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1. (WO2010124629) OIL FIELD CONTROL SYSTEM
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油田控制系统

技术领域

本发明涉及一种油田控制系统,具体涉及一种网络化的油田控制系统。

背景技术

油田的信息化、网络化建设意义重大,其不仅关系油田的安全生产,而且能使经营者直观地 了解地下生产动态和更准确预测未来动态变化以便及时采取措施提高产量和进行有效的油田管 理。

1998年美国前副总统戈尔提出的数字地球概念中涉及了数字油田的概念,这一概念迅速得到

BP、壳牌、斯伦贝谢、雪佛龙、挪威 Hydro等全球的石油公司、技术服务公司以及能源咨询服务 公司的广泛关注,并引发了对数字油田技术研究热潮的兴起。数字油田已经成为石油企业未来发 展趋势,我国以数字油田为内容的油田信息化建设也再次急剧升温。纵观国内外数字油田的建设, 不管从技术还是管理的层面上看,都还存在不少难题,尤其是业务流程革新、多元异构数据整合 以及专业技术软件的开发将在相当长一段时间内困扰数字油田的发展。而油气工业的各种工作流 程和不同领域活动所采用的技术与地下油藏、油井生产监控和地面控制系统的数据流整合在一起 更是一个极大的挑战。

油田控制中涉及众多因素或参数的控制,例如压力、温度、潜油电机的运行状态等。对这些 因素或参数的监测与控制也是油田控制系统中重要的一环。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于,针对现有技术的不足,提出一种油田控制系统,可以监测油 田中每一口油井的井下情况,并可以实时控制。

为解决上述技术问题,本发明提供了一种油田控制系统,包括中心控制站和分别与其相通信 的多个井下潜油伺服拖动控制子系统,每一井下潜油伺服拖动控制子系统与其所在井内的采油模 块相连接,在根据从中心控制站或该子系统的人机交互界面接收的指令和控制参数、控制采油模 块工作的同时,将该井内的情况发送给中心控制站。

优选地,每一所述井下潜油伺服拖动控制子系统包括位于地面上的地面控制模块和电源模块 和位于井下的伺服电机、电机控制模块和传感器;地面控制模块分别与所述中心控制站和所述电 机控制模块通信,用于将用户指令和设定的参数从所述地面控制模块和所述中心控制站发送给所 述电机控制模块;或者将从所述电机控制模块接收的信息发送给所述中心控制站;电源模块将地 面上的三相交流电转换为直流电输入到井下的电机控制模块;电机控制模块接收所述地面控制模 块发送来的指令和参数及传感器发送来代表电机运行的信息,控制伺服电机工作,并将所述传感 器感测的进下信息发送给所述地面控制模块。

优选地,地面控制模块包括地面处理单元、地面通信单元和人机交互界面;人机交互界面用 于提供用户设定指令和参数,并进行相关显示;地面通信单元用于与中心控制站和井下电机控制 模块通信。

优选地,地面控制模块还包括电源检测单元,电源检测单元用于检测所述电源模块是否正常, 并将检测结果发送给所述地面处理单元。

优选地,电机控制模块包括井下处理单元、电机驱动单元和井下通信单元;井下通信单元与 地面通信单元相连接,用于接收地面通信单元发送的指令和参数并传递给井下处理单元;井下处 理单元接收传感器发送来的关于电机运行的信息,根据用户的指令和设定的参数及传感器发送来 的信息,生成相应的控制信号给电机驱动单元;电机驱动单元根据该控制信号,将直流电转换成 三相电驱动所述伺服电机运行。

优选地,传感器包括采集电机轴位置信息的位置检测装置。

优选地,传感器包括压力传感器和 /或温度传感器。

优选地,位置检测装置为光电式传感器或磁电式传感器。

优选地,磁电式传感器包括传感器本体、不锈钢罩、密封装置和外壳;传感器本体包括磁钢 环、导磁环和磁感应元件;导磁环设置在不锈钢罩的外壁上,由两段或多段同半径、同圆心的弧 段构成,相邻两弧段留有缝隙;磁感应元件置于该缝隙内;磁钢环设置在不锈钢罩的内腔中,固 定在电机转轴上;不锈钢罩外部通过密封装置与外壳密封并固定;当磁钢环与导磁环发生相对旋 转运动时,磁感应元件将感测到的磁信号转换为电压信号,并将该电压信号传输给相应的伺服控 制器。

优选地,磁电式传感器包括传感器本体、不锈钢罩、密封装置和外壳;传感器本体包括转子, 所述转子包括第一磁钢环、第二磁钢环;其中,所述第一磁钢环和第二磁钢环分别固定在转轴上, 所述第一磁钢环被均匀地磁化为 N [ N<=2n(n=0, 1, 2…! i) ]对磁极,并且相邻两极的极性相反; 所述第二磁钢环的磁极总数为 N,其磁序按照特定磁序算法确定;在不锈钢罩上,对应于第一磁 钢环,以第一磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设有 m(m为 2或 3的整数倍)个呈一定角度分布 的磁感应元件;对应于第二磁钢环,以第二磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设有 n(n=0, 1, 2— n)个呈一定角度分布的磁感应元件;不锈钢罩外部通过密封装置与外壳密封并固定;当转子旋转 运动时,磁感应元件将感测到的磁信号转变为电压信号,并将该电压信号输出给信号处理装置。

优选地,对应于所述的第二磁钢环的相邻两个磁感应元件之间的夹角为 360° /2n

优选地,对应于第一磁钢环相邻两个磁感应元件之间的夹角,当 m为 2或 4时,每相邻两个 磁感应元件之间的夹角为 90 2n,当 m为 3时,每相邻两个磁感应元件之间的夹角为 120°/2n ; 当 m为 6时,每相邻两个磁感应元件之间的夹角为 60°/2n

