井下高温电机伺服控制器的设计与实现.pdf

井下高温电机伺服控制器的设计与实现贾 萍胡 博宋 力郗珂庆渊西安航天动力测控技术研究所袁陕西 西安 710025冤Design and Implementation of Downhole High Temperature Motor Servo Controller我国的伺服系统产业起步较晚袁 尤其是在石油钻探测井行业袁存在着技术创新能力薄弱尧高端伺服装备自主研发能力不足等发展短板袁加上耐高温器件受限袁因此长期依赖于欧美尧日韩等国进口遥 近年来袁石油装备业在积极推进电动化进程袁无刷直流电机以其耐温高尧功率密度高尧体积小尧控制灵活的优点袁在各类石油装备中的应用越来越广泛遥 因此袁迫切需要一种小体积尧耐高温尧高效率的无刷电机伺服控制器来驱动电机可靠工作袁从而发挥整套伺服系统的性能遥 本文针对这些需求设计了一款基于单片机的耐高温无刷电机伺服控制器袁 均选用耐温 150益及以上的高温器件研制袁具备远程 RS485 通讯尧霍尔及旋变信号检测尧无刷电机驱动尧机构行程伺服控制尧定时作动尧电压电流监测尧过压过流保护尧行程归零尧数据掉电保存/上电恢复等功能袁并在井下电控流量阀等设备上得到了成功应用遥1总体方案设计整套井下伺服系统主要由电机尧减速箱尧旋转变压器(和减速箱同轴连接)尧电机伺服控制器四部分组成袁其中电机尧减速箱和旋转变压器共同组成了伺服机构遥 而整套电机伺服控制器由两个分系统组成袁分别是井上控制设备渊上位机系统冤和井下电机控制器渊下位机系统冤遥 其中井上控制设备由工业计算机和测控系统软件组成袁电机控制器主要由数字主控单元尧RS485 总线通信单元尧直流无刷电机驱动单元尧电压测量单元尧电流测量单元尧二次电源转换单元和旋变激磁解码单元等七个部分组成袁可在井下恶劣环境中稳定控制无刷直流电机可靠运转袁 驱动伺服机构进行伺服动作遥2系统硬件架构控制器采用三相开关霍尔作为电机换相用位置传感器袁采用旋变作为伺服机构端位置传感器袁 其系统硬件架构框图如图1 所示遥 本文重点介绍以下几个硬件功能模块遥图 1伺服控制器的系统硬件架构框图2.1 单片机主控电路考虑到温度尧空间体积和功能要求袁本方案选用了 ATMEL公司的单片机 Atmega168P遥 其为具备先进的 RISC 结构的 8位 AVR 微处理器袁具有六通道 PWM袁三个定时器/计数器袁23 个可编程 I/O 口遥 采用该单片机作为数字主控单元袁 具备电路简单尧工作稳定可靠尧体积小尧功耗低尧功能多样的优点遥 该单片机还内置了 8 路 10 位精度的 ADC 电路袁可负责母线电压及电流采集袁单片机自带的 512 字节 EEPROM袁可编程实现控制器掉电数据保存/上电数据恢复的功能遥2.2 旋转变压器激磁解码电路控制器采用了 AD 公司的专用激磁解码集成芯片来实现高精度的旋转变压器解算单元袁通过 SPI 的串行接口形式袁来采集解码数据袁采集精度为 16 位遥旋变的激磁信号需要专门的放大调理电路袁 本文选取了分立式推挽缓冲器电路袁配合耐高温的精密运放芯片袁将解码电路输出的正弦波信号调理为依7 V 输出的正弦波激磁信号遥摘要院电机伺服控制器是井下各类伺服装备的重要组成部分袁而井下的高温高压工况对于伺服控制电路的小型化尧耐高温性能尧高可靠性都提出了极高要求遥针对我国石油领域电机伺服控制设备长期依赖进口的现状袁设计了一款井下高温电机伺服控制器袁配套某高温直流无刷电机组成的伺服机构使用袁经测试可长期稳定工作在 150益环境下袁具备耐高温尧低温升尧高可靠的特点袁并在井下的电控流量阀设备上得到了成功应用遥 该产品的成功应用可为其他耐高温电机伺服控制器的的工程研制提供参考遥关键词院井下高温曰无刷直流电机曰旋变解码曰伺服控制器Abstract:The motor servo controller is an important part of all kinds of servo equipment in the mine,and the hightemperature and high pressure conditions in the mine put forward extremely high requirements for the miniaturization,hightemperature resistance and high reliability of the servo control circuit.In view of the current situation that the motor servocontrol equipment in the petroleum field depends on imports for a long time,this paper designs an underground high tem鄄perature motor servo controller,which is used with a servo mechanism composed of a high temperature DC brushless