n c e p a r 锄e t e ri sp r o v i d e d t h ei n d u c t a n c ep a r a m e t e rc a nb e c a l c u l a t e d p r o p e r l y ， w h i c hc a np r o v i d er e l i a b l e p a r a m e t e rt ot h ef i e l dr o u t e c o u p l i n gm o d e l 4 a c c o r d i n gt ot h ef i e l dr o u t ec o u p li n gm o d e l ， t h ed cb u sc u r r e n t a n dt h ep h a s ec o i lc u r r e n ta r ea n a l y z e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h e a v e r a g e v a l u eo ft h et w oc u r r e n ta r en o tt h es 硼e ， h i c hm u s tb ec o n s i d e r e d i n t h em o t o rd e s i g n k e y 们r d s ：b l d c m ：n e u t r a ln e t w o r k ：s i n g l es t r o k em o t o r s t o p p i n gm e t h o d s i 咖l a t i o n ： a n a l y t i c a lm e t h o d v i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：杰阻日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：聃导师签名：掣日 期：堕l 也 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 油田采油系统的生产机械种类繁多，目前应用最为广泛的是感应电动机驱动 游梁式抽油机，其特点是结构相对简单、容易制造、维修方便、可靠性好等， 缺点是系统效率低，电能消耗高。油田采油系统的电能消耗约占油田用电量的4 0 9 6 左右，以游梁式抽油机系统为例：整个系统效率的最大目标值只有3 0 。1 。 1 1 抽油机的负载特性 抽油机依靠抽油杆的上下运动将原油抽汲到地面的管网中，抽油机的上冲程 提起油柱时需要的功率大，而下冲程时不需要动力可自行下落。为了使负荷均匀， 一般配有某种平衡机构，如平衡块，电机轴上形成的总负载转矩为油井负荷扭矩 与平衡扭矩之和。如图1 1 所示为抽油机采用普通三相异步电动机拖动时现场实 示功图 基闫：霉国型型到9一时闫：p 吁甜l s l li= ：i = ：ji 一舻矿 图1 1 现场实测的功率曲线 测的功率曲线，不同的油井其负荷曲线不同，主要与井况和平衡有关。总之，抽 油机的负荷曲线有以下特点： ( 1 )抽油机的负荷为周期性波动的变负荷惯性转矩，波动频率常用冲次表 示，抽油机冲次一般说来为6 1 2 次分，即波动周期5 1 0 秒。 ( 2 )平衡扭矩是一正弦曲线，而油井负荷扭矩不规则，形成的总负载转矩 曲线m ( h ) 常出现一、二次负功率，此时，不管是异步电动机还是同步 电动机，都会进入发电制动状态。 山东大学硕士学位论文 ( 3 )负载扭矩平均值约为最大值的1 3 ，一个周期中，上下两个冲程各有 一个死点，抽油机自由停车后再起动时，总是从两个死点中负载较大 的死点处起动。 1 2 目前感应电机驱动游梁式抽油机拖动系统存在的主要问题 ( 1 ) “大马拉小车”问题严重 抽油机对电动机的要求是大起动转矩、高效率和宽广的经济运行范围。为满 足大起动转矩的要求，使抽油机能可靠地起动，一般采用大容量的感应电动机， 而抽油机正常工作时负载较小( 一般为额定功率的3 0 左右) ，效率、功率因数很 低，无功电流比例很大，导致线损增加，造成电能的浪费。这是所有油田都存在 的问题。