优选地,磁电式传感器包括传感器本体、不锈钢罩、密封装置和外壳,传感器本体包括转子, 所述转子包括第一磁钢环、第二磁钢环;其中,所述第一磁钢环和第二磁钢环分别固定在电机轴 上,设置在不锈钢罩的内腔中,对应于第二磁钢环,以第二磁钢环的中心为圆心的同一圆周上设 有 n (n=l, 2…! i)个均匀分布的磁感应元件,所述第二磁钢环的磁极磁化顺序使得 n个磁感应元件 输出呈格雷码格式,相邻两个输出只有一位变化;在不锈钢罩上,对应于第一磁钢环,以第一磁 钢环的中心为圆心的同一圆周上设有有 m(m为 2或 3的整数倍)个呈一定角度分布的磁感应元件, 所述第一磁钢环的磁极总对数与第二磁钢环的磁极总数相等,并且相邻两极的极性相反;不锈钢 罩外部通过密封装置与外壳密封并固定;当转子旋转运动时,所述磁感应元件将感测到的磁信号 转变为电压信号,并将该电压信号输出给信号处理电路。

优选地,在定子上对应于第一磁钢环的相邻两个磁感应元件之间的夹角,当 m为 2或 4时, 该夹角为 90° /g; 当 m为 3时,该夹角为 120° /g; 当 m为 6时,该夹角为 60° /g,其中, g为 第二磁钢环的磁极总数。

可选地,磁电式传感器还包括一种信号处理电路,所述信号处理电路包括 A/D转换模块、合

成模块、角度获取模块、存储模块; A/D转换模块对磁电式传感器中磁感应元件发送来的电压信 号进行 A/D转换,将模拟信号转换为数字信号;合成模块对磁电式传感器发送来的经过 A/D转换 的多个电压信号进行取舍,得到基准信号 D ; 角度获取模块根据该基准信号 D,在角度存储表中 选择与其相对的角度作为偏移角度 ; 存储模块用于存储处理过程中的数据和角度存储表。

可选地,磁电式传感器还包括一种信号处理电路,所述信号处理电路包括 A/D转换模块、相 对偏移角度计算模块、绝对偏移量计算模块、角度合成及输出模块、存储模块; A/D转换模 块对磁电式传感器发送来的电压信号进行 A/D转换,将模拟信号转换为数字信号;相对偏移角度 计算模块用于计算磁电式传感器中对应于第一磁钢环的磁感应元件发送来的第一电压信号在所 处信号周期内的相对偏移量;绝对偏移量计算模块根据磁电式传感器中对应于第二磁钢环的 磁感应元件发送来的第二电压信号,通过计算来确定第一电压信号所处的信号周期首位置的绝对 偏移量 ;角度合成及输出模块用于将上述相对偏移量和绝对偏移量相加,合成所述第一电 压信号所代表的在该时刻的旋转角度 ; 存储模块,用于存储处理过程中的数据。

优选地,信号处理电路还包括信号放大模块,用于在 A/D转换模块进行 A/D转换之前,对来 自于磁电式传感器的电压信号进行放大。

优选地,相对偏移角度计算模块包括合成单元和第一角度获取单元,所述合成单元对磁电 式传感器发送来的经过 A/D转换的多个电压信号进行取舍,得到一基准信号 D ; 所述第一角度获 取单元根据该基准信号0,在第一角度存储表中选择一与其相对的角度作为偏移角度。

优选地,相对偏移角度计算模块还包括温度补偿单元,用于消除温度对磁电式传感器发送 来的电压信号的影响。

优选地,相对偏移角度计算模块还包括一系数矫正单元,其根据合成单元的输出进行运算, 得到一输出信号]^。

优选地,温度补偿单元包括多个乘法器,每一所述乘法器将经过 A/D转换的、磁电式传感器 发送来的一个电压信号与所述系数矫正单元输出的信号 K相乘,将相乘后的结果输出给合成单元。

优选地,绝对偏移量计算模块包括合成器和第二角度获取单元,所述合成器用于对对应于 第二磁钢环的磁电式传感器发送来的第二电压信号进行译码,得到一信号 E; 所述第二角度获取 单元根据该信号 E在第二角度存储表中选择一与其相对的角度作为第一电压信号所处的信号周期 首位置的绝对偏移量。

优选地,井下处理单元包括电机控制子单元和信号处理子单元,信号处理子单元接收所述磁 电式传感器发送来的信息,并将该信息处理成电机的旋转角度。

优选地,电机控制子单元包括压力环控制子单元、机械环控制子单元、电流环控制子单元和

PWM控制信号产生子单元;压力环控制子单元接收压力传感器感测的压力信息,将与接收的压力 指令进行运算得到角度指令,并输出给所述的机械环控制子单元;机械环控制子单元根据接收到 的指令信号和 /或压力环控制子单元输出的角度指令及磁电式传感器输出的电机轴的旋转角度,经 过运算得到电流指令,并输出给所述的电流环控制子单元;电流环控制子单元根据接收到的电流 指令和电流传感器输出的电流信号,经过运算得到三相电压的占空比控制信号,并输出给所述的 PWM控制信号产生子单元; PWM控制信号产生子单元根据接收到的三相电压的占空比控制信号, 生成具有一定顺序的六路 PWM信号,分别作用于电机驱动单元。

