專利名稱：油田控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種油田控制系統(tǒng)，具體涉及一種網絡化的油田控制系統(tǒng)。
背景技術：
油田的信息化、網絡化建設意義重大，其不僅關系油田的安全生產，而且能使經營 者直觀地了解地下生產動態(tài)和更準確預測未來動態(tài)變化以便及時采取措施提高產量和進 行有效的油田管理。1998年美國前副總統(tǒng)戈爾提出的數(shù)字地球概念中涉及了數(shù)字油田的概念，這一概 念迅速得到BP、殼牌、斯倫貝謝、雪佛龍、挪威Hydro等全球的石油公司、技術服務公司以及 能源咨詢服務公司的廣泛關注，并引發(fā)了對數(shù)字油田技術研究熱潮的興起。數(shù)字油田已經 成為石油企業(yè)未來發(fā)展趨勢，我國以數(shù)字油田為內容的油田信息化建設也再次急劇升溫。 縱觀國內外數(shù)字油田的建設，不管從技術還是管理的層面上看，都還存在不少難題，尤其是 業(yè)務流程革新、多元異構數(shù)據(jù)整合以及專業(yè)技術軟件的開發(fā)將在相當長一段時間內困擾數(shù) 字油田的發(fā)展。而油氣工業(yè)的各種工作流程和不同領域活動所采用的技術與地下油藏、油 井生產監(jiān)控和地面控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流整合在一起更是一個極大的挑戰(zhàn)。油田控制中涉及眾多因素或參數(shù)的控制，例如壓力、溫度、潛油電機的運行狀態(tài) 等。對這些因素或參數(shù)的監(jiān)測與控制也是油田控制系統(tǒng)中重要的一環(huán)。

實用新型內容本實用新型要解決的技術問題在于，針對現(xiàn)有技術的不足，提出一種油田控制系 統(tǒng)，可以監(jiān)測油田中每一口油井的井下情況，并可以實時控制。為解決上述技術問題，本實用新型提供了一種油田控制系統(tǒng)，包括中心控制站和 分別與其相通信的多個井下潛油伺服拖動控制子系統(tǒng)，每一井下潛油伺服拖動控制子系統(tǒng) 與其所在井內的采油模塊相連接，在根據(jù)從中心控制站或該子系統(tǒng)的人機交互界面接收的 指令和控制參數(shù)、控制采油模塊工作的同時，將該井內的情況發(fā)送給中心控制站。優(yōu)選地，每一所述井下潛油伺服拖動控制子系統(tǒng)包括位于地面上的地面控制模塊 和電源模塊和位于井下的伺服電機、電機控制模塊和傳感器；地面控制模塊分別與所述中 心控制站和所述電機控制模塊通信，用于將用戶指令和設定的參數(shù)從所述地面控制模塊和 所述中心控制站發(fā)送給所述電機控制模塊；或者將從所述電機控制模塊接收的信息發(fā)送給 所述中心控制站；電源模塊將地面上的三相交流電轉換為直流電輸入到井下的電機控制模 塊；電機控制模塊接收所述地面控制模塊發(fā)送來的指令和參數(shù)及傳感器發(fā)送來代表電機運 行的信息，控制伺服電機工作，并將所述傳感器感測的進下信息發(fā)送給所述地面控制模塊。優(yōu)選地，地面控制模塊包括地面處理單元、地面通信單元和人機交互界面；人機交 互界面用于提供用戶設定指令和參數(shù)，并進行相關顯示；地面通信單元用于與中心控制站 和井下電機控制模塊通信。優(yōu)選地，地面控制模塊還包括電源檢測單元，電源檢測單元用于檢測所述電源模塊是否正常，并將檢測結果發(fā)送給所述地面處理單元。[0010]優(yōu)選地，電機控制模塊包括井下處理單元、電機驅動單元和井下通信單元；井下通信單元與地面通信單元相連接，用于接收地面通信單元發(fā)送的指令和參數(shù)并傳遞給井下處 理單元；井下處理單元接收傳感器發(fā)送來的關于電機運行的信息，根據(jù)用戶的指令和設定 的參數(shù)及傳感器發(fā)送來的信息，生成相應的控制信號給電機驅動單元；電機驅動單元根據(jù) 該控制信號，將直流電轉換成三相電驅動所述伺服電機運行。優(yōu)選地，傳感器包括采集電機軸位置信息的位置檢測裝置。優(yōu)選地，傳感器包括壓力傳感器和/或溫度傳感器。優(yōu)選地，位置檢測裝置為光電式傳感器或磁電式傳感器。優(yōu)選地，磁電式傳感器包括傳感器本體、不銹鋼罩、密封裝置和外殼；傳感器本體 包括磁鋼環(huán)、導磁環(huán)和磁感應元件；導磁環(huán)設置在不銹鋼罩的外壁上，由兩段或多段同半 徑、同圓心的弧段構成，相鄰兩弧段留有縫隙；磁感應元件置于該縫隙內；磁鋼環(huán)設置在不 銹鋼罩的內腔中，固定在電機轉軸上；不銹鋼罩外部通過密封裝置與外殼密封并固定；當 磁鋼環(huán)與導磁環(huán)發(fā)生相對旋轉運動時，磁感應元件將感測到的磁信號轉換為電壓信號，并 將該電壓信號傳輸給相應的伺服控制器。優(yōu)選地，磁電式傳感器包括傳感器本體、不銹鋼罩、密封裝置和外殼；傳感器本體 包括轉子，所述轉子包括第一磁鋼環(huán)、第二磁鋼環(huán)；其中，所述第一磁鋼環(huán)和第二磁鋼環(huán)分 別固定在轉軸上，所述第一磁鋼環(huán)被均勻地磁化為Ν[Ν<= 2η(η = 0，1，2…η)]對磁極，并 且相鄰兩極的極性相反；所述第二磁鋼環(huán)的磁極總數(shù)為N，其磁序按照特定磁序算法確定； 在不銹鋼罩上，對應于第一磁鋼環(huán)，以第一磁鋼環(huán)的中心為圓心的同一圓周上設有m(m為2 或3的整數(shù)倍)個呈一定角度分布的磁感應元件；對應于第二磁鋼環(huán)，以第二磁鋼環(huán)的中心 為圓心的同一圓周上設有n(n = 0，1，2…η)個呈一定角度分布的磁感應元件；不銹鋼罩外 部通過密封裝置與外殼密封并固定；當轉子旋轉運動時，磁感應元件將感測到的磁信號轉 變?yōu)殡妷盒盘?，并將該電壓信號輸出給信號處理裝置。。優(yōu)選地，對應于所述的第二磁鋼環(huán)的相鄰兩個磁感應元件之間的夾角為360° /N。優(yōu)選地，對應于第一磁鋼環(huán)相鄰兩個磁感應元件之間的夾角，當m為2或4時，每 相鄰兩個磁感應元件之間的夾角為90° /N，當m為3時，每相鄰兩個磁感應元件之間的夾 角為120° /N;當m為6時，每相鄰兩個磁感應元件之間的夾角為60° /N。優(yōu)選地，磁電式傳感器包括傳感器本體、不銹鋼罩、密封裝置和外殼，傳感器本體 包括轉子，所述轉子包括第一磁鋼環(huán)、第二磁鋼環(huán)；其中，所述第一磁鋼環(huán)和第二磁鋼環(huán)分 別固定在電機軸上，設置在不銹鋼罩的內腔中，對應于第二磁鋼環(huán)，以第二磁鋼環(huán)的中心為 圓心的同一圓周上設有η (η = 1，2…η)個均勻分布的磁感應元件，所述第二磁鋼環(huán)的磁極 磁化順序使得η個磁感應元件輸出呈格雷碼格式，相鄰兩個輸出只有一位變化；在不銹鋼 罩上，對應于第一磁鋼環(huán)，以第一磁鋼環(huán)的中心為圓心的同一圓周上設有m(m為2或3的 整數(shù)倍)個呈一定角度分布的磁感應元件，所述第一磁鋼環(huán)的磁極總對數(shù)與第二磁鋼環(huán)的 磁極總數(shù)相等，并且相鄰兩極的極性相反；不銹鋼罩外部通過密封裝置與外殼密封并固定； 當轉子旋轉運動時，所述磁感應元件將感測到的磁信號轉變?yōu)殡妷盒盘枺⒃撾妷盒盘?