“大马拉小车”问题不仅指电动机，而且包括抽油机配电变压器，它 既是供电设备，同时本身也消耗电能，特别由于负载率很低，增加了一部分额外 的损耗0 1 。 ( 2 ) 抽油机系统存在发电现象 从本质上讲，游梁式抽油机井口载荷曲线是近似于正弦曲线，而游梁式抽油 机曲柄的圆周运动是严格意义上的正弦曲线，所以游梁式抽油机只能平衡掉井口 载荷曲线的一阶分量，由此知系统总是达不到完全平衡，这将导致抽油机带动电 动机超过电动机的同步速度运行，电动机变成异步发电机向电网反送电，我们称 之为“倒发电”现象吲。 ( 3 ) 抽油机系统调速困难 随着节能意识的提高，抽油机系统调速问题凸显出来，让冲次适应产量的变 化就需要调速，因此变频调速技术在电机调速中得到广泛应用，由于抽油机拖动 系统存在着不同程度的“倒发电现象”，承担变频调速任务的变频器必须工作在 四象限状态，或者设置泄放回路，使变频器的效率降低，可靠性降低。由于上述 原因造成抽油机系统调速困难“1 。 1 3 抽油机节能现状 1 3 1 抽油机节能理论方案 ( 1 ) 平衡理论节能方案 抽油机负载为冲击性的周期交变载荷。该理论认为抽油机节能的关键在于平 衡效果，于是便在曲柄平衡游梁式抽油机的框架内搞附加平衡块。其实，对抽油 2 山东大学硕士学位论文 机这种变负载机械而言，平衡是相对的，不平衡是绝对的，它不是高耗能的主要 矛盾，而主要矛盾是偏心曲柄平衡块的大起动惯量造成的大容量电机匹配。解决 方案：通过改变电源或进行结构设计上的改进来改变油田用电机的外机械特性， 从而改变电机与抽油机的系统配合，降低装机功率，提高电动机的负荷率、功率 因数、电机本身的效率来实现节能。 ( 2 ) 大冲程理论节能方案 大冲程理论就是通过加大冲程，减少冲次以降低动载系数来节能”1 。但同时 增加了换向能耗，有得有失。再从渗出理论分析，勤抽才能快渗，降低冲次不利 于增产。同时，大冲程对低渗油田也不适用，因此，大冲程理论有局限性。 ( 3 ) 各种调速理论节能方案 变频调速调节冲程次数的电子及机械的节能装置吲嘲。 由以上分析可知，抽油机的拖动系统要具有高的可靠性，较长的使用寿命， 较大的起动力矩，较好的软起动性能，负载率在2 5 8 0 范围内有较高的效率和功 率因数，较宽的调速范围。游梁式抽油机节能应包括两个方面：一方面是从电动 机本身考虑，就是提高电动机本身低负荷时效率和负载率，从而提高运行效率和 功率因数；二方面是从系统考虑，就是改变电动机的机械特性，使机、杆、泵的 整个系统达到较好的配合，提高系统效率n 0 3 。这应该是游梁式抽油机用电动机节 能的主要研究方向。 1 3 2 节能技术在油田游梁式抽油机中的应甩 目前，我国油田游梁式抽油机采用的节能措施主要为以下方法 1 、问抽控制器 当油井出液量不足或者发生空抽时，就关闭抽油机，等待井下液量蓄积当液 面超过一定深度时，再开启抽油机进行抽吸。这样提高了抽油机的工作效率且避 免了大量电能的浪费。只需设定开停机时间，便能自动地进行间抽控制，但仍然 无法解决令抽油机的工作能力动态地响应油井负荷的变化，达到最佳节能控制的 目的同时还有可能影响油井的产量，为了解决上述问题，通过安装相关的传感器 精确感知油井负荷的动态变化，实现智能间抽控制可采用各种不同的传感器达到 节能控制的目的。缺点是冬季不能应用，容易造成管线堵塞和卡泵、结蜡现象 n l 卜 “ 3 山东大学硕士学位论文 2 、调压节能型 对一定的负载转矩，电压变化时，感应电动机铜耗随电压增加而降低，铁耗 随电机电压增加而增加，存在一个最优定子供电电压值，在此电压下电机总损耗 最小，效率最高，通过动态检测负载扭矩来调整供电电压。这就是电源频率不变， 调节电压节能降耗的原理“5 h ”1 。 3 、电动机定子绕组星三角转换节能 负载率高时采用三角接法，负载率低时自动切换到星型接法。星形三角形 接法的实现一般采用交流接触器实现，也可以通过可控硅开关实现，两种方法在 节能效果上并没有多大差异“。 4 、超高转差电动机 这种电机的特点是机械特性软，遇到换向冲击载荷时，转速下降，靠曲柄惯 性作用，减速器和电动机的扭矩变化趋于平缓，峰值扭矩明显降低，从而改善了 机、杆、泵的配合，达到系统节能的目的。这种电动机的不足是滑差高，损耗较 大，效率低，额定效率一般只有o 8 ，遇冲击载荷时速度下降，效率更低，电动 机发热较严重“”1 。 