优选地,电机驱动单元为 IPM模块。

优选地,伺服电机为永磁同步伺服电机。

优选地,每一所述井下潜油伺服拖动控制子系统通过有线或无线的方式与中心控制站通信。 优选地,在中心控制站或地面处理单元或电机控制模块包括井内数据处理子单元,用于对压 力传感器或 /和温度传感器采集的数据进行处理,以得知井下液面的深度或 /和井内的温度。

根据本发明的油田控制系统,能够准确监测井下潜油伺服拖动系统的运行状况以便于运营者 进行合理的控制,有助于提高生产效率,节省运营成本。

附图说明

图 1A和图 1B是本发明的油田控制系统的总体框图,图 1A中采用有线通讯方式,图 1B中 采用无线通讯方式;

图 2为本发明一实施例中油田拖动系统的结构示意图;

图 3是油田控制系统的控制原理图;

图 4是井下控制器的结构原理图;

图 5 是根据本发明的第一实施例的安装有两个磁感应元件的磁电式传感器方案的分解示意 图;

图 6是根据本发明的第一实施例的安装有两个磁感应元件的磁电式传感器方案的信号处理装 置的框图;

图 7 是根据本发明的第一实施例的安装有三个磁感应元件的磁电式传感器方案的分解示意 图;

图 8是根据本发明的第一实施例的安装有三个磁感应元件的磁电式传感器方案的信号处理装 置的框图;

图 9 是根据本发明的第一实施例的安装有四个磁感应元件的磁电式传感器方案的分解示意 图;

图 10 是根据本发明的第一实施例的安装有四个磁感应元件的磁电式传感器方案的信号处理 装置的框图;

图 11 是根据本发明的第一实施例的安装有六个磁感应元件的磁电式传感器方案的分解示意 图;

图 12 是根据本发明的第一实施例的安装有六个磁感应元件的磁电式传感器方案的信号处理 装置的框图;

图 13A-图 13D是导磁环的倒角设计的示意图;

图 14是根据本发明的第二实施例的磁电式传感器方案的关键部件的分解立体图; 图 15是根据本发明的第二实施例的磁电式传感器方案的安装示意图;

图 16是第二实施例中的与第一磁钢环对应的两个磁感应元件的布置示意图;

图 17是第二实施例中的第一磁钢环均匀磁化为六对极时磁感应元件的布置示意图; 图 18是第二实施例中的第二磁钢环所对应的磁感应元件个数为三个时所得到的编码; 图 19是第二实施例中的第二磁钢环的充磁顺序;

图 20是第二实施例中的第二磁钢环所对应的磁感应元件布置示意图;

图 21是第二实施例的磁电式传感器的一个信号处理装置的框图;

图 22是磁感应元件采用表贴式安装的磁电式传感器的结构示意图;

图 23是根据第三实施例的磁电式传感器的分解立体图;

图 24是确定磁钢环 303的磁序的算法流程图;

图 25是由图 24得到的磁钢环的充磁结构图以及磁感应元件的排布顺序的一个示例; 图 26是根据第三实施例的磁电式传感器的信号处理装置的框图;

图 27是压力环控制子单元的控制框图;

图 28是机械环控制子单元的控制框图;

图 29是电流环控制子单元的控制框图;

图 30是 PWM控制信号产生子单元的控制框图;

图 31是图 2中的潜油伺服系统 7的细节图;以及

图 32是电机控制模块和传感器部分的走线图。

具体实施方式

一个中心控制站控制多个潜油抽油系统,构成一个控制网络。中心控制站与潜油抽油系统的 连接可以为有线或无线连接。有线连接如图 1A所示,一般采用通讯电缆,用于实现中心控制站 与潜油抽油系统的通讯。也可以采用无线通讯方式,如图 1B所示,采用如 CDMA、 GPRS等通讯 方式。中心控制站与潜油抽油系统的地面控制器通讯,获取井况信息、潜油抽油系统信息等,并 可以根据获得的信息,发出控制指令给相应的地面控制器,如调整控制方式,设置控制参数等等。 地面控制器根据接收的信号,发送指令给井下控制器,从而控制井下控制器。井下控制器根据设 定的指令控制潜油伺服电机。

图 2是用于说明潜油伺服拖动控制子系统的示意图。图中 1为中心控制站,通过控制信号线 缆 16、 18分别与潜油伺服拖动控制子系统 17、 19相通信。以潜油伺服拖动控制子系统 17为例, 其包括电源模块、地面控制模块 3、伺服电机 4、电机控制模块 5和传感器 6。其它的附图标记表 示:地面电缆 2,潜油伺服系统 7,潜油电缆 8,井口装置 9,油管 10,套管 11,出口接头 12, 泵 13,保护器 14,磁电式传感器及密封组件 15。由图中可以看出,潜油伺服系统 7包括伺服电 机 4、磁电式传感器及密封组件 15、电机控制模块 5和传感器 6。其中,地面控制模块 3分别与 所述中心控制站 1和所述电机控制模块 5通信,用于将用户指令和设定的参数从所述地面控制模 块 3和所述中心控制站 1发送给所述电机控制模块 5 ; 或者将从所述电机控制模块 5接收的信息 发送给所述中心控制站 1 ; 电源模块将地面上的三相交流电转换为直流电,通过地面电缆 2和潜 油电缆 8输入到井下的电机控制模块 5 ; 电机控制模块 5接收所述地面控制模块 3发送来的指令 和参数及传感器发送来代表电机运行的信息,控制伺服电机 4工作,并将所述传感器 6感测的进 下信息发送给所述地面控制模块 3。