輸出給信號處理電路。[0019]優(yōu)選地，在定子上對應于第一磁鋼環(huán)的相鄰兩個磁感應元件之間的夾角，當m為2 或4時，該夾角為90° /g;當m為3時，該夾角為120° /g ；當m為6時，該夾角為60° /g， 其中，g為第二磁鋼環(huán)的磁極總數(shù)?？蛇x地，磁電式傳感器還包括一種信號處理電路，所述信號處理電路包括A/D轉換模塊、合成模塊、角度獲取模塊、存儲模塊；A/D轉換模塊對磁電式傳感器中磁感應元件 發(fā)送來的電壓信號進行A/D轉換，將模擬信號轉換為數(shù)字信號；合成模塊對磁電式傳感器 發(fā)送來的經過A/D轉換的多個電壓信號進行取舍，得到基準信號D ；角度獲取模塊根據(jù)該基 準信號D，在角度存儲表中選擇與其相對的角度作為偏移角度θ ；存儲模塊用于存儲處理 過程中的數(shù)據(jù)和角度存儲表?？蛇x地，磁電式傳感器還包括一種信號處理電路，所述信號處理電路包括A/D轉 換模塊、相對偏移角度θ工計算模塊、絕對偏移量θ 2計算模塊、角度合成及輸出模塊、存儲 模塊；A/D轉換模塊對磁電式傳感器發(fā)送來的電壓信號進行A/D轉換，將模擬信號轉換為數(shù) 字信號；相對偏移角度θ工計算模塊用于計算磁電式傳感器中對應于第一磁鋼環(huán)的磁感應 元件發(fā)送來的第一電壓信號在所處信號周期內的相對偏移量θ工；絕對偏移量92計算模塊 根據(jù)磁電式傳感器中對應于第二磁鋼環(huán)的磁感應元件發(fā)送來的第二電壓信號，通過計算來 確定第一電壓信號所處的信號周期首位置的絕對偏移量θ 2 ；角度合成及輸出模塊用于將 上述相對偏移量Q1和絕對偏移量θ 2相加，合成所述第一電壓信號所代表的在該時刻的旋 轉角度θ ；存儲模塊，用于存儲處理過程中的數(shù)據(jù)。優(yōu)選地，信號處理電路還包括信號放大模塊，用于在A/D轉換模塊進行A/D轉換之 前，對來自于磁電式傳感器的電壓信號進行放大。優(yōu)選地，相對偏移角度θ工計算模塊包括合成單元和第一角度獲取單元，所述合成 單元對磁電式傳感器發(fā)送來的經過A/D轉換的多個電壓信號進行取舍，得到一基準信號D ； 所述第一角度獲取單元根據(jù)該基準信號D，在第一角度存儲表中選擇一與其相對的角度作 為偏移角度θ”優(yōu)選地，相對偏移角度θ工計算模塊還包括溫度補償單元，用于消除溫度對磁電式 傳感器發(fā)送來的電壓信號的影響。優(yōu)選地，相對偏移角度θ工計算模塊還包括一系數(shù)矯正單元，其根據(jù)合成單元的輸 出進行運算，得到一輸出信號K。優(yōu)選地，溫度補償單元包括多個乘法器，每一所述乘法器將經過A/D轉換的、磁電 式傳感器發(fā)送來的一個電壓信號與所述系數(shù)矯正單元輸出的信號K相乘，將相乘后的結果 輸出給合成單元。優(yōu)選地，絕對偏移量θ 2計算模塊包括合成器和第二角度獲取單元，所述合成器 用于對對應于第二磁鋼環(huán)的磁電式傳感器發(fā)送來的第二電壓信號進行譯碼，得到一信號E ； 所述第二角度獲取單元根據(jù)該信號E在第二角度存儲表中選擇一與其相對的角度作為第 一電壓信號所處的信號周期首位置的絕對偏移量θ2。優(yōu)選地，井下處理單元包括電機控制子單元和信號處理子單元，信號處理子單元 接收所述位置檢測裝置發(fā)送來的信息，并將該信息處理成電機的旋轉角度。優(yōu)選地，電機控制子單元包括包括壓力環(huán)控制子單元、機械環(huán)控制子單元、電流環(huán) 控制子單元和PWM控制信號產生子單元；壓力環(huán)控制子單元接收壓力傳感器感測的壓力信息，將與接收的壓力指令進行運算得到角度指令，并輸出給所述的機械環(huán)控制子單元；機械環(huán)控制子單元根據(jù)接收到的指令信號和/或壓力環(huán)控制子單元輸出的角度指令及位置檢 測裝置輸出的電機軸的旋轉角度，經過運算得到電流指令，并輸出給所述的電流環(huán)控制子 單元；電流環(huán)控制子單元根據(jù)接收到的電流指令和電流傳感器輸出的電流信號，經過運算 得到三相電壓的占空比控制信號，并輸出給所述的PWM控制信號產生子單元；PWM控制信 號產生子單元根據(jù)接收到的三相電壓的占空比控制信號，生成具有一定順序的六路PWM信 號，分別作用于電機驅動單元。優(yōu)選地，電機驅動單元為IPM模塊。優(yōu)選地，伺服電機為永磁同步伺服電機。優(yōu)選地，每一所述井下潛油伺服拖動控制子系統(tǒng)通過有線或無線的方式與中心控
制站通信。優(yōu)選地，在中心控制站或地面處理單元或電機控制模塊包括井內數(shù)據(jù)處理子單 元，用于對壓力傳感器或/和溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)進行處理，以得知井下液面的深度或/ 和井內的溫度。根據(jù)本實用新型的油田控制系統(tǒng)，能夠準確監(jiān)測井下潛油伺服拖動系統(tǒng)的運行狀 況以便于運營者進行合理的控制，有助于提高生產效率，節(jié)省運營成本。
圖IA和圖IB是本實用新型的油田控制系統(tǒng)的總體框圖，圖IA中采用有線通訊方 式，圖IB中采用無線通訊方式；圖2為本實用新型一實施例中油田拖動系統(tǒng)的結構示意圖；圖3是油田控制系統(tǒng)的控制原理圖；圖4是井下控制器的結構原理圖；圖5是根據(jù)本實用新型的第一實施例的安裝有兩個磁感應元件的磁電式傳感器 方案的分解示意圖；圖6是根據(jù)本實用新型的第一實施例的安裝有兩個磁感應元件的磁電式傳感器 方案的信號處理裝置的框圖；圖7是根據(jù)本實用新型的第一實施例的安裝有三個磁感應元件的磁電式傳感器 方案的分解示意圖；圖8是根據(jù)本實用新型的第一實施例的安裝有三個磁感應元件的磁電式傳感器 方案的信號處理裝置的框圖；圖9是根據(jù)本實用新型的第一實施例的安裝有四個磁感應元件的磁電式傳感器 方案的分解示意圖；圖10是根據(jù)本實用新型的第一實施例的安裝有四個磁感應元件的磁電式傳感器 方案的信號處理裝置的框圖；圖11是根據(jù)本實用新型的第一實施例的安裝有六個磁感應元件的磁電式傳感器 方案的分解示意圖；圖12是根據(jù)本實用新型的第一實施例的安裝有六個磁感應元件的磁電式傳感器 方案的信號處理裝置的框圖；圖13A-圖13D是導磁環(huán)的倒角設計的示意圖；[0049]圖14是根據(jù)本實用新型的第二實施例的磁電式傳感器方案的關鍵部件的分解立 體圖；圖15是根據(jù)本實用新型的第二實施例的磁電式傳感器方案的安裝示意圖；圖16是第二實施例中的與第一磁鋼環(huán)對應的兩個磁感應元件的布置示意圖；圖17是第二實施例中的第一磁鋼環(huán)均勻磁化為六對極時磁感應元件 的布置示意 圖；圖18是第二實施例中的第二磁鋼環(huán)所對應的磁感應元件個數(shù)為三個時所得到的 編碼；圖19是第二實施例中的第二磁鋼環(huán)的充磁順序；圖20是第二實施例中的第二磁鋼環(huán)所對應的磁感應元件布置示意圖；圖21是第二實施例的磁電式傳感器的一個信號處理裝置的框圖；圖22是磁感應元件采用表貼式安裝的磁電式傳感器的結構示意圖；圖23是根據(jù)第三實施例的磁電式傳感器的分解立體圖；圖24是確定磁鋼環(huán)303的磁序的算法流程圖；圖25是由圖24得到的磁鋼環(huán)的充磁結構圖以及磁感應元件的排布順序的一個示 例；圖26是根據(jù)第三實施例的磁電式傳感器的信號處理裝置的框圖；圖27是壓力環(huán)控制子單元的控制框圖；圖28是機械環(huán)控制子單元的控制框圖；圖29是電流環(huán)控制子單元的控制框圖；圖30是PWM控制信號產生子單元的控制框圖；圖31是圖2中的潛油伺服系統(tǒng)7的細節(jié)圖；以及圖32是電機控制模塊和傳感器部分的走線圖。
