基于CAN總線的地層測試評價儀液壓泵驅動電機測控系統的研究

2011-06-02 09:54:14黃成玉任學軍李學哲鄧永紅

電機與控制應用 2011年1期

黃成玉，任學軍，李學哲，鄧永紅

(華北科技學院信息與控制技術研究所，北京 065201)

0 引言

海洋石油鉆井平臺要對海底石油進行探測取樣，所用的探測器是一個長達數十米的管型探測裝置，即地層測試評價儀(Formation Evaluation Tool，FET)。在探測裝置中裝有油泵、吸油咀、取樣筒、單向電磁閥等機械執行機構，以及電機及其驅動器、電磁閥及其控制器、供電電源、傳感器、信號變換器等多種電氣部件。其中液壓泵驅動電機是石油探測器的關鍵性部件，用于驅動儀器液壓泵，提供液壓動力完成儀器的各項機械動作。液壓泵驅動電機的可靠性非常重要，其良好運行是確保石油探測器裝置正常運行的重要保證。目前，國內外對液壓泵驅動電機的測控多采用分立組件來完成，每個組件只能對電機的單一參數進行評價，組件之間相互獨立，無法實現綜合功能的檢測，且檢測效率和自動化水平均較低。更重要的是很難保證在井下150℃環境下可靠工作。該系統是基于石油勘測的實際應用背景和需求而進行立項開發的，可以在井下150℃環境下對液壓泵驅動電機的運行狀態實時監控，有效保證儀器的可靠運行。同時，作為一個滿足現場作業要求，非常實用的功能檢測系統，有望在全行業范圍內推廣應用，有較好的市場前景。

1 液壓泵驅動電機自動測控需求

為保證電機的正常、可靠運行，測控系統應具有如下功能和特點:

(1)電機運行參數自動檢測功能。包括電機溫度檢測、電機轉速檢測、電機驅動電壓檢測和電機驅動電流檢測等。

(2)輸入過壓、欠壓，輸出過流、過載、短路，過熱，超速等多項保護功能。

(3)變壓變頻(Variable Voltage Variable Frequency，VVVF)交流電機控制功能，實現對電機的交流變頻調速控制，使電機運行效率高、損耗小、使用壽命長。

(4)CAN通信功能，實現測控系統與主控制系統的通信，實現測控系統接收主控制系統的各種命令，并將各種狀態信息和故障信息反饋給主控制系統。

(5)具有人機界面功能，實現控制與狀態顯示。

(6)測控系統高溫可靠性，確保系統在高溫150℃井下環境可靠工作。

2 液壓泵驅動電機自動測控系統技術方案和特點

2.1 技術方案

液壓泵驅動電機測控系統結構圖如圖1所示。整個系統由上位機測控系統、監控模塊和被測電機系統組成。上位機測控系統由PC機和CAN通信卡組成，實現與底層監控模塊的通信與控制，狀態參數顯示。上位機軟件采用VC6.0高級語言設計，CAN通信卡采用研華的PCI1680U。監控模塊負責根據上位機以CAN通信形式傳來的指令控制電機的起動/停止，同時檢測液壓泵驅動電機的運行狀態，并將參數如電壓、電流、溫度、轉速及故障信息通過CAN通信傳給上位機進行顯示。正弦脈寬調制(Sin-Wave Pulse Width Modulation，SPWM)輸出模塊負責實現 SPWM波輸出，電機軟起動、軟停車，驅動負載自適應功能。

2.2 測控系統特點

測控系統采用全數字化測控設計，以DSPIC30F6010A高速微型計算機為核心，通過工業現場總線(CAN)實現數據通信和共享，能夠實時地檢測和傳遞數據，實現多CPU之間的互通互聯與數據共享，檢測、控制、顯示的實時性好，可靠性高。

圖1 液壓泵驅動電機測控系統結構圖

單片機采用Microchip公司的16位(數據)單片機DSPIC30F6010A;CAN驅動器采用TI公司生產的一款低功耗串行CAN控制器SN65HVD1040D;運放及其他電子元件均選擇150℃溫度等級;此外系統還設計有風扇、散熱器等。該系統具有極高的高溫可靠性，確保系統在高溫150℃井下環境可靠工作。

測控系統采用電機電流(力矩)自動跟蹤等控制算法軟件，實現電機的高性能運行，具有損耗小、效率高、噪聲小、運行平穩、動態響應快等特點。

3 硬件電路設計

3.1 IGBT驅動電路

該系統中IGBT選用Infineon公司生產的FS25R12KT3，工作溫度可以達到150℃，耐壓可達1 200 V，輸出電流25 A。IGBT驅動采用IR公司生產的高壓、高速三相橋驅動器IR2133。電路原理圖如圖2所示。

3.2 電機溫度檢測電路

該系統中電機溫度的檢測采用PT100溫度傳感器來完成，檢測電路如圖3所示。PT100與電機表面充分接觸，當電機溫度發生變化時，PT100的阻值也隨之變化，利用圖4所示的電路可以測得阻值的變化，從而測得電機溫度。電路分析:IC6A，R97，R98組成一個200 mA恒流源電路;利用恒流源將PT100的阻值轉換為電壓信號;再利用IC7采集并將信號送給單片機;最后單片機再根據溫度曲線計算電機溫度。

3.3 電機轉速檢測電路

該系統中電機轉速的檢測采用霍爾測速傳感器來完成。檢測電路如圖4所示。霍爾傳感器與電機轉軸垂直安裝，與轉軸的間距保持約2 mm。利用圖4所示的電路可以測得電機轉速。

圖2 IGBT驅動電路原理圖

圖3 電機溫度檢測電路原理圖

4 軟件設計

4.1 CAN通信協議

系統CAN節點流程如圖5所示。上位機向監控模塊發幀號為0x11的指令幀(見表1)，控制電機起停和SPWM輸出。監控模塊向上位機發幀號為0x21的狀態幀(見表2)，反饋電機狀態信息。

4.2 軟件流程圖

監控模塊負責根據上位機以CAN通信形式傳來的指令控制電機的起動/停止，同時檢測液壓泵驅動電機的運行狀態，并將參數通過CAN通信傳給上位機進行顯示。其軟件流程圖如圖6所示，軟件分為兩大模塊，主程序模塊和定時器T1中斷服務模塊。主程序模塊負責上電初始化、CAN通信和定時器T1中斷設置等;定時器T1中斷負責電機參數采樣及發送，并能根據CAN接收的指令控制輸出。

5 結語

本文提出的FET液壓泵驅動電機自動測控系統，集微型計算機控制技術、現場總線網絡技術、現代傳感器技術于一體，很好地解決了液壓泵驅動電機的自動測控問題。系統可以在高溫150℃環境下可靠運行，極大地提高了FET關鍵設備的檢修效率，為現場測井作業提供了方便。該系統已成功應用于油田測井現場，具有極大的現實意義和推廣價值。