地面控制模块 3包括地面处理单元、地面通信单元和人机交互界面;所述人机交互界面用于 提供用户设定指令和参数,并进行相关显示;所述地面通信单元用于与中心控制站 1和井下电机 控制模块 5通信。地面控制模 3块还包括电源检测单元,所述电源检测单元用于检测所述电源模 块是否正常,并将检测结果发送给所述地面处理单元。

电机控制模块 5包括井下处理单元、电机驱动单元和井下通信单元;井下通信单元与地面通 信单元相连接,用于接收地面通信单元发送的指令和参数并传递给井下处理单元;井下处理单元 接收传感器发送来的关于电机运行的信息,根据用户的指令和设定的参数及传感器发送来的信息, 生成相应的控制信号给电机驱动单元;电机驱动单元根据该控制信号,将直流电转换成三相电驱 动所述伺服电机运行。其中,伺服电机优选地为永磁同步伺服电机。

图 3是油田控制系统的控制原理图。每一个潜油伺服系统的控制部分包括地面控制器和井下 控制器。地面控制器包括 MCU1、整流滤波电路和控制面板等,地面控制器的功能有:(1)为井下 控制器提供直流电;(2)与中心控制站通讯,将从井下控制器获取的信息传递给中心控制站,并接 收中心控制站的控制指令,控制井下控制器;(3)与井下控制器通讯,接收井下控制器的传递的信 息,设置井下控制器的控制参数和控制模式。井下控制器包括 MCU2、 IPM、电流传感器和压力 传感器等,井下控制器的功能是根据地面控制器设定的控制参数和控制模式,控制潜油伺服电机 运行,同时将井下信息(如压力、电流、转矩等)传递给地面控制器。压力传感器的作用是检测 井下液体压力,根据压力可以求出油井液面的深度,从而通过潜油伺服系统控制油井液面。

地面控制器和井下控制器通过电缆连接,电缆为多芯电缆,包括地面控制器 MCU1与井下控 制器 MCU2通讯用的通讯线和给 IPM提供功率电即输送直流电的线。操作人员可以通过控制面板 操作地面控制器或者通过中心控制站控制地面控制器,设定相应的控制参数和控制模式。地面控 制器的 MCU1通过通讯线与井下控制器 MCU2通讯,将设定的控制参数和控制模式传递给井下控 制器,同时获取井下信息。外部三相交流电输入地面控制器,通过整流滤波电路,将三相交流电 转换为直流电,然后通过电缆输送给井下控制器的 IPM, 直流电的正、负极分别接入 ^1的?、 N极。地面控制的 MCU1同时会进行电压检测,包括三相交流电压检测和直流电压检测,确保输 送到井下控制器的直流电正常,如果不正常则会发出报警信号。井下控制器 MCU2根据地面控制 器 MCU1设定的控制参数和控制模式,以及电流传感器和磁电式传感器的反馈信号以及压力传感 器的压力反馈信号,运行控制程序,产生 PWM信号控制 IPM。 IPM根据 PWM信号,产生三相 电压给交流伺服电机。

井下控制器包括 MCU2、 IPM、电流传感器、压力传感器和温度传感器等,井下控制器的功 能是根据地面控制器设定的控制参数和控制模式,控制潜油伺服电机运行,同时将井下信息(如 压力、温度、电流、转矩等)传递给地面控制器。温度传感器的作用是检测井下温度。

图 4是井下控制器的结构原理图。井下控制器由单片机(MCU)、 IPM, 电流传感器、压力传 感器等组成。单片机接收电流传感器、位置检测装置(即编码器,一种磁电式传感器)和压力传 感器的反馈信号,运行控制程序,产生 PWM信号控制 IPM。 IPM根据 PWM信号,产生三相电 压给交流伺服电机。

在 MCU的内部有 CPU、 A/D转换模块、同步通讯口和 PWM信号产生模块等, A/D转换模 块将电流传感器输入到 MCU 的模拟信号转换为数字信号,从而得到电流反馈。磁电式传感器将 电机角度位置信息通过同步口通讯传递给 MCU。压力传感器将检测到的井下压力信号传递给 MCU,经过 A/D采样,得到压力反馈。 MCU中的 CPU根据电流反馈、角度反馈、压力反馈运行 控制程序。控制程序主要包含压力环、机械环和电流环,压力环根据设定指令和压力反馈,计算 出角度指令;机械环根据角度指令和角度反馈,计算出电流指令;电流环根据电流指令和电流反 馈,计算出三相电压占空比。 PWM信号产生模块根据三相电压占空比,产生 PWM信号,传递给 IPM。 IPM根据 PWM信号,产生三相电压给交流伺服电机。

本发明所用到的众多传感器包括位置检测装置、压力传感器、温度传感器等,其中位置检测 装置可以是光电式位置检测装置或磁电式位置检测装置。以下以优选的实施例介绍本发明的位置 检测装置的设计。

图 5 是根据本发明的第一实施例的安装有两个磁感应元件的磁电式传感器方案的分解示意 图。磁电式传感器包括感应元件 710、电路板 711、导磁环 712、不锈钢罩 713、磁钢环 715及外 壳(未图示)等部分,磁钢环 715安装于电机尾轴 716上,其余部分可安装于高压穿线密封组件 714 的不锈钢罩 713上。本方案的特征之处在于,磁电式传感器有两个磁感应元件,导磁环 712 也由两部分组成,一个是 1/4的磁环,一个是 3/4的磁环。两个不完整的磁环形成两个狭缝,用于 同两个磁感应元件配合使用。

