一种深井泵用控制系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及深井泵控制领域，尤其涉及一种深井泵用控制系统及其控制方法。


背景技术：

2.深井泵是沉入井孔中对地下水进行抽吸和输送的动力机械，其特点是将电动机和泵制成一体。常规的深井泵体积较大，部分原因在于电动机的主控体积较大。
3.另一方面，常规的深井泵中，对电机安全运行的控制甚少，导致在工作过程中经常发生电机损坏的现象。
4.以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，也不必然会给出技术教导；在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日之前已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本技术的新颖性和创造性。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种安全可靠的深井泵用控制系统及其控制方法。
6.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
7.一种深井泵用控制系统，包括模块化的电源模块、主控模块和驱动模块，其中，所述电源模块被配置为向所述主控模块提供电能，所述主控模块与所述驱动模块连接，所述驱动模块被配置为与深井泵的电机连接，并在所述主控模块的控制下调节所述电机的工作参数；
8.所述主控模块配置有电压采样电路和电流采样电路，所述主控模块被配置为根据对所述电机的电压采样结果和电流采样结果控制所述驱动模块：
9.在电机启动完成后，根据采样结果计算电机的输出功率，若输出功率大于预设的功率阈值，则控制所述电机以恒定在所述功率阈值的模式运行，否则控制所述电机以恒定在预设转速阈值的模式运行；
10.在电机运行过程中，计算所述电机的负载，以判断电机的运行环境是否缺水，若是，则控制电机在预设的第一时间阈值内暂停工作，且缺水计数值加1；若在预设的第二时间阈值内缺水计数值达到预设的次数阈值，则控制电机在预设的第三时间阈值内停机，并对所述缺水计数值清零，其中，所述第三时间阈值大于第一时间阈值。
11.进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述判断电机的运行环境是否缺水的方式为：
12.根据电机的输出功率与转速，计算电机的实时负载转矩，若所述实时负载转矩小于额定负载转矩的预设比例的时间持续预设的第四时间阈值，则判定电机的运行环境缺水。
13.进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，若判定电机的运行环境不缺水，则进一步判断：
14.若所述电机的母线电压小于150vac，则控制所述驱动模块对电机执行欠压保护，并置电机故障标志；和/或，
15.若所述电机的母线电压大于260vac，则控制所述驱动模块对电机执行过压保护，并置电机故障标志；和/或，
16.若所述电机的电流采样结果超过预设的过流阈值，则控制所述驱动模块对电机执行过流保护，并置电机故障标志。
17.进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，若判定电机的运行环境不缺水，则进一步判断：
18.若所述电机的转速低于50rpm，或者所述电机的电流采样结果大于额定电流的5倍，则控制所述驱动模块对电机执行堵转保护，并置电机故障标志。
19.进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述驱动模块配置有ipm和/或igbt，所述主控模块配置有温度采样电路，所述主控模块被配置为根据对所述ipm和/或igbt的温度采样结果控制所述驱动模块：
20.若判定电机的运行环境不缺水，则进一步判断：
21.若所述ipm和/或igbt的温度采样结果大于第一温度阈值，则控制所述驱动模块对电机执行过温保护，并置电机故障标志；若所述ipm和/或igbt的温度采样结果小于第一温度阈值且大于第二温度阈值，则控制所述驱动模块调节电机降速运行，并返回至判断电机的运行环境是否缺水的步骤。
22.进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述电机故障标志被配置为在电机断电后再次上电时被解除。
23.进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述电机为无刷电机。
24.根据本发明的另一方面，本发明提供了一种深井泵电机控制方法，包括以下步骤：
25.控制深井泵的电机启动，并对所述电机进行电压采样和电流采样；
26.在电机启动完成后，根据采样结果计算电机的输出功率，若输出功率大于预设的功率阈值，则控制所述电机以恒定在所述功率阈值的模式运行，否则控制所述电机以恒定在预设转速阈值的模式运行；
27.在电机运行过程中，计算所述电机的负载，以判断电机的运行环境是否缺水，若是，则控制电机在预设的第一时间阈值内暂停工作，且缺水计数值加1；若在预设的第二时间阈值内缺水计数值达到预设的次数阈值，则控制电机在预设的第三时间阈值内停机，并对所述缺水计数值清零，其中，所述第三时间阈值大于第一时间阈值。
28.进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，若判定电机的运行环境不缺水，则进一步判断：