具體實施方式
一個中心控制站控制多個潛油抽油系統(tǒng)，構成一個控制網絡。中心控制站與潛油 抽油系統(tǒng)的連接可以為有線或無線連接。有線連接如圖IA所示，一般采用通訊電纜，用于 實現(xiàn)中心控制站與潛油抽油系統(tǒng)的通訊。也可以采用無線通訊方式，如圖IB所示，采用如 CDMA.GPRS等通訊方式。中心控制站與潛油抽油系統(tǒng)的地面控制器通訊，獲取井況信息、潛 油抽油系統(tǒng)信息等，并可以根據(jù)獲得的信息，發(fā)出控制指令給相應的地面控制器，如調整控 制方式，設置控制參數(shù)等等。地面控制器根據(jù)接收的信號，發(fā)送指令給井下控制器，從而控 制井下控制器。井下控制器根據(jù)設定的指令控制潛油伺服電機。圖2是用于說明潛油伺服拖動控制子系統(tǒng)的示意圖。圖中1為中心控制站，通過 控制信號線纜16、18分別與潛油伺服拖動控制子系統(tǒng)17、19相通信。以潛油伺服拖動控制 子系統(tǒng)17為例，其包括電源模塊、地面控制模塊3、伺服電機4、電機控制模塊5和傳感器6。 其它的附圖標記表示地面電纜2，潛油伺服系統(tǒng)7，潛油電纜8，井口裝置9，油管10，套管 11，出口接頭12，泵13，保護器14，位置檢測裝置及密封組件15。由圖中可以看出，潛油伺 服系統(tǒng)7包括伺服電機4、位置檢測裝置及密封組件15、電機控制模塊5和傳感器6。其中， 地面控制模塊3分別與所述中心控制站1和所述電機控制模塊5通信，用于將用戶指令和 設定的參數(shù)從所述地面控制模塊3和所述中心控制站1發(fā)送給所述電機控制模塊5 ；或者將從所述電機控制模塊5接收的信息發(fā)送給所述中心控制站1 ；電源模塊將地面上的三相 交流電轉換為直流電，通過地面電纜2和潛油電纜8輸入到井下的電機控制模塊5 ；電機控 制模塊5接收所述地面控制模塊3發(fā)送來的指令和參數(shù)及傳感器發(fā)送來代表電機運行的信 息，控制伺服電機4工作，并將所述傳感器6感測的進下信息發(fā)送給所述地面控制模塊3。地面控制模塊3包括地面處理單元、地面通信單元和人機交互界面；所述人機交 互界面用于提供用戶設定指令和參數(shù)，并進行相關顯示；所述地面通信單元用于與中心控 制站1和井下電機控制模塊5通信。地面控制模塊3還包括電源檢測單元，所述電源檢測 單元用于檢測所述電源模塊是否正常，并將檢測結果發(fā)送給所述地面處理單元。電機控制模塊5包括井下處理單元、電機驅動單元和井下通信單元；井下通信單 元與地面通信單元相連接，用于接收地面通信單元發(fā)送的指令和參數(shù)并傳遞給井下處理單 元；井下處理單元接收傳感器發(fā)送來的關于電機運行的信息，根據(jù)用戶的指令和設定的參 數(shù)及傳感器發(fā)送來的信息，生成相應的控制信號給電機驅動單元；電機驅動單元根據(jù)該控 制信號，將直流電轉換成三 相電驅動所述伺服電機運行。其中，伺服電機優(yōu)選地為永磁同步 伺服電機。圖3是油田控制系統(tǒng)的控制原理圖。每一個潛油伺服系統(tǒng)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、整流濾波電路和控制面板等，地面控制器的功 能有(1)為井下控制器提供直流電；(2)與中心控制站通訊，將從井下控制器獲取的信息 傳遞給中心控制站，并接收中心控制站的控制指令，控制井下控制器；(3)與井下控制器通 訊，接收井下控制器的傳遞的信息，設置井下控制器的控制參數(shù)和控制模式。井下控制器包 括MCU2、IPM、電流傳感器和壓力傳感器等，井下控制器的功能是根據(jù)地面控制器設定的控 制參數(shù)和控制模式，控制潛油伺服電機運行，同時將井下信息(如壓力、電流、轉矩等)傳遞 給地面控制器。壓力傳感器的作用是檢測井下液體壓力，根據(jù)壓力可以求出油井液面的深 度，從而通過潛油伺服系統(tǒng)控制油井液面。地面控制器和井下控制器通過電纜連接，電纜為多芯電纜，包括地面控制器MCUl 與井下控制器MCU2通訊用的通訊線和給IPM提供功率電即輸送直流電的線。操作人員可以通過控制面板操作地面控制器或者通過中心控制站控制地面控制 器，設定相應的控制參數(shù)和控制模式。地面控制器的MCUl通過通訊線與井下控制器MCU2 通訊，將設定的控制參數(shù)和控制模式傳遞給井下控制器，同時獲取井下信息。外部三相交流 電輸入地面控制器，通過整流濾波電路，將三相交流電轉換為直流電，然后通過電纜輸送給 井下控制器的IPM，直流電的正、負極分別接入IPM的P、N極。地面控制的MCUl同時會進 行電壓檢測，包括三相交流電壓檢測和直流電壓檢測，確保輸送到井下控制器的直流電正 常，如果不正常則會發(fā)出報警信號。井下控制器MCU2根據(jù)地面控制器MCUl設定的控制參 數(shù)和控制模式，以及電流傳感器和位置檢測裝置的反饋信號以及壓力傳感器的壓力反饋信 號，運行控制程序，產生PWM信號控制IPM。IPM根據(jù)PWM信號，產生三相電壓給交流伺服電 機。井下控制器包括MCU2、IPM、電流傳感器、壓力傳感器和溫度傳感器等，井下控制器 的功能是根據(jù)地面控制器設定的控制參數(shù)和控制模式，控制潛油伺服電機運行，同時將井 下信息(如壓力、溫度、電流、轉矩等)傳遞給地面控制器。溫度傳感器的作用是檢測井下 溫度。[0077]圖4是井下控制器的結構原理圖。井下控制器由單片機(MCU)、IPM、電流傳感器、壓力傳感器等組成。單片機接收電流傳感器、位置檢測裝置(如編碼器)和壓力傳感器的 反饋信號，運行控制程序，產生PWM信號控制IPM。IPM根據(jù)PWM信號，產生三相電壓給交流 伺服電機。在MCU的內部有CPU、A/D轉換模塊、同步通訊口和PWM信號產生模塊等，A/D轉換 模塊將電流傳感器輸入到MCU的模擬信號轉換為數(shù)字信號，從而得到電流反饋。位置檢測 裝置將電機角度位置信息通過同步口通訊傳遞給MCU。壓力傳感器將檢測到的井下壓力信 號傳遞給MCU，經過A/D采樣，得到壓力反饋。MCU中的CPU根據(jù)電流反饋、角度反饋、壓力 反饋運行控制程序?？刂瞥绦蛑饕瑝毫Νh(huán)、機械環(huán)和電流環(huán)，壓力環(huán)根據(jù)設定指令和壓 力反饋，計算出角度指令；機械環(huán)根據(jù)角度指令和角度反饋，計算出電流指令；電流環(huán)根據(jù) 電流指令和電流反饋，計算出三相電壓占空比。PWM信號產生模塊根據(jù)三相電壓占空比，產 生PWM信號，傳遞給IPM。IPM根據(jù)PWM信號，產生三相電壓給交流伺服電機。本實用新型所用到的眾多傳感器包括位置檢測裝置、壓力傳感器、溫度傳感器等， 其中位置檢測裝置可以是光電式位置檢測裝置或磁電式位置檢測裝置。以下以優(yōu)選的實施 例介紹本實用新型的位置檢測裝置的設計。