图 6是根据本发明的第一实施例的安装有两个磁感应元件的磁电式传感器方案的信号处理装 置的框图。磁感应元件 Hla和 H2a的输出信号接 MCU的内置 A/D转换器模拟输入口,经模数转换 后得到输出信号接乘法器 20a、 21a, 系数矫正器 5a的输出信号 K接乘法器 20a、 21a的输入端, 乘法器 20a、 21a的输出信号接合成器 3a的输入端,合成器 3a输出信号 D和 R,系数矫正器 5a 接收合成器 3a输出的信号 R和来自于存储器 41a的信号 R。,通过运算得到信号 K,通过使磁感 应元件 Hla和 H2a的信号与该信号 K进行相乘,以此来进行温度补偿,消除温度对信号的影响。 存储器 40a中存储有一角度存储表, MCU根据信号 D在角度存储表中选择与其相对的角度作为 偏移角度。

在存储模块中存储有一标准角度表,其中存储了对应于一系列的码,每一个码对应于一个角 度。该表是通过标定得到的,标定方法是,利用本施例的检测装置和一高精度位置传感器,将本 施例中的磁感应元件输出的信号和该高精度位置传感器输出的角度进行一一对应,以此建立出一 磁感应元件输出的信号与角度之间的关系表。

另外,在存储模块中还存储了一些数据修正表,这些表中包括一个信号 D与信号 R。的对应 表,其中信号 R。为信号 R在标准状态下的信号,通过合成模块,即合成器 3a得到的信号 D,通 过査表可以得到一信号 R。,通过将信号 R。和信号 R进行比较,如除法运算,得到信号1^。

其中对信号的处理,即合成器 3a对信号的处理原则是:比较两个信号的数值的大小,数值小 的用于输出的信号 D,信号 D的结构为 {第一个信号的符合位,第二个信号的符合位,较小数值 的信号的数值位}。以本实施例为例,说明如下:

约定:

当数据 X为有符号数时,数据 X的第 0位(二进制左起第 1位)为符号位, X_0=1表示数据 X为负, X_0=0表示数据 X为正。

_0表示数据 X的数值位(数据的绝对值),即去除符号位剩下数据位。

如果 A_D>=B_D

D={ A_0; B_0; B_D }


否则:

D={ A_0; B_0; A_D }


图 7 是根据本发明的第一实施例的安装有三个磁感应元件的磁电式传感器方案的分解示意 图。磁电式传感器包括感应元件 717、电路板 718、导磁环 719、不锈钢罩 720、磁钢环 722及外 壳(未图示)等部分,高压穿线密封组件 721,电机尾轴 723,其各部分组件的安装方式与两个磁 感应元件的方案的相似,故在此不再重复。本方案的特征之处在于,磁电式传感器有三个磁感应 元件,导磁环也由三部分组成,每两个不完整的磁环形成狭缝,总共形成三个狭缝,用于同三个 磁感应元件配合使用。

图 8是根据本发明的第一实施例的安装有三个磁感应元件的磁电式传感器方案的信号处理装

置的框图。本方案的信号处理装置与两个磁感应元件的方案中的相似,不同之处在于,磁感应元 件有三个,输出给合成器的信号为三个,合成器在取舍信号时与上述方案中的有所不同。在这里, 仅说明合成器如何取舍信号。

合成器 3c对信号的处理原则是:先判断三个信号的符合位,并比较符合位相同的信号的数值 的大小,数值小的用于输出的信号 D,信号 D的结构为 {第一个信号的符合位,第二个信号的符 合位,第三个信号的符合位,较小数值的信号的数值位 }。以本实施例为例:

约定:

当数据 X为有符号数时,数据 X的第 0位(二进制左起第 1位)为符号位, X_0=1表示数据 X为负, X_0=0表示数据 X为正。

_0表示数据 X的数值位(数据的绝对值),即去除符号位剩下数据位。

如果 { A_0; B_0; C_0}=010 并且 A_D>= C_D

D={ A_0; B_0; C_0 ; C_D }

如果 { A_0 ; B_0; C_0}=010 并且 A_D< C_D

D={ A_0; B_0; C_0 ; A_D }

如果 { A_0 ; B_0; C_0}=101 并且 A_D>= C_D

D={ A_0; B_0; C_0 ; C_D }

如果 { A_0; B_0; C_0}=101 并且 A_D< C_D

D={ A_0; B_0; C_0 ; A_D }

如果 { A_0; B_0; C_0}=011 并且 B_D>=C_D

D={ A_0; B_0; C_0 ; C_D }

如果 { A_0; B_0; C_0}=011 并且 B_D<C_D

D={ A_0; B_0; C_0 ; B_D }

如果 { A_0; B_0; C_0}=100 并且 B_D>=C_D

D={ A_0; B_0; C_0 ; C_D }

如果 { A_0; B_0; C_0}=100 并且 B_D<C_D

D={ A_0; B_0; C_0 ; B_D }

如果 { A_0; B_0; C_0}=001 并且 B_D>=A_D

D={ A_0; B_0; C_0 ; A_D }

如果 { A_0; B_0; C_0}=001 并且 B_D<A_D

D={ A_0; B_0; C_0 ; B_D }

如果 { A_0; B_0; C_0}=110 并且 B_D>=A_D

D={ A_0; B_0; C_0 ; A_D }

如果 { A_0; B_0; C_0}=110 并且 B_D<A_D

D={ A_0; B_0; C_0 ; B_D }

71 71

a = A - B x cos (―) - Cx cos (―)

β = Β χ sin(—) - C x sin (―)