29.若所述电机的母线电压小于150vac，则对电机执行欠压保护，并置电机故障标志；和/或，
30.若所述电机的母线电压大于260vac，则对电机执行过压保护，并置电机故障标志；和/或，
31.若所述电机的电流采样结果超过预设的过流阈值，则对电机执行过流保护，并置电机故障标志；和/或，
32.若所述电机的转速低于50rpm，或者所述电机的电流采样结果大于额定电流的5倍，则对电机执行堵转保护，并置电机故障标志；和/或，
33.对电机的ipm芯片进行温度采样，若所述ipm芯片的温度采样结果大于第一温度阈值，则对电机执行过温保护，并置电机故障标志；若所述ipm芯片的温度采样结果小于第一温度阈值且大于第二温度阈值，则控制电机降速运行，并返回至判断电机的运行环境是否缺水的步骤；
34.其中，所述电机故障标志被配置为在电机断电后再次上电时被解除。
35.进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述电机的启动过程包括：
36.判断是否存在电机故障标志，若否，且接收到电机的开机指令，则依次执行开环运行和闭环运行，并在预设的第五时间阈值内完成缓启动；
37.若所述电机的母线电压介于150vac至260vac，且所述电机的电流采样结果低于预设的过流阈值，且电机未发生堵转，且所述ipm芯片的温度采样结果小于第二温度阈值，则判断是否存在关机指令，若存在，则控制电机减速停机，否则返回至判断电机的运行环境是否缺水的步骤。
38.本发明提供的技术方案带来的有益效果如下：
39.a.深井泵用控制系统采用模块化结构设计电源模块、主控模块和驱动模块，使得整个结构简洁，便于灵活分布以减小深井泵的整体体积；
40.b.除缺水保护外，其余错误检测产生故障标志，必须断电再上电才能解除故障，安全可靠。
附图说明
41.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
42.图1为本发明的一个示例性实施例提供的电源模块的电路示意图；
43.图2为本发明的一个示例性实施例提供的主控模块的示意图；
44.图3为本发明的一个示例性实施例提供的驱动模块的电路示意图；
45.图4为本发明的一个示例性实施例提供的电压采样电路示意图；
46.图5为本发明的一个示例性实施例提供的温度采样电路示意图；
47.图6为本发明的一个示例性实施例提供的深井泵电机控制方法的基本流程图；
48.图7为本发明的一个示例性实施例提供的电机控制方法的详细流程图；
49.图8为本发明的一个示例性实施例提供的电机控制主流程示意图；
50.图9为本发明的一个示例性实施例提供的模块初始化流程示意图；
51.图10为本发明的一个示例性实施例提供的中断流程示意图；
52.图11为本发明的一个示例性实施例提供的中断流程中的中断流程中的adc中断流程示意图；
53.图12为本发明的一个示例性实施例提供的中断流程中的系统时钟systick中断流
程示意图。
具体实施方式
54.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
55.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
56.在本发明的一个实施例中，提供了一种深井泵用控制系统，包括模块化的电源模块、主控模块和驱动模块，电源模块参见图1，主控模块参见图2，驱动模块参见图3，其中，电源模块用于向所述主控模块提供电能；所述主控模块与所述驱动模块连接，所述驱动模块被配置为与深井泵的电机连接，本实施例中的电机为无刷电机，并在所述主控模块的控制下调节所述电机的工作参数；
57.所述主控模块配置有电压采样电路(如图4所示)和电流采样电路，所述主控模块被配置为根据对所述电机的电压采样结果和电流采样结果控制所述驱动模块，控制方式如图6所示：
58.在电机启动完成后，根据采样结果计算电机的输出功率，若输出功率大于预设的功率阈值(比如1500w至1800w)，则控制所述电机以恒定在所述功率阈值的模式运行，否则控制所述电机以恒定在预设转速阈值(比如4000rpm至7500rpm)的模式运行；
59.在电机运行过程中，计算所述电机的负载，以判断电机的运行环境是否缺水，判断电机的运行环境是否缺水的方式为：根据电机的输出功率与转速，计算电机的实时负载转矩，计算公式如下：t＝p/w＝p/(2π/60)＝9550p/n，其中，t为电机的负载转矩，单位是n*m；p为电机的输出功率，单位是瓦特；w是角速度，单位是rad/s；n是电机转速，单位是m/s。在一个具体的实施例中，若所述实时负载转矩小于60％额定负载转矩的时间持续10s，则判定电机的运行环境缺水。若判定电机的运行环境缺水，则控制电机在预设的第一时间阈值(比如30s至3分钟)内暂停工作，且缺水计数值加1；若在预设的第二时间阈值(比如15分钟至30分钟)内缺水计数值达到预设的次数阈值(比如6至15次)，则控制电机在预设的第三时间阈值(比如3小时至5小时)内停机，并对所述缺水计数值清零，并且在达到第二时间阈值后也对缺水计数值清零或者将加1的缺水计数中加1时间距当前时间超过第二时间阈值的计数删除(始终统计最近的第二时间阈值内的缺水计数值)。
60.若判定电机的运行环境不缺水，则如图7所示，进一步判断：
61.若所述电机的母线电压小于150vac，则控制所述驱动模块对电机执行欠压保护，
并置电机故障标志；