圖5是根據(jù)本實用新型的第一實施例的安裝有兩個磁感應元件的磁電式傳感器 方案的分解示意圖。磁電式傳感器包括感應元件710、電路板711、導磁環(huán)712、不銹鋼罩 713、磁鋼環(huán)715及外殼(未圖示)等部分，磁鋼環(huán)715安裝于電機尾軸716上，其余部分可 安裝于高壓穿線密封組件714的不銹鋼罩713上。本方案的特征之處在于，磁電式傳感器有 兩個磁感應元件，導磁環(huán)712也由兩部分組成，一個是1/4的磁環(huán)，一個是3/4的磁環(huán)。兩 個不完整的磁環(huán)形成兩個狹縫，用于同兩個磁感應元件配合使用。圖6是根據(jù)本實用新型的第一實施例的安裝有兩個磁感應元件的磁電式傳感器 方案的信號處理裝置的框圖。磁感應元件Hla和H2a的輸出信號接MCU的內置A/D轉換器模 擬輸入口，經模數(shù)轉換后得到輸出信號接乘法器20a、21a，系數(shù)矯正器5a的輸出信號K接乘 法器20a、21a的輸入端，乘法器20a、21a的輸出信號接合成器3a的輸入端，合成器3a輸出 信號D和R，系數(shù)矯正器5a接收合成器3a輸出的信號D和來自于存儲器41a的信號R，通 過運算得到信號K，通過使磁感應元件Hla和H2a的信號與該信號K進行相乘，以此來進行溫 度補償，消除溫度對信號的影響。存儲器40a中存儲有一角度存儲表，MCU根據(jù)信號D在角 度存儲表中選擇與其相對的角度作為偏移角度θ。在存儲模塊中存儲有一標準角度表，其中存儲了對應于一系列的碼，每一個碼對 應于一個角度。該表是通過標定得到的，標定方法是，利用本施例的檢測裝置和一高精度 位置傳感器，將本施例中的磁感應元件輸出的信號和該高精度位置傳感器輸出的角度進行 一一對應，以此建立出一磁感應元件輸出的信號與角度之間的關系表。另外，在存儲模塊中還存儲了一些數(shù)據(jù)修正表，這些表中包括一個信號D與信號Rtl 的對應表，其中信號Rtl為信號R在標準狀態(tài)下的信號，通過合成模塊，即合成器3a得到的 信號D，通過查表可以得到一信號R0,通過將信號Rtl和信號R進行比較，如除法運算，得到信 號K。其中對信號的處理，即合成器3a對信號的處理原則是比較兩個信號的數(shù)值的大 小，數(shù)值小的用于輸出的信號D，信號D的結構為{第一個信號的符合位，第二個信號的符合位，較小數(shù)值的信號的數(shù)值位}。以本實施例為例，說明如下約定當數(shù)據(jù)X為有符號數(shù)時，數(shù)據(jù)X的第0位(二進制左起第1位)為符號位，X_0= 1表示數(shù)據(jù)X為負，X_0 = 0表示數(shù)據(jù)X為正。X_D表示數(shù)據(jù)X的數(shù)值位(數(shù)據(jù)的絕對值)，即去除符號位剩下數(shù)據(jù)位。如果 A_D>=B_DD = {A_0 ；B_0 ;B_D}R=JA2+B2 ；否則D = {A_0 ；B_0 ;A_D}<formula>formula see original document page 13</formula>[0094]圖7是根據(jù)本實用新型的第一實施例的安裝有三個磁感應元件的磁電式傳感器 方案的分解示意圖。其各部分組件的安裝方式與兩個磁感應元件的方案的相似，故在此不 再重復。本方案的特征之處在于，磁電式傳感器有三個磁感應元件，導磁環(huán)也由三部分組 成，每兩個不完整的磁環(huán)形成狹縫，總共形成三個狹縫，用于同三個磁感應元件配合使用。圖8是根據(jù)本實用新型的第一實施例的安裝有三個磁感應元件的磁電式傳感器 方案的信號處理裝置的框圖。磁電式傳感器包括感應元件717、電路板718、導磁環(huán)719、不 銹鋼罩720、磁鋼環(huán)722及外殼(未圖示)等部分，721是高壓穿線密封組件，723是電機尾 軸。本方案的信號處理裝置與兩個磁感應元件的方案中的相似，不同之處在于，磁感應元件 有三個，輸出給合成器的信號為三個，合成器在取舍信號時與上述方案中的有所不同。在這 里，僅說明合成器如何取舍信號。合成器3c對信號的處理原則是先判斷三個信號的符合位，并比較符合位相同的 信號的數(shù)值的大小，數(shù)值小的用于輸出的信號D，信號D的結構為{第一個信號的符合位，第 二個信號的符合位，第三個信號的符合位，較小數(shù)值的信號的數(shù)值位}。以本實施例為例約定當數(shù)據(jù)X為有符號數(shù)時，數(shù)據(jù)X的第0位(二進制左起第1位)為符號位，X_0 = 1表示數(shù)據(jù)X為負，X_0 = 0表示數(shù)據(jù)X為正。X_D表示數(shù)據(jù)X的數(shù)值位(數(shù)據(jù)的絕對值)，即去除符號位剩下數(shù)據(jù)位。如果{A_0;B_0 ;C_0} = 010 并且 A_D >= C_DD = {A_0 ；B_0 ；C_0 ;C_D}如果{A_0;B_0 ;C_0} = 010 并且 A_D < C_DD = {A_0 ；B_0 ；C_0 ;A_D}如果{A_0；B_0 ；C_0} = 101 并且 A_D >= C_DD = {A_0 ；B_0 ；C_0 ;C_D}如果{A_0；B_0 ；C_0} = 101 并且 A_D < C_DD = {A_0 ；B_0 ；C_0 ;A_D}如果{A_0；B_0 ；C_0} = Oil 并且 B_D >= C_DD = {A_0 ；B_0 ；C_0 ;C_D}如果{A_0；B_0 ；C_0} = Oil 并且 B_D < C_D[0111]D= {A_0 ；B_0 ；C_0 ;B_D}如果{A_0；B_0 ；C_0} = 100 并且 B_D >= C_DD = {A_0 ；B_0 ；C_0 ;C_D}如果{A_0；B_0 ；C_0} = 100 并且 B_D < C_DD = {A_0 ;B_0 ;C_0 ;B_D}如果{A_0；B_0 ；C_0} = 001 并且 B_D >= A_DD = {A_0 ；B_0 ；C_0 ;A_D}如果{A_0；B_0 ；C_0} = 001 并且 B_D < A_DD = {A_0 ;B_0 ;C_0 ;B_D}如果{A_0；B_0 ；C_0} = 110 并且 B_D >= A_DD = {A_0 ；B_0 ；C_0 ;A_D}如果{A_0；B_0 ；C_0} = 110 并且 B_D < A_DD = {A_0 ；B_0 ；C_0 ;B_D}a = A-Bx cos(y) -Cx cos(—)β = Bx sin(y) -Cx sin(y)R = Jcc2+ β2圖9是根據(jù)本實用新型的第一實施例的安裝有四個磁感應元件的磁電式傳感器 方案的分解示意圖。磁電式傳感器包括感應元件724、電路板725、導磁環(huán)726、不銹鋼罩 727、磁鋼環(huán)729及外殼(未圖示)等部分，728是高壓穿線密封組件，730是電機尾軸。其 各部分組件的安裝方式與兩個磁感應元件的方案的相似，故在此不再重復。本方案的特征 之處在于，磁電式傳感器有四個磁感應元件，導磁環(huán)也由四部分組成，每兩個不完整的磁環(huán) 形成狹縫，總共形成四個狹縫，用于同四個磁感應元件配合使用。圖10是根據(jù)本實用新型的第一實施例的安裝有四個磁感應元件的磁電式傳感器方案的信號處理裝置的框圖。