图 9 是根据本发明的第一实施例的安装有四个磁感应元件的磁电式传感器方案的分解示意 图。磁电式传感器包括感应元件 724、电路板 725、导磁环 726、不锈钢罩 727、磁钢环 729及外 壳(未图示)等部分,高压穿线密封组件 728,电机尾轴 730。其各部分组件的安装方式与两个磁 感应元件的方案的相似,故在此不再重复。本方案的特征之处在于,磁电式传感器有四个磁感应 元件,导磁环也由四部分组成,每两个不完整的磁环形成狭缝,总共形成四个狭缝,用于同四个 磁感应元件配合使用。

图 10 是根据本发明的第一实施例的安装有四个磁感应元件的磁电式传感器方案的信号处理 装置的框图。方案的信号处理装置与两个磁感应元件的方案中的相似,不同之处在于,增加了差 动放大模块,通过该差动放大模块抑制温度和零点漂移,以此来提高数据精度,最终输出给合成 器的信号仍为两个,处理过程及方法与两个传感器的方案的相同,在此不再重复。

图 11 是根据本发明的第一实施例的安装有六个磁感应元件的磁电式传感器方案的分解示意 图。磁电式传感器包括感应元件 731、电路板 732、导磁环 733、不锈钢罩 734、磁钢环 736及外 壳(未图示)等部分,高压穿线密封组件 735,电机尾轴 737。其各部分组件的安装方式与两个磁 感应元件的方案的相似,故在此不再重复。本方案的特征之处在于,磁电式传感器有六个磁感应 元件,导磁环也由六部分组成,每两个不完整的磁环形成狭缝,总共形成六个狭缝,用于同六个 磁感应元件配合使用。

图 12 是根据本发明的第一实施例的安装有六个磁感应元件的磁电式传感器方案的信号处理 装置的框图。方案的信号处理装置与三个磁感应元件的方案中的相似,不同之处在于,增加了差 动放大模块,通过该差动放大模块抑制温度和零点漂移,以此来提高数据精度,最终输出给合成 器的信号仍为三个,处理过程及方法与三个传感器的方案的相同,在此不再重复。

图 13A到图 13D以由 1/4弧段和 3/4弧段构成的导磁环为例,图示了本发明的导磁环的倒角 设计。如图 13A到图 13D所示,导磁环由两段或多段同半径、同圆心的弧段构成,图 13A所示 的导磁环没有设计倒角,图 13B到图 13D所示的弧段端部设有倒角,所述倒角为沿轴向(图 13B ) 或径向(图 13C ) 或同时沿轴向、径向(图 13D ) 切削而形成的倒角, 151、 153表示轴向切面, 152、 154表示径向切面。相邻两弧段间留有缝隙,磁感应元件置于该缝隙内,当磁钢环与导磁环 发生相对旋转运动时,所述磁感应元件将感测到的磁信号转换为电压信号,并将该电压信号传输 给相应的控制器。根据磁密公式 B = 可以知道,当 ^一定时候,可以通过减少,增加 β。因 为永磁体产生的磁通是一定的,在导磁环中较大,所以 Β比较小,因此可以减少因为磁场交变

而导致的发热。而通过减少导磁环端部面积能够增大端部的磁场强度,使得磁感应元件的输出信 号增强。这样的信号拾取结构制造工艺简单,拾取的信号噪声小,生产成本低,可靠性高,而且 尺寸小。虽然以两个弧段的方案为例描述了导磁环的倒角设计,然而本发明不限于此,导磁环为 三弧段、四弧段、六弧段的方案都可以采用类似的倒角设计,在此不再详细描述。

图 14是根据本发明的第二实施例的磁电式传感器方案的关键部件的分解立体图。图 15是根 据本发明的第二实施例的磁电式传感器方案的安装示意图。本实施例的磁电式传感器包括转子和 将转子套在内部的定子(即不锈钢罩),转子包括第一磁钢环 201a和第二磁钢环 201b以及第一导 磁环 205a和第二导磁环 205b,第一磁钢环 201a和第二磁钢环 201b分别固定在电机轴 200上, 其中定子为支架 203。第一导磁环 205a和第二导磁环 205b分别由多个同圆心、同半径的弧段构 成,相邻两个弧段之间留有空隙,对应于两个磁钢环的磁感应元件 204分别设在该空隙内。磁感 应元件设置在不锈钢罩的外壁上,不锈钢罩外部通过密封装置与外壳密封并固定,当转子旋转运 动时,所述磁感应元件将感测到的磁信号转变为电压信号,并将该电压信号输出给一信号处理装 置。

第一磁钢环 201a均匀的磁化为 g (g的取值等于第二磁钢环中的磁极总数)对极(N极和 S 极交替排列),当第二磁钢环中的磁极总数为 6时,第一磁钢环 201a的极对数为 6对。以第一磁 钢环 201a的中心为圆心的同一圆周上,设置有 m个磁感应元件,如 2个,如图 16所示,二个磁 感应元件 Η2之间的夹角为 90° /6。第一磁钢环均匀地磁化为 6对极时磁感应元件的布置如图

17所示。当转子相对于定子发生相对旋转运动时,所述磁感应元件将感测到的磁信号转变为电压 信号,并将该电压信号输出给一信号处理装置。

定义第一磁钢环中相邻一对 "N-S"为一个信号周期,因此,任一 "N-S"对应的机械角度为

360° /g (g为 "N-S"个数),假定转子在时刻旋转角度位于第" ί¾信号周期内,则此时刻角位 移 可认为由两部分构成: 1. 在第信号周期内的相对偏移量,磁感应元件和 H2感应第一磁 th 钢环的磁场来确定在此 " N-S"信号周期内的偏移量 (值大于 0小于 360° /g); 2. 第" 信号周 期首位置的绝对偏移量,用传感器感应第二磁钢环的磁场来确定此时转子究竟是处于哪一个 "N-S"来得到6 *2。