5 、变频调速电动机 这种方案是在普通感应电动机电源上加变频器，降低了电动机的容量，负荷 率得到较大提高，变频器的输入功率因数接近1 ，并且改变了上、下冲程的速比， 也改善了抽油系统的配合。这种方案无论从电动机本身还是从系统配合上都达到 了节能目的，美中不足的是发电时不能回馈，要通过电阻把发电能量放掉。另外， 一次投入大，现场管理难度大，而且变频器本身也有功率损耗( 约3 ) ，变频器的谐 波对电网有影响，并会使电动机附加损耗增大。”1 “。 6 、永磁同步电动机 永磁同步电机没有转差损耗，转子磁场由永磁体提供，功率因数接近于1 ， 效率高于感应电机。缺点是永磁同步电机特性较硬，在抽油机负荷变化一个周期 内，功率变化很大，大的冲击电流会产生去磁，电机发热等诸多影响啪h 。 7 、开关磁阻电动机 高效开关磁阻调速电机是一种通过电子电路轮流接通或断开各相绕组使电 机旋转的磁阻式电动机，其上装有转子位置传感器，类似于无刷直流电机的方法 4 山东大学硕士学位论文 进行控制，无级调速。开关磁阻电机效率高，功率因数高，系统效率在很宽的范 围内都在9 0 以上，功率因数达到o 9 8 以上，相对于普通电机节电率在2 0 以上。 8 、永磁直流无刷电动机 直流无刷电机具有高起动转矩，宽范围内平滑调速的特性，同时又具有高效、 高功率因数、高功率密度和高可靠性的特点，将此种电机应用于油田采油机上， 可以明显的提高采油机的效率，达到节电、增产的目的；同时解决了“大马拉小 车”的问题，极大的减小了起动时电流对电网的冲击；并且我国的稀土资源丰富， 大力研制、推广永磁无刷直流电动机在油田中的应用具有积极的意义和广阔的发 展空间，结合适宜的控制策略必将成为抽油机较为理想的动力系统。 1 4 永磁无刷直流电动机特点及研究意义 永磁无刷直流电动机( b l d c m ) 经历了4 0 余年的发展，近十多年来才得以迅 速推广应用，其原因是由于电力电子技术、微电子技术、微机和稀土永磁材料的 发展为永磁无刷直流电动机的研究和制造奠定了基础。由于该电机不但具有直流 电机的优良起动和调速特性，而且可在超高速下运行、工作可靠，所以广泛应用 于航空航天、计算机、汽车、工业机器人、柔性制造系统、新型医疗设备、自动 化仪表、变速制冷技术、纺织机械、油田矿山等众多部门。我国是稀土大国，所 以研究开发b l d c i 具有很大的意义。“3 町。 永磁无刷直流电动机是基于直流电动机的工作原理的基础上，利用稀土永磁 材料代替直流电机的励磁装置，利用电子换向装置代替直流电机的机械换向器， 形成了现在的永磁无刷直流电动机，它克服了直流电动机的具有换向火花、维护 困难的缺点，提高了电机的效率、可靠性，同时保留了直流电机的起动和调速优 势。 在感应电动机存在的发电现象方面，虽然无刷直流电动机不再存在发电现 象，但当负载扭矩为负时，无刷直流电动机被抽油机惯性带动，转速大大超过额 定转速，直流侧电压升高，即滤波电容两端电压不断升高。为防止过压，必须加 制动电阻，而制动电阻消耗能量达不到节能要求。因此，游梁式抽油机无刷直流 电机控制器的控制策略最主要的目标就是减少甚至消除“转速波动过大现象”， 同时保证电机具有较高的运行效率。 如前所述，抽油机的负荷是一个呈周期性波动的负载，如图1 2 和图1 3 所示， 5 山东大学硕士学位论文 将电机负载理想化，在开始时间段位置内时，负载扭矩为正，随着负载扭矩的增 大转速逐渐降低，等到负载扭矩开始减小时，转速又开始回升。当扭矩变为负值 时，电动机反被负载拖动，转速迅速升高到最大值。随着负载扭矩又重新开始为 负，则电机转速又开始下降。如此完成一个机械周期循环。 基于以上电机负载和转速的变化规律，本文提出单冲程内停机控制策略， 即在负载扭矩由正变为零之前提i i 关闭电动机，电机不产生电磁转矩，使系统按 惯性运行，则电机转速降低。随着负载扭矩变为负值，则电机被负载拖动转速开 始重新升高，随着负载扭矩又变为正且不断增大，电机转速又开始下降。当转速 下降至等于停机点转速时，重新开机。如此周期循环，可以有效地降低电动机的 转速波动，提高系统寿命。停机点位置的调整可以利用神经网络模型的自学习功 能来实现，控制目标是使电动机的转速波动达到最小。 0熊八一 图1 2 停机策略示意图 t n 一一 图1 3 转速波动示意图 停机控制策略设计规则：如图1 2 和图1 3 所示。