方案的信號處理裝置與兩個磁感應元件的方案中的相似，不 同之處在于，增加了差動放大模塊，通過該差動放大模塊抑制溫度和零點漂移，以此來提高 數(shù)據(jù)精度，最終輸出給合成器的信號仍為兩個，處理過程及方法與兩個傳感器的方案的相 同，在此不再重復。圖11是根據(jù)本實用新型的第一實施例的安裝有六個磁感應元件的磁電式傳感器 方案的分解示意圖。磁電式傳感器包括感應元件731、電路板732、導磁環(huán)733、不銹鋼罩 734、磁鋼環(huán)736及外殼(未圖示)等部分，735是高壓穿線密封組件，737是電機尾軸。其 各部分組件的安裝方式與兩個磁感應元件的方案的相似，故在此不再重復。本方案的特征 之處在于，磁電式傳感器有六個磁感應元件，導磁環(huán)也由六部分組成，每兩個不完整的磁環(huán) 形成狹縫，總共形成六個狹縫，用于同六個磁感應元件配合使用。圖12是根據(jù)本實用新型的第一實施例的安裝有六個磁感應元件的磁電式傳感器 方案的信號處理裝置的框圖。方案的信號處理裝置與三個磁感應元件的方案中的相似，不 同之處在于，增加了差動放大模塊，通過該差動放大模塊抑制溫度和零點漂移，以此來提高 數(shù)據(jù)精度，最終輸出給合成器的信號仍為三個，處理過程及方法與三個傳感器的方案的相同，在此不再重復。圖13A到圖13D以由1/4弧段和3/4弧段構成的導磁環(huán)為例，圖示了本實用新型的導磁環(huán)的倒角設計。如圖13A到圖13D所示，導磁環(huán)由兩段或多段同半徑、同圓心的弧段構 成，圖13A所示的導磁環(huán)沒有設計倒角，圖13B到圖13D所示的弧段端部設有倒角，所述倒 角為沿軸向(圖13B)或徑向(圖13C)或同時沿軸向、徑向(圖13D)切削而形成的倒角， 151、153表示軸向切面，152、154表示徑向切面。相鄰兩弧段間留有縫隙，磁感應元件置于 該縫隙內，當磁鋼環(huán)與導磁環(huán)發(fā)生相對旋轉運動時，所述磁感應元件將感測到的磁信號轉 換為電壓信號，并將該電壓信號傳輸給相應的控制器。根據(jù)磁密公式5 = |可以知道，當φ —定時候，可以通過減少S，增加B。因為永磁
體產生的磁通是一定的，在導磁環(huán)中S較大，所以B比較小，因此可以減少因為磁場交變而 導致的發(fā)熱。而通過減少導磁環(huán)端部面積能夠增大端部的磁場強度，使得磁感應元件的輸 出信號增強。這樣的信號拾取結構制造工藝簡單，拾取的信號噪聲小，生產成本低，可靠性 高，而且尺寸小。雖然以兩個弧段的方案為例描述了導磁環(huán)的倒角設計，然而本實用新型不 限于此，導磁環(huán)為三弧段、四弧段、六弧段的方案都可以采用類似的倒角設計，在此不再詳 細描述。圖14是根據(jù)本實用新型的第二實施例的磁電式傳感器方案的關鍵部件的分解立 體圖。圖15是根據(jù)本實用新型的第二實施例的磁電式傳感器方案的安裝示意圖。本實施 例的磁電式傳感器包括轉子和將轉子套在內部的定子(即不銹鋼罩)，轉子包括第一磁鋼 環(huán)201a和第二磁鋼環(huán)201b以及第一導磁環(huán)205a和第二導磁環(huán)205b，第一磁鋼環(huán)201a和 第二磁鋼環(huán)201b分別固定在電機軸200上，其中定子為支架203。第一導磁環(huán)205a和第二 導磁環(huán)205b分別由多個同圓心、同半徑的弧段構成，相鄰兩個弧段之間留有空隙，對應于 兩個磁鋼環(huán)的磁感應元件204分別設在該空隙內。磁感應元件設置在不銹鋼罩的外壁上， 不銹鋼罩外部通過密封裝置與外殼密封并固定，當轉子旋轉運動時，所述磁感應元件將感 測到的磁信號轉變?yōu)殡妷盒盘?，并將該電壓信號輸出給一信號處理裝置。第一磁鋼環(huán)201a均勻的磁化為g(g的取值等于第二磁鋼環(huán)中的磁極總數(shù))對極 (N極和S極交替排列)，當?shù)诙配摥h(huán)中的磁極總數(shù)為6時，第一磁鋼環(huán)201a的極對數(shù)為 6對。以第一磁鋼環(huán)201a的中心為圓心的同一圓周上，設置有m個磁感應元件，如2個，如 圖16所示，二個磁感應元件HpH2之間的夾角為90° /6。第一磁鋼環(huán)均勻地磁化為6對極 時磁感應元件的布置如圖17所示。當轉子相對于定子發(fā)生相對旋轉運動時，所述磁感應元 件將感測到的磁信號轉變?yōu)殡妷盒盘枺⒃撾妷盒盘栞敵鼋o一信號處理裝置。定義第一磁鋼環(huán)中相鄰一對“N-S”為一個信號周期，因此，任一“N-S”對應的機械 角度為360° /g(g為“N-S”個數(shù))，假定轉子在t時刻旋轉角度θ位于第nth信號周期內， 則此時刻角位移θ可認為由兩部分構成1.在第nth信號周期內的相對偏移量，磁感應元 件H1和H2感應第一磁鋼環(huán)的磁場來確定在此“N-S”信號周期內的偏移量θ工(值大于0小 于360° /g) ；2.第rith信號周期首位置的絕對偏移量θ 2，用傳感器感應第二磁鋼環(huán)的磁場 來確定此時轉子究竟是處于哪一個“N-S”來得到θ 2。對應于第二磁鋼環(huán)201b，以第二磁鋼環(huán)201b的中心為圓心的同一圓周上設有η (η =1，2…η)個均勻分布的磁感應元件，第二磁鋼環(huán)的磁極磁化順序使得η個磁感應原件輸出呈格雷碼形式。磁極的極性為格雷碼的首位為“O”對應于“N/S”極，首位為“1”對應于 “S/N”極。例如，當η為3時，得到如圖18所示的編碼，得到如圖19所示的第二磁鋼環(huán)的充 磁順序，如圖20所示，三個磁感應元件均布周圍進行讀數(shù)。圖21是本實施例的磁電式傳感器的一個信號處理裝置的框圖。本示例中，第一磁 鋼環(huán)設有兩個磁感應元件，傳感器l_la和l_2a的輸出信號接放大器2_la、2_2a進行放大， 然后接A/D轉換器3_la、3_2a，經模數(shù)轉換后得到輸出信號接乘法器4_la、5_la，系數(shù)矯正 器10_la輸出信號接乘法器4_la、5_la的輸入端，乘法器4_la、5_la的輸出信號A、B接第 一合成器6_la的輸入端，第一合成器6_la對信號A、B進行處理，得到信號D、R，根據(jù)信號 D從存儲器8_la中存儲的標準角度表中選擇一與其相對的角度作為偏移角度θ1()其中， 第一合成器6_la的輸出信號R輸送給系數(shù)矯正器10_la，系數(shù)矯正器10_la根據(jù)信號R和 從存儲器9_la中查表得到信號Rci得到信號K，該信號K作為乘法器4_la、5_la的另一輸入 端，與從放大器2_la、2_2a輸出的信號C1、C2分雖相乘得到信號A、B作為第一合成器6_la 的輸入。傳感器l_3a、l_4a、. . . l_na的輸出信號分別接放大器 2_3a、2_4a、. . . 2_na進行 放大，然后接A/D轉換器3_3a、3_4a、. . . 3_na進行模數(shù)轉換后通過第二合成器7_la進行 合成，得到一信號E ；根據(jù)該信號E在存儲器ll_la中的第二標準角度表中選擇一與其相對 的角度作為第一電壓信號所處的信號周期首位置的絕對偏移量θ2，Q1* θ 2通過加法器 12_la得到測量的絕對角位移輸出θ。第二合成器7_la的功能是，通過對傳感器l_3a、l_4a、. . . l_na的信號進行合成， 得到此時刻轉子處于哪一個“N-S”信號周期內。