62.若所述电机的母线电压大于260vac，则控制所述驱动模块对电机执行过压保护，并置电机故障标志；
63.若所述电机的电流采样结果超过预设的过流阈值，则控制所述驱动模块对电机执行过流保护，并置电机故障标志；
64.若所述电机的转速低于50rpm，或者所述电机的电流采样结果大于额定电流的5倍，则控制所述驱动模块对电机执行堵转保护，并置电机故障标志；
65.所述驱动模块配置有ipm和/或igbt，所述主控模块配置有温度采样电路(如图5所示)，所述主控模块被配置为根据对所述ipm和/或igbt的温度采样结果控制所述驱动模块：若判定电机的运行环境不缺水，则进一步判断：若所述ipm和/或igbt的温度采样结果大于第一温度阈值(比如90至110℃)，则控制所述驱动模块对电机执行过温保护，并置电机故障标志；若所述ipm和/或igbt的温度采样结果小于第一温度阈值且大于第二温度阈值(比如70至89℃)，则控制所述驱动模块调节电机降速运行，并返回至判断电机的运行环境是否缺水的步骤。
66.欠压保护、过压保护、过流保护、堵转保护、过热保护均可比如通过继电保护设备或者类似功能的器件，将线路切断，从而保障整个回路上的器件设备不会烧坏，实现对电机的保护。
67.所述电机故障标志被配置为在电机断电后再次上电时被解除。
68.根据本发明的另一方面，本发明提供了一种深井泵电机控制方法，如图6所示，包括以下步骤：
69.控制深井泵的电机启动，并对所述电机进行电压采样和电流采样；
70.在电机启动完成后，根据采样结果计算电机的输出功率，若输出功率大于预设的功率阈值，则控制所述电机以恒定在所述功率阈值的模式运行，否则控制所述电机以恒定在预设转速阈值的模式运行；
71.在电机运行过程中，计算所述电机的负载，以判断电机的运行环境是否缺水，若是，则控制电机在预设的第一时间阈值内暂停工作，且缺水计数值加1；若在预设的第二时间阈值内缺水计数值达到预设的次数阈值，则控制电机在预设的第三时间阈值内停机，并对所述缺水计数值清零，其中，所述第三时间阈值大于第一时间阈值。
72.在本发明的一个具体实施例中，电机的启动过程包括：
73.判断是否存在电机故障标志，若否，且接收到电机的开机指令，则依次执行开环运行和闭环运行，并在10s内完成缓启动；
74.在电机启动完成后，根据采样结果计算电机的输出功率，即计算采样电压与采样电流的乘积，若输出功率大于1700w，则控制所述电机恒功率1700w运行，否则控制所述电机以恒转速4500rpm运行；
75.在电机运行过程中，计算所述电机的负载(计算方式不再赘述)，以判断电机的运行环境是否缺水，若是，则控制电机在暂停1分钟，且缺水计数值加1；若在20分钟内缺水计数值达到10次，则控制电机停机4小时，并对所述缺水计数值清零。
76.若判定电机的运行环境不缺水，则进一步判断：
77.若所述电机的母线电压小于150vac，则对电机执行欠压保护，并置电机故障标志；
78.若所述电机的母线电压大于260vac，则对电机执行过压保护，并置电机故障标志；
79.若所述电机的电流采样结果超过预设的过流阈值，则对电机执行过流保护，并置电机故障标志；
80.若所述电机的转速低于50rpm，或者所述电机的电流采样结果大于额定电流的5倍，则对电机执行堵转保护，并置电机故障标志；
81.对电机的ipm芯片进行温度采样，若所述ipm芯片的温度采样结果大于100℃，则对电机执行过温保护，并置电机故障标志；若所述ipm芯片的温度采样结果小于100℃且大于80℃，则控制电机降速运行，并返回至判断电机的运行环境是否缺水的步骤；
82.其中，所述电机故障标志被配置为在电机断电后再次上电时被解除。
83.反之，若所述电机的母线电压介于150vac至260vac，且所述电机的电流采样结果低于预设的过流阈值，且电机未发生堵转，且所述ipm芯片的温度采样结果小于第二温度阈值，则判断是否存在关机指令，若存在，则控制电机减速停机，否则返回至判断电机的运行环境是否缺水的步骤，如图7所示。
84.除了上述的电机运行主状态机及错误检测流程，还包括初始化、中断程序执行的流程，主流程如图8所示，模块初始化流程如图9所示，中断流程如图10所示，中断流程中的adc中断(foc算法执行)的流程如图11所示，中断流程中的系统时钟systick中断流程如图12所示。综上，控制系统上电后先初始化，包括模块初始化(gpio、定时器、adc、运放、比较器等)、变量初始化和状态机初始化。初始化完成后所有程序都在中断中执行，定时器中断用于产生pwm；adc中断频率10～20khz，执行foc控制算法；系统时钟systick中断频率1khz，执行电机运行主状态机和错误检测，电机运行主状态机及错误检测流程包括电机启动、停止、恒功率控制/恒转速控制及错误检测，错误检测包括缺水检测、过压保护、欠压保护、过流保护、堵转保护、运行缺水保护、过温保护(短路保护实时性要求高，在中断中执行)。缺水检测原理是，连续10s负载小于额定负载的60％，则认为缺水，对应的控制策略为停机1分钟后再启动；若20分钟内检测到10次以上缺水，停机4小时再启动；过温保护分两档，ipm温度》80℃但小于100℃时降速运行，ipm温度》100℃停机保护。除缺水保护外，其余保护产生故障标志，必须断电再上电才能解除故障。
85.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
86.以上所述仅是本技术的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本技术的保护范围。