【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种无刷直流电机控制方法，特别涉及一种面向井下断管检测的无刷直流电机匀速运动控制方法。
技术介绍
1、随着石油工业的迅猛发展，油田开发越来越受到关注。井下套管是石油工业中重要的管系，起到承受油层压力和稳定井壁的作用。然而在实际工作中，由于温度影响、疲劳损坏、滑脱损坏、出砂、化学腐蚀、机械磨损、高压力冲击、自然灾害等影响会出现井下套管损坏现象。在石油开发过程中，生产井或注入井等发生套管损坏后会产生以下危害：1)造成井的停产或报废，延长油井的非生产时间，增加修井作业的成本；2)破坏注采井网的正常布置和注采层系方案的实施，降低了石油产量；3)当某一口井发生套管破漏或错断后，会造成水层与其他层系间的水窜，软化泥岩层，形成大面积水浸域，引起相邻井套管成片损坏，进而形成恶性循环；4)下部高压产层的油气可能上窜至上部某一浅地层，造成上部浅地层的高压或浅层气，对钻井带来较大的安全隐患；5)造成环境污染，对石油开采所在地的生态环境造成不良影响等等。为了尽量减少由于套管损坏带来的不利影响，在对损坏部位进行修复前，亟需对井下套管损坏部位进行检测。目前对损坏部位的检测手段主要有通井验证套变法、封隔器验漏法、井径仪测井法、电磁检测法以及井下成像检测法等技术。无论何种方案均需将检测装置送入井下进行检测，而且需要保证检测装置在检测过程中保持平稳，这就对控制检测装置运动的无刷直流电机等控制单位提出较高的要求。因此，如何保证电机的高精度伺服控制是确保井下检测装置准确探测到套管损坏部位的保障。
2、研究人员对电机的控制策略进行了广泛研究，
3、然而，油井深度高达1km-10km，当井下套管损坏检测装置位于深井时，无刷直流电机的转速传感器测得的电机转速信息需借助线缆传送至地表控制模块，地表控制模块计算获得控制电压信号再经过线缆传送至井下电机，最终实现电机的转速控制，因此，在信号远距离传输过程中难免存在传输时延。此外，井下环境复杂，转速传感器极易受到外界电磁等信号的干扰，导致传感器测得的信息中含有野值，这将直接影响电机的控制，进而不利于井下检测装置对套管损坏部位检测的精度。
4、因此急需设计一种专利技术专利，用于解决系统中的外部干扰力矩、输入输出时延以及传感器测量野值等不确定性，保证顺利完成油井断管检测任务。
技术实现思路
1、本专利技术的技术解决问题是：针对油井深处无刷直流电机匀速转动控制受到信号远距离传输诱导的时延、测量野值以及负载干扰等问题，提出一种基于动态饱和约束函数以及状态预估器的无刷直流电机高精度匀速运动控制方法。首先，通过分析无刷直流电机的运动机理，构建无刷直流电机系统的动力学模型，并将其转化为二阶状态空间表达式的形式，便于后续控制策略的设计；其次，基于反正切动态饱和约束和时延状态预估器设计一种系统状态观测器，一方面有效抑制无刷直流电机转速传感器因电磁干扰等井下复杂环境诱导的测量野值信号，另一方面降低转速传感器到控制模块间的传输时延影响，实现对系统状态及总扰动的实时估计；然后，再一次基于时延状态预估器设计一种控制状态预估器，克服控制模块到无刷直流电机执行转子间的传输时延，为后续控制器设计提供状态信息；最后，基于不变性原理，将总扰动的估计值补偿到状态反馈控制器中，抑制总扰动对系统造成的不利影响。所设计方法能够确保在油井复杂环境下无刷直流电机系统实现高精度的匀速转动控制，提升了井下断管检测装置的可靠性及检测精度。
2、本专利技术的技术解决方案为：面向井下断管检测装置匀速运动需求，提出一种基于时延状态预估器、动态饱和约束和不变性原理的无刷直流电机高精度匀速转动控制方法，其实现步骤如下：
3、第一步：构建无刷直流电机的动力学模型
4、传统无刷直流电机系统的模型为
5、
6、式中，i为电枢电流，l表示电枢电感，r为电枢电阻，c表示反电势系数，ω为电机转速，k1为pwm放大倍数，u为电机的控制电压，j为电机的转动惯量，b为阻尼系数，td为外部负载力矩，p为电机的极对数，k2是电机的转矩系数。
7、对式(2)左右两边对时间t求导，并联立式(1)可得
8、
9、本专利技术中的无刷直流电机位于井下1km-10km范围内，井下转速传感器测得电机的转速后通过线缆将转速信号传输至地表控制模块，经地表控制模块计算获取控制电压信号u后，再经过线缆传输至无刷直流电机的执行转子，进而实现电机的转速控制。由于信号通过线缆实现远距离传输，故存在传输时延的问题。此外，由于井下环境复杂，转速传感器在工作过程中极易受到外界环境的干扰，这将导致测得的电机转速存在野值现象。因此，本专利技术将面向井下断管检测装置构建含有输入输出时延和测量野值的无刷直流电机动力学模型。
10、设电机转速ω为状态变量x1(t)，即，x1(t)＝ω，且令考虑输入输出时延和传感器测量野值的影响，可将无刷直流电机系统模型(1)-(2)改写为如下状态空间表达式的形式
11、
12、式中，τ1和τ2分别为转速传感器到控制模块和控制模块到电机执行转子间的传输时延；v(t-τ1)为转速传感器测量的野值信号；y(t)表示控制模块接收到的无刷直流电机转速信息，即控制模块在t时刻获取的是t-τ1时刻的转速信息且含有野值影响。
13、第二步：基于反正切动态饱和约束和时延状态预估器，设计系统状态观测器
14、将定义为无刷直流电机系统中的总扰动，并将其设为新的状态x3(t)，即，
15、
16、式中，b0为可调节参数。
17、令式(4)可被扩展为
18、
19、一方面为了有效抑制电磁等复杂井下环境对无刷直流电机转速传感器造成的测量野值影响；另一方面为了减轻转速传感器端到控制模块端信号的传输时延τ1对无刷直流电机转速等状态及总扰动实时估计的影响，本专利技术基于反正切动态饱和约束和时延状态预估器，设计如下形式的系统状态观测器：
20、
21、式中，为反正切动态饱和约束函数，max{}和min{}分别表示求解集合中最大和最小的元素；和分别为状态x1本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种面向井下断管检测的无刷直流电机匀速运动控制方法，其特征在于包括以下步骤：
【技术特征摘要】
1.一种面向井下断管检测的无刷直流电机匀...
【专利技术属性】
技术研发人员：于洋，陈建林，方坚，
申请(专利权)人：苏州州域科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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