计时点1 是停机计数起始 点。此点可以通过转矩的百分比来确定，即规定电流值达到上一冲程电流峰值的 某一百分比时即为此点。计数时间t 0 是从计时点1 开始计时到停机点2 停机的 时间，此时间内无刷直流电动机正常运行。停机点2 是电机开始停机点，通过时 6 山东大学硕士学位论文 问t o 来确定，当时间t 0 到后开始停机。开机点3 是重新开机时刻，电动机在停 机点停机后转速先下降然后又上升，当电动机转速等于停机时刻的转速时，就是 开机点3 ，则可以重新开机。如此完成一个抽油机系统机械周期的循环。该策略 中最重要的一点即为停机点2 的确定，也就是时间t 0 的确定。本文采用神经网 络算法，通过测得的抽油机系统真实数据来求取停机时间，并通过神经网络的自 学习功能不断完善，最终逼近最佳停机点。 此种工作方式的优点主要是： ( 1 ) 在抽油机的一个工作过程中，无刷直流电动机的转速波动较小，电动 机工作时工作点比较接近额定工作点，使电动机在一个冲程周期内具有较高平均 效率。 ( 2 ) 电动机的转速波动大大降低了，可以保证采油设备的长期可靠工作， 因为转速波动过大，抽油机油杆、泵的磨损加剧，影响使用寿命。 1 5 本课题的研究内容 本文的主要研究内容如下： 1 针对抽油机负载存在负扭矩，使无刷直流电动机转速过高的问题，提出 单冲程内停机控制策略，以降低最高转速，减小转速波动，提高抽油机系统寿命。 单冲程内停机控制策略采用人工神经网络的l m s 算法，利用其自学习功能对停机 点进行优化，最终使其转速波动达到最小值。 2 为了对无刷直流电动机单冲程内停机控制策略进行深入研究，建立了基 于m a t l a b 的无刷直流电动机驱动控制系统仿真模型，通过模拟抽油机负载情况， 对本文提出的控制方法进行了仿真验证。 3 完成了以m i c r o c h i p 公司的p i c l 8 f 2 3 3 1 为主控芯片，以智能功率模块为 功率电路的无刷直流电动机控制系统的软硬件设计、制作和调试。 4 提出了基于气隙磁场解析计算的永磁无刷直流电动机电磁设计方法。结 合气隙磁场的解析计算方法，提出了永磁无刷直流电动机的场路耦合模型，为电 机的特性参数的计算提供了可靠、准确的计算方法。结合偏微分方程的解析算法， 推导了电机绕组电感参数的解析计算方法，较准确地计算出电机绕组的电感参 数。结合永磁无刷电动机的场路耦合模型，分析了电机直流母线电流和相绕组电 流的关系。 7 山东大学硕士学位论文 第二章基于自适应神经元网络的控制方法及其仿真 如第一章所述，停机控制策略中停机点的选择是至关重要的环节。由于油田 井下情况复杂，每一口井都可能有不同的工况，而且抽油机负载经常变化，因此 要事先确立一个针对所有油井的固定模型是不可能的。该抽油机系统模型必须在 线建立，并且能随着外部工况的变化在线的改变系统模型参数，使之与新的工况 相匹配，也就是要在系统运行过程中不断对被控对象进行在线辨识。本文采用自 适应线性神经元算法，利用神经网络的自学习功能，在线调整系统模型参数使之 与真实的抽油机系统相匹配，并通过m a t l a b 进行仿真建模分析。 2 1 人工神经网络3 小 人工神经网络是一门崭新的边沿交叉学科，虽然它的理论研究可以追溯到2 0 世纪4 0 年代年代，与计算机的研究几乎同时，但是人工神经网络的研究却经历 了一条曲折的道路。在对人工神经网络进行研究时需特别注意研究方法上的特殊 性。尽管人工神经网络的结构和体系在不同的应用场合可以千差万别，但不同结 构的神经网络之间仍有许多共同的特点，因此应该就人工神经网络的共同特点进 行说明。 2 1 1 人工神经元 人工神经网络是由大量处理单元广泛互连而成的网络，是人脑的抽象、简化、 模拟，反映人脑的基本特性。一般来说，作为神经元模型应具备三个要素： ( 1 ) 具有一组突触或联接，常用w 。，表示神经元i 和神经元j 之间的联接 强度，或称之为权值。与人脑神经元不同，人工神经元权值的取值可 在负值与正值之间。 ( 2 ) 具有反映生物神经元时空整合功能的输入信号累加器。 ( 3 ) 具有一个激励函数用于限制神经元输出。激励函数将输出信号压缩 ( 限制) 在一个允许范围内，使其成为有限值，通常，神经元输出的 扩充范围在 0 ，1 或 一l 。1 闭区间内。 