mo鄄tor.After testing,it can work stably in the environment of 150益 for a long time,and has the characteristics of high tem鄄perature resistance,low temperature rise and high reliability.And it has been successfully applied to the electronic controlflow valve.The successful application of this product can provide reference for the engineering development of other hightemperature resistant motor servo controllers.Keywords:downhole high temperature,brushless DC motor,rotational decoding,servo controller井下高温电机伺服控制器的设计与实现154叶工业控制计算机曳圆园圆3 年第 猿6 卷第 8 期渊上接第 140 页冤4结束语造成界面假死或者系统不稳定的情况很多遥 部分用户在面对系统界面更新延迟时袁 采用.NET 中的 Application.DoEvents方法袁用以处理当前在消息队列中的所有 Windows 消息遥在测控系统中建议采用委托的方法替代 DoEvents遥 在实际开发中袁笔者也碰到部分 PC 机出现掉串口的情况袁通常换一台 PC 机即可解决问题遥除此之外袁笔者用蓝牙透传的方式替代有线串口连接袁也解决过因串口通信不稳定而造成界面假死的问题遥 总之袁开发者需要处理好系统的各个环节袁 才能确保测控系统的稳定可靠遥参考文献咱1暂明陈城.基于 的电力测控系统开发咱J暂.山东工业技术袁2018渊1冤院119咱2暂曹彦.基于 ASP.NET 测控系统监控平台的设计与实现咱D暂.济南院山东大学袁2015咱3暂孙浩.基于 VB.NET 的多功能三轴试验仪测控系统的开发与实现咱D暂.大连院大连理工大学袁2014咱4暂李丽.net 框架中委托的实现及设计思想分析咱J暂.信息与电脑渊理论版冤袁2012渊16冤院60-62咱收稿日期院圆园圆猿-03-20暂2.3 三相全桥驱动电路控制器采用了三片 IR2302 半桥驱动芯片和 6 片低内阻MOSFET 来构成三相全桥驱动电路袁 上桥臂的门极偏置电压由自举电路来提供袁门极驱动电压设置为 12 V袁驱动芯片内置了死区保护功能遥功率器件是电机可靠运行的关键袁 在本设计中充分考虑功率器件电流及电压余量以及高温环境下的降额袁 因此选用了 6个 200 V尧30 A 的小体积 N 沟道 MOSFET袁可完全满足额定电压 110 V袁额定电流 3A 的需求遥本文通过 0.1 赘尧2 W 的精密采样电阻袁串在母线回路中检测母线电流遥 电流采样信号经过轨到轨运放构成的信号调理电路进行电压放大后袁送入单片机的 AD 端口袁用于电流的实时监测曰同时通过比较器设定过流门限值袁当电流超限时袁电路立即输出过流信号袁传给单片机袁用于减小或切断 PWM 控制信号袁从而快速降低母线电流袁起到过流保护作用遥3软件设计本控制器软件基于 AVR 公司的 AVR STUDIO 集成环境开发袁采用 C 语言结合汇编语言进行编写遥 软件主要包括系统初始化尧霍尔捕捉中断模块尧定时器定时中断模块尧旋变检测模块尧串口数据通讯模块尧电压电流检测模块尧电机换相驱动模块尧电机测速模块尧EEPROM 读写模块尧位置环 PID 控制模块等部分遥软件工作流程设计如图 2 所示院图 2软件工作流程图4试验验证控制器产品实物图如图 3 所示遥 将控制器和伺服机构连接起来袁采用配套的上位机对控制器及伺服机构进行测试遥上位机测控界面如图 4 所示遥 采用专用带载测试设备对伺服机构进行额定力矩加载遥图 3控制器产品实物图图 4地面测试设备测控界面本控制器产品通过各项空载及带载试验验证和测试袁 实现了最大误差 0.1 mm 的伺服机构定位精度袁 并通过了 150益的带电高温老炼试验共计 48 小时袁控制器功能稳定袁性能良好遥5结束语本文设计开发了一款用于井下高温环境的电机伺服控制器遥介绍了系统硬件架构尧主要硬件功能模块的实现方案及设计要点袁以及单片机软件的主要功能模块及工作流程遥实测结果表明院控制器的设计具备较强的工程应用价值和技术推广价值遥参考文献咱1暂张珂第袁王晓袁井玉霏.基于 PIC 单片机的井下涡轮电机调速咱J暂.电子与通信技术袁2022袁5院155-158咱2暂唐佳乐.井下四臂推靠器电机驱动控制器设计咱D暂.成都院电子科技大学袁2022咱3暂张宇袁史晓锋.旋转导向用电机驱动电路的耐高温设计咱J暂.电子测量技术袁2016袁猿怨渊5冤院18-21咱4暂邹继明袁陈万连袁耿炎.一种小功率高温无刷直流电动机驱动器设计咱J暂.微电机袁2008渊5冤院37-猿怨袁缘怨咱收稿日期院圆园圆猿-01-29暂155