第二合成器7_la的處理是當數(shù)據(jù)X為有 符號數(shù)時，數(shù)據(jù)X的第0位(二進制左起第1位)為符號位，X_0 = 1表示數(shù)據(jù)X為負，X_0 =0表示數(shù)據(jù)X為正。也即當感應的磁場為N時，輸出為X_0 = 0，否則為X_0 = 1。則對于本實施例，E= {C3_0 ；C4_0 ；Cn_0}。其中，第一合成器6_la對信號的處理是比較兩個信號的數(shù)值的大小，數(shù)值小的 用于輸出的信號D，信號D的結構為{第一個信號的符合位，第二個信號的符合位，較小數(shù)值 的信號的數(shù)值位}。具體如下這里約定(后文各合成器均使用該約定)，當數(shù)據(jù)X為有符號數(shù)時，數(shù)據(jù)X的第0 位(二進制左起第1位)為符號位，x_0 = 1表示數(shù)據(jù)X為負，x_o = 0表示數(shù)據(jù)X為正。 X_D表示數(shù)據(jù)X的數(shù)值位(數(shù)據(jù)的絕對值)，即去除符號位剩下的數(shù)據(jù)位。如果 A_D>=B_DD = {A_0 ;B_0 ;B_D}R= ^lA2+B2 ；否則D = {A_0 ；B_0 ;A_D}R= ^JA2+B2 ；信號K 一般是通過將信號Rtl和R進行除法運算得到。對于第一、二標準角度表，在存儲器中存儲了兩個表，每個表對應于一系列的碼， 每一個碼對應于一個角度。該表是通過標定得到的，標定方法是，利用本施例的檢測裝置和 一高精度位置傳感器，將本施例中的磁感應元件輸出的信號和該高精度位置傳感器輸出的角度進行一一對應，以此建立出一磁感應元件輸出的信號與角度之間的關系表。也就是，對 應于信號D存儲了一個第一標準角度表，每一個信號D代表一個相對偏移量θ1()對應于信 號Ε，存儲了一個第二標準角度表，每一個信號E代表一個絕對偏移量θ 2。本實用新型不限于上述示例，第一磁鋼環(huán)還可以設有三個、四個、六個磁感應元 件，相應的導磁環(huán)和信號處理電路也要做相應變化，然而其變化與第一實施例中所述的類 似，故在此不再贅述。當設有導磁環(huán)時，導磁環(huán)的弧段端部設有倒角，為沿軸向或徑向或同時沿軸向、徑 向切削而形成的倒角。作為替代，磁感應元件可以直接表貼在不銹鋼罩的外表面上，即不設有導磁環(huán)，如 圖22所示。其它部件以及其信號處理裝置與有導磁環(huán)的類似，在此不再贅述。圖23是根據(jù)第三實施例的磁電式傳感器的分解立體圖。在骨架(即不銹鋼罩)306 上對應于磁鋼環(huán)302、磁鋼環(huán)303分別設有兩列磁感應元件307。為了說明方便，這里將第 一列磁感應元件即對應磁鋼環(huán)302和導磁環(huán)304的多個磁感應元件都用磁感應元件307表 示，而將第二列磁感應元件即對應磁鋼環(huán)303和導磁環(huán)305的多個磁感應元件也用磁感應 元件307表示。為了說明方便，這里將磁鋼環(huán)302定義為第一磁鋼環(huán)，將磁鋼環(huán)303定義為 第二磁鋼環(huán)，將導磁環(huán)304限定為對應于第一磁鋼環(huán)，將導磁環(huán)305限定為對應于第二磁鋼 環(huán)，然而本實用新型不限于上述的限定。第一磁鋼環(huán)302被均勻地磁化為N對磁極，N < 2η(η = 0，1，2···η)對磁極，并且相 鄰兩極的極性相反，第二磁鋼環(huán)的磁極總數(shù)為2η，其磁序按照磁序算法確定；在軸301上， 對應于第一磁鋼環(huán)302，以第一磁鋼環(huán)302的中心為圓心的同一圓周上設有m(m為2或3的 整數(shù)倍)個呈一定角度分布的磁感應元件307 ；對應于第二磁鋼環(huán)303，以第二磁鋼環(huán)303 的中心為圓心的同一圓周上設有n(n = 0，1，2…η)個呈360° /2η角度分布的磁感應元件 307。圖24是磁鋼環(huán)303的磁序算法流程圖。如圖25所示，以三個磁感應元件的情況 為例，首先進行初始化a[3] =“0，0，0”；然后將當前編碼入編碼集，即編碼集中有“0，0， 0” ；接著檢驗入編碼集的集合元素是否達到2n，如果是則程序結束，反之將當前編碼左移一 位，后面補0 ；然后檢驗當前編碼是否已入編碼集，如果未入編碼集則將當前編碼入編碼集 繼續(xù)進行上述步驟，如果已入編碼集則將當前碼末位去0補1 ；接著檢驗當前編碼是否已入 編碼集，如果未入編碼集則將當前編碼入編碼集繼續(xù)進行上述步驟，如果已入編碼集則檢 驗當前碼是否為“0……0”，是則結束，否則將當前編碼的直接前去碼末位去0補1 ；接著檢 驗當前編碼是否已入編碼集，如果未入編碼集則將當前編碼入編碼集繼續(xù)進行上述步驟， 如果已入編碼集則檢驗當前碼是否為“0……0”，然后繼續(xù)進行下面的程序。其中0磁化為 “N”，1磁化為“S”。這樣得到了圖25所示的磁鋼環(huán)303充磁結構圖以及H3、H4和H5的排 布順序。本實施例中，對應于所述的第二磁鋼環(huán)的相鄰兩個磁感應元件之間的夾角為 360° /N。關于對應于所述的第一磁鋼環(huán)相鄰兩個磁感應元件之間的夾角，當m為2或4 時，每相鄰兩個磁感應元件之間的夾角為90° /N，當m為3時，每相鄰兩個磁感應元件之間 的夾角為120° /N;當m為6時，每相鄰兩個磁感應元件之間的夾角為60° /N。圖26是根據(jù)第三實施例的磁電式傳感器的信號處理裝置的框圖。由于其信號處理方式與第二實施例的類似，故在此不再贅述。第一磁鋼環(huán)可以設有兩個、三個、四個、六個磁感應元件，相應的導磁環(huán)和信號處 理電路也要做相應變化，然而其變化與第一實施例中所述的類似，故在此不再贅述。當設有導磁環(huán)時，導磁環(huán)的弧段端部設有倒角，為沿軸向或徑向或同時沿軸向、徑 向切削而形成的倒角。作為替代，磁感應元件可以直接表貼在不銹鋼罩的外表面上，即不設有導磁環(huán)，其 它部件以及其信號處理裝置與有導磁環(huán)的類似，在此不再贅述。本實施例的磁電式傳感器的信號處理方法與第二實施例中的類似，故在此省略對 其重復描述。除了磁電式位置檢測裝置以外，還可以采用光電式位置檢測裝置，由于其信號處 理裝置與磁電式的類似，故在此不再贅述。井下處理單元包括電機控制子單元和信號處理子單元，信號處理子單元接收位置 檢測裝置發(fā)送來的信息，并將該信息處理成電機的旋轉角度。電機控制子單元包括壓力環(huán) 控制子單元、機械環(huán)控制子單元、電流環(huán)控制子單元和PWM控制信號產生子單元，圖27到圖 30分別是壓力環(huán)控制子單元、機械環(huán)控制子單元、電流環(huán)控制子單元和PWM控制信號產生 子單元的控制框圖。如圖27所示，壓力環(huán)的輸入為壓力指令和壓力反饋，輸出為角度指令。壓力指令 減去壓力反饋得到壓力誤差，通過PID控制器得到角度指令。壓力環(huán)控制的是井下壓力，壓 力與井下液面深度相對應，控制壓力實際上是控制井下液面的深度。壓力環(huán)控制子單元接 收壓力傳感器感測的壓力信息，將與接收的壓力指令進行運算得到角度指令，并輸出給所 述的機械環(huán)控制子單元。優(yōu)選地，在中心控制站或每一口井的控制子系統(tǒng)中包括井下液面 濃度計算單元，該單元基于壓力傳感器的數(shù)據(jù)計算出井下液面濃度。