一个典型的人工神经元模型如图2 1 所示。 其中x ，( j = 1 ，2 ，n ) 为神经元i 的输入信号，为突触强度或联接权。u 。是由 输入信号线性组合后的输出，是神经元i 的净输入。o 。为神经元的阂值或偏差 用b ，表示，v 。为经偏差调整后的值，也称为神经元的局部感应区。 8 山东大学硕士学位论文 吩- 工， ui “j + 屯 ( 2 1 ) ( 2 2 ) f ( ) 是激励函数，y i 是神经元i 的输出。 x l x 2 x j x h 图2 1 人工神经元模型 y ，- 怛惭+ 岛) s h 激励函数可取不同的函数，但常用的基本激励函数有以下三种： ( 1 ) 阈值函数 州一忙耄： 4 ， ( 2 ) 分段线性函数 f1 ， p + 1 ，( d 一 v ， + 1 v 一1 ( 2 5 ) 卜1 ， ，一1 ( 3 ) s ig l l l o i d 函数 川一南 ( 2 - 6 ) 自适应线性元件( a d a p t i v el i n e a re 1 e m e n t ，a d a l i n e ) 模型是由美国斯坦 福大学的w i d r o w 和h o f f 于1 9 6 1 年提出的。 自适应线性元件模型如图2 2 所示。 神经元i 的输入信号向量：x i - x 。，x l i ，k 。 ，x 。常取l 。 突触权值向量：w i - w o 。，w l i ，w - 。 7 w 0 。常接有单位输入，用以控制阈值电平。 9 一一 些查查兰堡主兰垡堡塞 模拟输出：y 。= x 。w = w tx 二值输出：q = s g n ( y 。) x o = 1 ，wo l ( 阔值权 1 k 2 k n k 口l l 练信号( 期望输出) 图2 2 自适应线性元件 2 1 2l m s 学习算法 设e ( n ) 为在时刻n 时的误差信号： e q ) 一d 0 ) 一x 7 0 ) 形0 ) ( 2 7 ) 其中参数的含义如前所述。用采用瞬时值均方误差作为代价函数： 缈) 一三e 2 。) ( 2 - 8 ) 对式( 2 7 ) 和( 2 8 ) 两边求关于权值向量的导数可得 掣。e o ) 掣 ( 2 9 ) d 、7 a 掣一z 。) ( 2 _ 1 0 ) 从式( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 又可得 等一。行) ( 2 - 1 1 ) 为使误差尽快减小，令权值沿着误差函数负梯度方向， v 形一叫等一私。川 ( 2 _ 1 2 ) 这样就可以得到lms 算法调整突触权值的公式 + 1 ) i 矽o + 棚j o 弦o )， 。y 仰) + 社z ) k q ) 一z 7 0 ) o ) j ( 2 1 3 ) 一l ，一孕y o ) x 7 0 ) 少o ) + ，拶矽o ) 1 0 山东大学硕士学位论文 其中f i 是学习速率因子，i 表示单位矩阵。 l m s 算法的步骤如下： 第一步设置参数和变量： 工o ) t 艮x 。o ) ，工： ) ，o ) 】为输入向量，或称训练样本。 0 ) t 6 0 ) ，h o ) ，o ) ，o ) 】为权值向量。 6 0 ) 为偏差。 y “) 为实际输出。 d ( n ) 为期望输出。 i i 为学习速率。 n 为迭代次数。 第二步初始化，赋给w j ( 0 ) 各一个较小的随机值。 第三步对于一组输入样本x ( n ) = 1 ，t o ( n ) 和对应的期望输出d ，计算： 0 ) - d o ) 一z 7 0 ) 形o ) ( 2 1 4 ) o + 1 ) 一o ) + ，拶0 弘o ) ( 2 1 5 ) 第四步判断是否满足条件，若满足条件算法结束，若不满足将n 值增加l ，转 到第三步重新执行。 在以上学习算法的第四步需要判断是否满足条件，这里的条件可以是：误差 小于我们设定的值e ，即：ie ( n ) l e ；或者是权值的变化已经很小，即1 w ( n + 1 ) - w ( n ) l e 。另外，在实现过程中还应设定最大的迭代次数，以防止算法 万一不收敛时程序进入死循环。 l m s 算法中的学习速率因子i i 对l m s 算法影响较大。