对应于第二磁钢环 201b,以第二磁钢环 201b的中心为圆心的同一圆周上设有 n (n=l, 2…! i) 个均匀分布的磁感应元件,第二磁钢环的磁极磁化顺序使得 n个磁感应原件输出呈格雷码形式。 磁极的极性为格雷码的首位为 "0"对应于 "N/S" 极,首位为 "1"对应于 "S/N"极。例如,当 n为 3时,得到如图 18所示的编码,得到如图 19所示的第二磁钢环的充磁顺序,如图 20所示, 三个磁感应元件均布周围进行读数。

图 21是本实施例的磁电式传感器的一个信号处理装置的框图。本示例中,第一磁钢环设有两 个磁感应元件,传感器 l_la和 l_2a的输出信号接放大器 2_la、 2_2a进行放大,然后接 A/D转换 器 3_la、 3_2a,经模数转换后得到输出信号接乘法器 4_la、 5_la,系数矫正器 10_la输出信号接 乘法器 4_la、 5_la的输入端,乘法器 4_la、 5_la的输出信号 A、 B接第一合成器 6_la的输入端, 第一合成器 6_la对信号 A、 B进行处理,得到信号 D、 R,根据信号 D从存储器 8中存储的标准 角度表中选择一与其相对的角度作为偏移角度。其中,第五合成器 6_la的输出信号 R输送给 系数矫正器 10_la,系数矫正器 10_la根据信号 R和从存储器 9_la中査表得到信号 R。得到信号 K, 该信号 Κ作为乘法器 4_la、 5_la的另一输入端,与从放大器 2_la、 2_2a输出的信号 Cl、 C2分 虽相乘得到信号 A、 B作为第一合成器 6_la的输入。

传感器 l_3a、 l_4a、 .. . l_na的输出信号分别接放大器 2_3a、 2_4a、 .. .2_na进行放大,然后 接 A/D转换器 3_3a、 3_4a、 .. .3_na进行模数转换后通过第二合成器 7_l a进行合成,得到一信号

E ; 根据该信号 E在存储器 l l_l a中的第二标准角度表中选择一与其相对的角度作为第一电压信 号所处的信号周期首位置的绝对偏移量, θι和 θ通过加法器 12_l a得到测量的绝对角位移输出 θ。

第二合成器 7_l a的功能是,通过对传感器 l_3a、 l_4a、 .. . l_na 的信号进行合成,得到此时 刻转子处于哪一个 " N-S "信号周期内。第二合成器 7_l a的处理是:当数据 X为有符号数时,数 据 X的第 0位(二进制左起第 1位)为符号位, X_0= 1表示数据 X为负, X_0=0表示数据 X为 正。也即当感应的磁场为 N时,输出为 X_0=0,否则为 X_0= 1。

则对于本实施例, E ={ C3_0; C4_0; Cn_0 }。

其中,第一合成器 6_l a对信号的处理是:比较两个信号的数值的大小,数值小的用于输出的 信号 D,信号 D的结构为 {第一个信号的符合位,第二个信号的符合位,较小数值的信号的数值 位}。具体如下:

这里约定(后文各合成器均使用该约定),当数据 X为有符号数时,数据 X的第 0位(二进 制左起第 1位)为符号位, X_0= 1表示数据 X为负, X_0=0表示数据 X为正。 X_D表示数据 X 的数值位(数据的绝对值),即去除符号位剩下的数据位。

如果 A_D>=B_D

否则:


信号 K一般是通过将信号 R。和 R进行除法运算得到。

对于第一、二标准角度表,在存储器中存储了两个表,每个表对应于一系列的码,每一个码 对应于一个角度。该表是通过标定得到的,标定方法是,利用本施例的检测装置和一高精度位置 传感器,将本施例中的磁感应元件输出的信号和该高精度位置传感器输出的角度进行一一对应, 以此建立出一磁感应元件输出的信号与角度之间的关系表。也就是,对应于信号 D存储了一个第 一标准角度表,每一个信号 D代表一个相对偏移量。对应于信号 E,存储了一个第二标准角度 表,每一个信号 E代表一个绝对偏移量。

本发明不限于上述示例,第一磁钢环还可以设有三个、四个、六个磁感应元件,相应的导磁 环和信号处理电路也要做相应变化,然而其变化与第一实施例中所述的类似,故在此不再赘述。

当设有导磁环时,导磁环的弧段端部设有倒角,为沿轴向或径向或同时沿轴向、径向切削而 形成的倒角。

作为替代,磁感应元件可以直接表贴在不锈钢罩的外表面上,即不设有导磁环,如图 22所示。 其它部件以及其信号处理装置与有导磁环的类似,在此不再赘述。

图 23是根据第三实施例的磁电式传感器的分解立体图。在骨架(即不锈钢罩) 306上对应于 磁钢环 302、磁钢环 303分别设有两列磁感应元件 307。图中只示出一列磁感应元件,为了说明方 便,这里将第一列磁感应元件即对应磁钢环 302和导磁环 304的多个磁感应元件都用磁感应元件 307表示,而将第二列磁感应元件即对应磁钢环 303和导磁环 305 的多个磁感应元件也用磁感应

元件 307表示。为了说明方便,这里将磁钢环 302定义为第一磁钢环,将磁钢环 303定义为第二 磁钢环,将导磁环 304限定为对应于第一磁钢环,将导磁环 305限定为对应于第二磁钢环,然而 本发明不限于上述的限定。