如圖28所示，機械環(huán)控制子單元根據(jù)接收到的指令信號和/或壓力環(huán)控制子單元 輸出的角度指令及位置檢測裝置輸出的電機軸的旋轉角度，經過運算得到電流指令，并輸 出給所述的電流環(huán)控制子單元。如圖29所示，電流環(huán)控制子單元根據(jù)接收到的電流指令和電流傳感器輸出的電 流信號，經過運算得到三相電壓的占空比控制信號，并輸出給所述的PWM控制信號產生子 單元。如圖30所示，PWM控制信號產生子單元根據(jù)接收到的三相電壓的占空比控制信 號，生成具有一定順序的六路PWM信號，分別作用于電機驅動單元。其中，電機驅動單元可 以為IPM模塊。圖31是圖2中的電纜的進線示意圖。由圖中可以看到，潛油伺服系統(tǒng)中的電纜沿 著殼體外壁從地面進入井下，通過連接頭21從伺服電機4的頭部進入殼體內部其中的傳感 器6可以是溫度傳感器和/或壓力傳感器。圖32是電機控制模塊和傳感器部分的走線圖。圖中以溫度傳感器29和壓力傳感 器28為例，圖示了其走線。其它附圖標記表示位置檢測裝置及密封組件15，電機控制模 塊5，電機動力線22，電源線23，控制器外壁24，電路板25，壓力信號線26，控制器端蓋27， 溫度傳感器信號線30，散熱片31，位置檢測裝置線32，通訊信號線33。最后應說明的是以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非限制。盡管參照上述實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的 普通技術人員應當理解，依然可 以對本實用新型的技術方案進行修改和等同替換，而不脫離本技術方案的精神和范圍，其 均應涵蓋在本實用新型的權利要求范圍當中。
權利要求一種油田控制系統(tǒng)，其特征在于，包括中心控制站和分別與其相通信的多個井下潛油伺服拖動控制子系統(tǒng)，每一井下潛油伺服拖動控制子系統(tǒng)與其所在井內的采油模塊相連接，在根據(jù)從中心控制站或該子系統(tǒng)的人機交互界面接收的指令和控制參數(shù)、控制采油模塊工作的同時，將該井內的情況發(fā)送給中心控制站。
2.根據(jù)權利要求1所述的油田控制系統(tǒng)，其特征在于，每一所述井下潛油伺服拖動控 制子系統(tǒng)包括位于地面上的地面控制模塊和電源模塊；和位于井下的伺服電機、電機控制模塊和傳感器；所述地面控制模塊分別與所述中心控制站和所述電機控制模塊通信，用于將用戶指令 和設定的參數(shù)從所述地面控制模塊和/或所述中心控制站發(fā)送給所述電機控制模塊，或者 將從所述電機控制模塊接收的信息發(fā)送給所述中心控制站；所述電源模塊將地面上的三相交流電轉換為直流電輸入到井下的電機控制模塊；所述電機控制模塊接收所述地面控制模塊發(fā)送來的指令和參數(shù)及傳感器發(fā)送來代表 電機運行的信息，控制伺服電機工作，并將所述傳感器感測的進下信息發(fā)送給所述地面控 制模塊。
3.如權利要求2所述的油田控制系統(tǒng)，其特征在于，所述地面控制模塊包括地面處理 單元、地面通信單元和人機交互界面；所述人機交互界面用于提供用戶設定指令和參數(shù)，并 進行相關顯示；所述地面通信單元用于與中心控制站和井下電機控制模塊通信。
4.如權利要求3所述的油田控制系統(tǒng)，其特征在于，所述地面控制模塊還包括電源檢 測單元，所述電源檢測單元用于檢測所述電源模塊是否正常，并將檢測結果發(fā)送給所述地 面處理單元。
5.如權利要求3所述的油田控制系統(tǒng)，其特征在于，所述電機控制模塊包括井下處理 單元、電機驅動單元和井下通信單元；所述井下通信單元與地面通信單元相連接，用于接收地面通信單元發(fā)送的指令和參數(shù) 并傳遞給井下處理單元；所述井下處理單元接收傳感器發(fā)送來的關于電機運行的信息，根據(jù)用戶的指令和設定 的參數(shù)及傳感器發(fā)送來的信息，生成相應的控制信號給電機驅動單元；所述電機驅動單元根據(jù)該控制信號，將直流電轉換成三相電驅動所述伺服電機運行。
6.如權利要求2-5任一所述的油田控制系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器包括采集電機 軸位置信息的位置檢測裝置。
7.如權利要求6所述的油田控制系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器還包括壓力傳感器和/ 或溫度傳感器。
8.如權利要求6所述的油田控制系統(tǒng)，其特征在于，所述位置檢測裝置為光電式傳感 器或磁電式傳感器。
9.如權利要求8所述的油田控制系統(tǒng)，其特征在于，所述磁電式傳感器包括傳感器本 體、不銹鋼罩、密封裝置和外殼；所述傳感器本體包括磁鋼環(huán)、導磁環(huán)和磁感應元件；所述導磁環(huán)設置在不銹鋼罩的外 壁上，由兩段或多段同半徑、同圓心的弧段構成，相鄰兩弧段留有縫隙；所述磁感應元件置 于該縫隙內；所述磁鋼環(huán)設置在不銹鋼罩的內腔中，固定在電機轉軸上；不銹鋼罩外部通過密封裝置與外殼密封并固定；當磁鋼環(huán)與導磁環(huán)發(fā)生相對旋轉運動時，所述磁感應元件 將感測到的磁信號轉換為電壓信號，并將該電壓信號傳輸給相應的信號處理電路。
10.如權利要求8所述的油田控制系統(tǒng)，其特征在于，所述磁電式傳感器包括傳感器本 體、不銹鋼罩、密封裝置和外殼，所述傳感器本體包括轉子，所述轉子包括第一磁鋼環(huán)、第二磁鋼環(huán)；其中，所述第一磁鋼環(huán)和第二磁鋼環(huán)分別固定在轉軸上，所述第一磁鋼環(huán)被均勻地磁 化為Ν[Ν<= 2η(η = 0，1，2…η)]對磁極，并且相鄰兩極的極性相反；所述第二磁鋼環(huán)的磁 極總數(shù)為N，其磁序按照特定磁序算法確定；在不銹鋼罩上，對應于第一磁鋼環(huán)，以第一磁鋼環(huán)的中心為圓心的同一圓周上設有m(m 為2或3的整數(shù)倍)個呈一定角度分布的磁感應元件；對應于第二磁鋼環(huán)，以第二磁鋼環(huán)的 中心為圓心的同一圓周上設有η (η = 0，1，2…η)個呈一定角度分布的磁感應元件；磁感應 元件設置在不銹鋼罩的外壁上；不銹鋼罩外部通過密封裝置與外殼密封并固定；當轉子相對于不銹鋼罩發(fā)生相對旋轉運動時，所述磁感應元件將感測到的磁信號轉變 為電壓信號，并將該電壓信號輸出給信號處理電路。
11.如權利要求10所述的油田控制系統(tǒng)，其特征在于，對應于所述的第二磁鋼環(huán)的相 鄰兩個磁感應元件之間的夾角為360° /N。
12.如權利要求10所述的油田控制系統(tǒng)，其特征在于，對應于所述的第一磁鋼環(huán)相鄰 兩個磁感應元件之間的夾角，當m為2或4時，每相鄰兩個磁感應元件之間的夾角為90° / N，當m為3時，每相鄰兩個磁感應元件之間的夾角為120° /N;當m為6時，每相鄰兩個磁 感應元件之間的夾角為60° /N。
