井下高温电机伺服控制器的设计与实现.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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 resista
7、nce 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 compo
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