第一磁钢环 302被均匀地磁化为 N对磁极, N 2n(n=0, 1, 2…! i)对磁极,并且相邻两极的极 性相反,第二磁钢环的磁极总数为 2n,其磁序按照磁序算法确定;在轴 301上,对应于第一磁钢 环 302,以第一磁钢环 302的中心为圆心的同一圆周上设有 m(m为 2或 3的整数倍)个呈一定角度 分布的磁感应元件 307 ; 对应于第二磁钢环 303,以第二磁钢环 303的中心为圆心的同一圆周上设 有 n(n=0, 1, 2…! 1)个呈 360° /2n角度分布的磁感应元件 307。

图 24是磁钢环 303的磁序算法流程图。如图 25所示,以三个磁感应元件的情况为例,首先 进行初始化 a[3]= " 0, 0, 0"; 然后将当前编码入编码集,即编码集中有 " 0, 0, 0"; 接着检验入 编码集的集合元素是否达到 2n,如果是则程序结束,反之将当前编码左移一位,后面补 0; 然后 检验当前编码是否已入编码集,如果未入编码集则将当前编码入编码集继续进行上述步骤,如果 已入编码集则将当前码末位去 0补 1 ; 接着检验当前编码是否已入编码集,如果未入编码集则将 当前编码入编码集继续进行上述步骤,如果已入编码集则检验当前码是否为" 0…… 0",是则结束, 否则将当前编码的直接前去码末位去 0补 1 ; 接着检验当前编码是否已入编码集,如果未入编码 集则将当前编码入编码集继续进行上述步骤,如果已入编码集则检验当前码是否为 " 0…… 0 ",然 后继续进行下面的程序。其中 0磁化为 " N", 1磁化为 " S "。这样得到了图 25所示的磁钢环 303 充磁结构图以及 H3、 H4和的排布顺序。

本实施例中,对应于所述的第二磁钢环的相邻两个磁感应元件之间的夹角为 360° /N。关于 对应于所述的第一磁钢环相邻两个磁感应元件之间的夹角,当 m为 2或 4时,每相邻两个磁感应 元件之间的夹角为 90 N, 当 m为 3时,每相邻两个磁感应元件之间的夹角为 120 N; 当 m为 6 时,每相邻两个磁感应元件之间的夹角为 60°/N。

图 26是根据第三实施例的磁电式传感器的信号处理装置的框图。由于其信号处理方式与第二 实施例的类似,故在此不再赘述。

第一磁钢环可以设有两个、三个、四个、六个磁感应元件,相应的导磁环和信号处理电路也 要做相应变化,然而其变化与第一实施例中所述的类似,故在此不再赘述。

当设有导磁环时,导磁环的弧段端部设有倒角,为沿轴向或径向或同时沿轴向、径向切削而 形成的倒角。

作为替代,磁感应元件可以直接表贴在不锈钢罩的外表面上,即不设有导磁环,其它部件以 及其信号处理装置与有导磁环的类似,在此不再赘述。

本实施例的磁电式传感器的信号处理方法与第二实施例中的类似,故在此省略对其重复描述。 除了磁电式磁电式传感器以外,还可以采用光电式磁电式传感器,由于其信号处理装置与磁 电式的类似,故在此不再赘述。

井下处理单元包括电机控制子单元和信号处理子单元,信号处理子单元接收磁电式传感器发 送来的信息,并将该信息处理成电机的旋转角度。电机控制子单元包括压力环控制子单元、机械 环控制子单元、电流环控制子单元和 PWM控制信号产生子单元,图 27到图 30分别是压力环控 制子单元、机械环控制子单元、电流环控制子单元和 PWM控制信号产生子单元的控制框图。

如图 27所示,压力环的输入为压力指令和压力反馈,输出为角度指令。压力指令减去压力反 馈得到压力误差,通过 PID控制器得到角度指令。压力环控制的是井下压力,压力与井下液面深

度相对应,控制压力实际上是控制井下液面的深度。压力环控制子单元接收压力传感器感测的压 力信息,将与接收的压力指令进行运算得到角度指令,并输出给所述的机械环控制子单元。优选 地,在中心控制站或每一口井的控制子系统中包括井下液面浓度计算单元,该单元基于压力传感 器的数据计算出井下液面浓度。

如图 28所示,机械环控制子单元根据接收到的指令信号和 /或压力环控制子单元输出的角度 指令及磁电式传感器输出的电机轴的旋转角度,经过运算得到电流指令,并输出给所述的电流环 控制子单元。

如图 29所示,电流环控制子单元根据接收到的电流指令和电流传感器输出的电流信号,经过 运算得到三相电压的占空比控制信号,并输出给所述的 PWM控制信号产生子单元。

如图 30所示, PWM控制信号产生子单元根据接收到的三相电压的占空比控制信号,生成具 有一定顺序的六路 PWM信号,分别作用于电机驱动单元。其中,电机驱动单元可以为 IPM模块。

图 31是图 2中的电缆的进线示意图。由图中可以看到,潜油伺服系统中的电缆沿着壳体外壁 从地面进入井下,通过连接头 21从伺服电机 4的头部进入壳体内部其中的传感器 6可以是温度传 感器和 /或压力传感器。

图 32是电机控制模块和传感器部分的走线图。图中以温度传感器 29和压力传感器 28为例, 图示了其走线。其它附图标记表示:磁电式传感器及密封组件 15,电机控制模块 5,电机动力线 22,电源线 23,控制器外壁 24,电路板 25,压力信号线 26,控制器端盖 27,温度传感器信号线 30,散热片 31,磁电式传感器线 32,通讯信号线 33。

最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照上述实施例 对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,依然可以对本发明的技术方案进行 修改和等同替换,而不脱离本技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。