当t l 取比较小的值 时，lms 算法的自适应过程就比较慢，lms 算法就记忆了更多的过去数据， 从而lms 算法的结果就更加精确。也就是说，lms 算法的运行时间和学习速 率因子成反比，或者说，学习速率因子r l 的倒数也就表示了lms 算法的记忆容 量。 2 1 3 基于自适应神经元网络的控制算法 由于自适应神经元网络要在抽油机系统的运行过程中不断对被控对象进行 山东大学硕士学位论文 在线辨识，因此要求所选用的神经网络的结构应适合于自适应神经网络的在线 学习的工作特性，而且学习速度要快。如果自适应神经网络的结构比较复杂，那 么需要调整的权重数量就较多，则势必会影响自适应神经网络的学习速度，使其 不能很好地跟踪被控对象的变化，且多层神经网络的动态学习理论发展还不够 完善。所以综合考虑以上因素，在自适应神经网络控制器中，决定选用1 个单神 经元动态学习来实现自适应机构，该神经元激励函数为线性函数，单输入单输出 结构。如第一章所述，见图1 2 ，抽油机每完成一个冲程都会获得两个数据，即 从计时点l 开始计时到停机点2 的计时时间t0 和该冲程的最高转速n - m a x 与最低 转速n - m i n 之间的偏差d n 。自适应单神经元的输入为时间to ，输出为该冲程的转 速最大值与最小值的差d n 。自适应神经元网络的控制算法采用l m s 学习算法。 如图2 3 所示，自适应神经元网络的工作过程可分为辨识过程和修正过程2 步： j l 一 l jr 1 i 测得新数据f 鹾是一 f 定值n s c t 按i 是 l 步长减小|“譬止1 且_ 竺翌 否 否 人 、7 7 、；呈：竺! 曼圭二! 堕， 图2 3 自适应神经元网络控制算法 ( 1 ) 辨识过程 在第n 次的辨识过程中，单神经元处于动态学习状态。单神经元的输入样本 为第n 次时的时间t o ( n ) ，期望输出为第n 次时的最高转速与最低转速的差值 山东大学硕士学位论文 d n ( n ) 。以 t 0 ( n ) ，d n ( n ) 为训练样本，单神经元采用l m s 学习法则进行动态 学习，调整权重，使单神经元能够反映此时被控对象的输入输出特性( 即数学模 型) 。l m s 学习法则的数学表达式已经在前面介绍过了，只需将x l = t 0 ( n ) ，d = d n ( n ) 代入式中即可。 e 0 ) - d o ) 一石7 ) 形o ) 一砌o ) 一口0 0 ) m o ) + 6 0 ) 】 ( 2 1 6 ) m o + 1 ) 一m o ) + ，7 r 嘞) e o ) 6 ( 阼+ 1 ) 一6 ( 厅) + 叩p ( 竹) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 动态学习后，得到经过修正的权重值w 1 和b ，抽油机系统停机控制的数学模 型的信息就己存储在这2 个权系数中了。 ( 2 ) 预测过程 在第n 次的预测过程中，单神经元预测第( n + 1 ) 次自适应神经元算法的输 入量t o ( n + 1 ) 。第( n + 1 ) 次的输入预测量t o ( n + 1 ) 和第n 次求得的权重w 1 ( n ) 相 乘后再相加偏差b ( n ) ，得到单神经元的输出y ( n + 1 ) 。这个输出是预先设定的最高 转速与最低转速之差的极限值n _ s e t 。反向计算，则可以求出第( n + 1 ) 次的输 入预测量t 0 ( n + 1 ) 。 r o ( 玎+ 1 ) 叫n ) + 6 ( 甩) - y ( 甩+ 1 ) - n s 甜 ( 2 一1 9 ) z 晰+ 1 ) 。业兰幽。坠竺兰盟( 2 2 0 ) 、7 d m ) 州n ) 自适应神经元网络算法求出第( n + 1 ) 次的输入预测量t 0 ( n + 1 ) 后，在下一 个抽油机冲程中按照此预测值停机，就可以得到对应t o ( n + 1 ) 的该冲程电动机真 实转速差，也就是期望输出d n ( n + 1 ) 。然后，将这两个数据再代入到辨识过程中 重新计算。 满足以下条件时，系统将跳出循环。 ( 1 ) 电动机真实转速差小于预先设定的值。 ( 2 ) 超过最大迭代次数。 经过系统的不断学习，电动机在一个冲程的实际转速差小于预先设定的最高 转速与最低转速之差的极限值n _ s e t 时，n _ s e t 将按照一定的步长减小。