13.如權利要求8所述的油田控制系統(tǒng)，其特征在于，所述磁電式傳感器包括傳感器本 體、不銹鋼罩、密封裝置和外殼，傳感器本體包括轉子，所述轉子包括第一磁鋼環(huán)、第二磁鋼環(huán)，其中，所述第一磁鋼環(huán)和第二磁鋼環(huán)分別固定在電機軸上，設置在不銹鋼罩的內腔中， 對應于第二磁鋼環(huán)，以第二磁鋼環(huán)的中心為圓心的同一圓周上設有n(n = 1，2…η)個均勻 分布的磁感應元件，所述第二磁鋼環(huán)的磁極磁化順序使得η個磁感應元件輸出呈格雷碼格 式，相鄰兩個輸出只有一位變化；在不銹鋼罩上，對應于第一磁鋼環(huán)，以第一磁鋼環(huán)的中心為圓心的同一圓周上設有m(m 為2或3的整數(shù)倍)個呈一定角度分布的磁感應元件，所述第一磁鋼環(huán)的磁極總對數(shù)與第 二磁鋼環(huán)的磁極總數(shù)相等，并且相鄰兩極的極性相反；磁感應元件設置在不銹鋼罩的外壁 上；不銹鋼罩外部通過密封裝置與外殼密封并固定；當轉子相對于不銹鋼罩發(fā)生相對旋轉運動時，所述磁感應元件將感測到的磁信號轉變 為電壓信號，并將該電壓信號輸出給信號處理電路。
14.如權利要求13所述的油田控制系統(tǒng)，其特征在于，對應于第一磁鋼環(huán)的相鄰兩個 磁感應元件之間的夾角，當m為2或4時，該夾角為90° /g;當m為3時，該夾角為120° / g ；當m為6時，該夾角為60° /g，其中，g為第二磁鋼環(huán)的磁極總數(shù)。
15.如權利要求9所述的油田控制系統(tǒng)，其特征在于，所述磁電式傳感器還包括信號處理電路，所述信號處理電路包括A/D轉換模塊，對磁電式傳感器中磁感應元件發(fā)送來的電壓信號進行A/D轉換，將模擬 信號轉換為數(shù)字信號；合成模塊，對磁電式傳感器發(fā)送來的經過A/D轉換的多個電壓信號進行取舍，得到基 準信號D ；角度獲取模塊，根據(jù)該基準信號D，在角度存儲表中選擇與其相對的角度作為偏移角度 θ ；以及存儲模塊，用于存儲處理過程中的數(shù)據(jù)和角度存儲表。
16.如權利要求10或13所述的油田控制系統(tǒng)，其特征在于，所述磁電式傳感器還包括 信號處理電路，所述信號處理電路包括A/D轉換模塊，對磁電式傳感器發(fā)送來的電壓信號進行A/D轉換，將模擬信號轉換為數(shù)字信號；相對偏移角度θ工計算模塊，用于計算磁電式傳感器中對應于第一磁鋼環(huán)的磁感應元 件發(fā)送來的第一電壓信號在所處信號周期內的相對偏移量θ工；絕對偏移量θ 2計算模塊，根據(jù)磁電式傳感器中對應于第二磁鋼環(huán)的磁感應元件發(fā)送 來的第二電壓信號，通過計算來確定第一電壓信號所處的信號周期首位置的絕對偏移量 θ2；角度合成及輸出模塊，用于將上述相對偏移量Q1和絕對偏移量θ 2相加，合成所述第 一電壓信號所代表的在該時刻的旋轉角度θ ；和存儲模塊，用于存儲處理過程中的數(shù)據(jù)。
17.根據(jù)權利要求15或16所述的油田控制系統(tǒng)，其特征在于，所述信號處理電路還包括信號放大模塊，用于在A/D轉換模塊進行A/D轉換之前，對來自于磁電式傳感器的電壓 信號進行放大。
18.根據(jù)權利要求16所述的油田控制系統(tǒng)，其特征在于，所述相對偏移角度Q1計算模 塊包括合成單元和第一角度獲取單元，所述合成單元對磁電式傳感器發(fā)送來的經過A/D轉 換的多個電壓信號進行取舍，得到一基準信號D ；所述第一角度獲取單元根據(jù)該基準信號 D，在第一角度存儲表中選擇一與其相對的角度作為偏移角度θ 10
19.如權利要求18所述的油田控制系統(tǒng)，其特征在于，所述相對偏移角度算模塊 還包括溫度補償單元，用于消除溫度對磁電式傳感器發(fā)送來的電壓信號的影響。
20.如權利要求19所述的油田控制系統(tǒng)，其特征在于，所述相對偏移角度ej+算模塊 還包括一系數(shù)矯正單元，其根據(jù)合成單元的輸出進行運算，得到一輸出信號K。
21.如權利要求20所述的油田控制系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度補償單元包括多個乘 法器，每一所述乘法器將經過A/D轉換的、磁電式傳感器發(fā)送來的一個電壓信號與所述系 數(shù)矯正單元輸出的信號K相乘，將相乘后的結果輸出給合成單元。
22.根據(jù)權利要求16所述的油田控制系統(tǒng)，其特征在于，所述絕對偏移量92計算模塊 包括合成器和第二角度獲取單元，所述合成器用于對對應于第二磁鋼環(huán)的磁電式傳感器發(fā) 送來的第二電壓信號進行譯碼，得到一信號E ；所述第二角度獲取單元根據(jù)該信號E在第二 角度存儲表中選擇一與其相對的角度作為第一電壓信號所處的信號周期首位置的絕對偏移量θ 2°
23.如權利要求6所述的油田控制系統(tǒng)，其特征在于，所述井下處理單元包括電機控制 子單元和信號處理子單元，所述信號處理子單元接收所述磁電式傳感器發(fā)送來的信息，并 將該信息處理成電機的旋轉角度。
24.如權利要求23所述的油田控制系統(tǒng)，其特征在于，所述電機控制子單元包括包括 壓力環(huán)控制子單元、機械環(huán)控制子單元、電流環(huán)控制子單元和PWM控制信號產生子單元；所述壓力環(huán)控制子單元接收壓力傳感器感測的壓力信息，將與接收的壓力指令進行運 算得到角度指令，并輸出給所述的機械環(huán)控制子單元；所述機械環(huán)控制子單元根據(jù)接收到的指令信號和/或壓力環(huán)控制子單元輸出的角度 指令及位置檢測裝置輸出的電機軸的旋轉角度，經過運算得到電流指令，并輸出給所述的 電流環(huán)控制子單元；所述電流環(huán)控制子單元根據(jù)接收到的電流指令和電流傳感器輸出的電流信號，經過運 算得到三相電壓的占空比控制信號，并輸出給所述的PWM控制信號產生子單元；所述PWM控制信號產生子單元根據(jù)接收到的三相電壓的占空比控制信號，生成具有一 定順序的六路PWM信號，分別作用于電機驅動單元。
25.如權利要求5所述的油田控制系統(tǒng)，其特征在于，所述電機驅動單元為IPM模塊。
26.如權利要求2所述的油田控制系統(tǒng)，其特征在于，所述伺服電機為永磁同步伺服電機。
27.根據(jù)權利要求1所述的抽油控制系統(tǒng)，其特征在于，每一所述井下潛油伺服拖動控 制子系統(tǒng)通過有線或無線的方式與中心控制站通信。
28.根據(jù)權利要求7所述的抽油控制系統(tǒng)，其特征在于，在中心控制站或地面處理單元 或電機控制模塊包括井內數(shù)據(jù)處理子單元，用于對壓力傳感器或/和溫度傳感器采集的數(shù) 據(jù)進行處理，以得知井下液面的深度或/和井內的溫度。
專利摘要本實用新型公開了一種油田控制系統(tǒng)，包括中心控制站和分別與其相通信的多個井下潛油伺服拖動控制子系統(tǒng)，每一井下潛油伺服拖動控制子系統(tǒng)與其所在井內的采油模塊相連接，在根據(jù)從中心控制站或該子系統(tǒng)的人機交互界面接收的指令和控制參數(shù)、控制采油模塊工作的同時，將該井內的情況發(fā)送給中心控制站。通過本實用新型，能夠準確監(jiān)測整個油田每一口井的潛油伺服拖動系統(tǒng)的運行狀況，以便于運營者進行合理的控制，有助于提高生產效率，節(jié)省運營成本。
文檔編號E21B44/00GK201574744SQ20092015003
公開日2010年9月8日 申請日期2009年4月30日 優(yōu)先權日2009年4月30日
發(fā)明者郝雙暉, 郝明暉 申請人:浙江關西電機有限公司