新的n - s e t 将作为系统的冲程转速设定极限差值。 山东大学硕士学位论文 2 2 无刷直流电动机控制系统仿真 m a t h w o r k s 公司的m a t l a b 具备强大的分析功能，其中的仿真软件s i 删l i n k 内含有丰富的模块库，使得以分析对象的数学模型为基础的计算机仿真技术实 现了模块化和可视化。对于电力电子及电力传动仿真，针对电气传动控制领域所 设计的工具箱s i i i l p 0 w e r s y s t e mt 0 0 1 b o x 2 3 具有许多标准模型。比如对于电机模 块，目前所见到的大部分电机类型基本上都能够在其中找到相应的模型s i m p o w e rs y s t e mt o o l b o x 2 3 提供了p m s m 的电机模型。但是，对于梯形波感应电动势的 永磁无刷直流电动机，在m a t l a b 6 5 中却没有相应的模型。本文以无刷直流电机 的数学模型为基础，以m a t l a b 6 5 中的s i 删l i n k 为平台，建立了该种电机的仿 真模型渊一。 2 2 1 永磁无刷直流电动机的数学模型 无刷直流电机由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。电动 机本体在结构上与永磁同步电机相似，但没有笼型绕组和其他起动装置。无刷直 流电机转子采用瓦片型磁钢。经相应磁路设计，可使气隙磁场为近似梯形波，定 子假定采用集中整矩绕组，因而感应电动势也是梯形波。本系统无刷直流电机 b l d c m ( b r u s h l e s sd cm o t o r ) 采用两相导通的星形三相六状态工作方式，感应电 动势相位互差1 2 0 。电角度。感应电动势e 。与电流i 。的关系如图2 4 所示。由于无 刷直流电机的感应电动势是梯形波，感应电动势、电流波形不能简单用矢量表示， 因而不适用旋转坐标变换，这里采用在静止a b c 坐标上建立电机的数学模型。为 简化其推导，作如下假设： ( 1 ) 三相绕组完全对称，定子电流、转子磁场分布皆对称； ( 2 ) 定子齿槽的影响忽略不计； ( 3 )电枢反应对转子磁钢产生的磁场的影响忽略不计； 1 4 ( 4 ) 磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗。 屹乞 辄 一 昙 鲁”l j ， i。j 图2 4 相绕组感应电动势和相电流波形 山东大学硕士学位论文 则三相绕组的电压平衡方程可以表示为： 医】瞄罢三】匿】+ 宦兰萎】p 隆】+ 区】+ 匿；】 ( 2 2 1 ) e ! 】- 匿丢主】隆 + r j m 厶：m ；m 】p 隆】+ 燕】+ 匿】c z 屯s ， t = 土( c ，i 。+ e b i b + e 。i 。) ( 2 2 4 ) ：兰：堡：! ! ( 2 2 6 ) t c 2 瓦怕j 警 ( 2 - 2 7 ) 山东大学硕士学位论文 2 2 2 无刷直流电动机的m t l b 仿真模型 在m a t l a b 6 5 的s i m u l i n k 环境下，利用s i m p o w e r s y s t e m t o o l b o x 2 3 丰富的 模块库，在分析b l d c m 数学模型的基础上，提出了建立b l d c m 控制系统仿真模型 的方法，系统设计框图如图2 5 所示 图2 5 无刷直流电动机系统示意图 图中无刷直流电动机为三相星形连接，全控电路采用两两导通方式。根据模 块化建模的思想，将图所示的控制系统分割为各个功能独立的子模块、b l d c m 本 体模块、神经网络控制模块、转矩计算模块和电压逆变模块等，通过这些功能模 块的有机整合，就可在m a t l a b s i 叫l i n k 中搭建出b l d c m 控制系统的仿真模型 永磁无刷直流电动机控制系统实际上由电机本体，逆变器，驱动控制器等部分 组成。本系统中，直流电源通过电压源型三相桥式p _ | v m 逆变器向电机供电。只要根 据位置检测信号触发导通对应的开关器件，就可获得与感应电势同相位的相绕 组电流，从而驱动电机运转。根据系统各部分功能的不同，采用模块化的方法将整 个系统分成几个功能模块分别建模。因此，各部分模块相对独立，它们之间存在输 入输出的接口配合。整个系统的模型如图2 6 所示 1 6 图2 6 无刷直流电机的仿真模型 山东丈学硕士学位论文 2 2 3 无刷直流电动机本体模块 在整个控制系统的仿真模型中，b l d c m 本体模块是最重要的部分，该模块根 据b l d c m 电压方程式( 2 2 3 ) 求取b l d c 三相相电流。由电压方程式( 2 2 3 ) 可得，要 获得三相相电流信号i 。、i 。、i 。，必需首先求得三相感应电动势信号e 。、e 。、 e 。而b l d c m 建模过程中，梯形波感应电动势的求取方法一直是较难解决的问 题，感应电动势波形不理想会造成转矩脉动增大、相电流波形不理想等问题，严 重时会导致换向失败，电机失控。因此，获得理想的感应电动势波形是b l d c m 仿 真建模的关键问题之一。目前求取感应电动势较常用的三种方法为：( 1 ) 有限元 法，这种方法以变分原理为基础，将电磁场理论与磁路等效模型相结合，根据微 分方程及边界条件，求解有限元方程组，得到节点上的位函数，从而求出瞬间磁 场，进而结合时步有限元可以求出绕组感应电动势波形。应用有限元法求得的感 应电动势精度高，但方法复杂、专业性强、不易推广。( 2 ) 傅立叶变换( f f t ) 法， b l d c m 理想的梯形波感应电动势波形中含有大量的高次谐波分量，采用f f t 方法， 通过各次谐波叠加可得到近似的梯形波感应电动势，f f t 法应用简单，但需要进 行大量三角函数值的计算，所取谐波次数对仿真准确性影响较大。( 3 ) 分段线性 法，将一个运行周期0 3 6 0 。分为6 个阶段，每6 0 。为一个换向阶段，每一相的 每一个运行阶段都可用段直线进行表示，根据某一时刻的转子位置和转速信 号，确定该时刻各相所处的运行状态，通过直线方程即可求得感应电动势波形。 分段线性法简单易行，便于后期仿真分析计算，能够较好的满足建模仿真的设计 要求。因而，本文采用分段线性法建立梯形波感应电动势波形。理想情况下，二 相导通星形三相六状态的b l d c m 定子三相感应电动势的波形如图2 7 所示。 - 、， ， l 入： y ； ， ： 图2 7 三相感应电动势的波形 图中，根据转子位置将运行周期分为6 个阶段：o 一3 ，3 2 3 ，2 3 一丌，丌一4 丌3 ，4n 3 5 3 ，5 丌3 2 。以第一阶段o 一3 为例，a 相 1 7 山东大学硕士学位论文 感应电动势处于正向最大值e m ，b 相感应电动势处于负向最大值一e m ，c 相感应 电动势处于换向阶段，由正的最大值e m 沿斜线规律变化到负的最大值一e m 。根据 转子位置和转速信号，就可以求出各相感应电动势变化轨迹的直线方程；其它5 个阶段，也是如此。据此规律，可以推得转子位置和感应电动势之间的线性关系， 从而采用分段线性法，解决了在b l d c m 本体模块中梯形波感应电动势的求取问题。 图2 8 为反电势波形仿真模型，如图对转子角速度进行积分求出转子位置角，对 其进行函数处理从而得到感应电势。 图2 8 感应电动势仿真模型 2 2 4 转矩和转速计算模块 根据b l d c m 数学模型中的电磁转矩方程式( 2 2 4 ) ，可以建立图2 9 所示的转 矩计算模块，模块输入为三相相电流与三相感应电动势，通过加乘模块即可求得 电磁转矩信号。 客；r 印 鲁尊 图2 9 转矩计算模块仿真模型 如图2 1 0 所示，根据运动方程式( 2 2 7 ) ，由电磁转矩、负载转矩以及摩擦转 矩，通过加乘、积分环节，即可得到转速信号，求得的转速信号经过积分就可得 到电机位置信号，可用于b l d c m 本体模块和参考电流模块中三相感应电动势和三 相参考电流的求取。 1 8 山东大学硕士学位论文 图2 1 0 转速计算模块仿真模型 2 2 5 位置解码模块 如图2 1 1 所示，转速计算模块中输出的角度为机械角度，乘上极对数p 转化 成为电角度，转子位置角经过变换后得到三路霍尔信号。如图2 1 2 ，三路霍尔信 号经过逻辑处理得到六路逆变桥驱动信号。 图2 1 1 霍尔信号仿真模型 图2 1 2 驱动信号仿真模型 1 9 山东大学硕士学位论文 2 2 6 逆变器模块 如图2 1 3 所