智能穩壓司鉆開關控制器研制

席 棟，李 威，李繼宏，苑 華，原嘉麗；樊一江

（1.中國石油渤海石油裝備制造有限公司石油機械廠，河北任丘 062252；2.中石化寧波工程有限公司電控室，浙江寧波 315103）①

智能穩壓司鉆開關控制器研制

席 棟1，李 威1，李繼宏1，苑 華1，原嘉麗1；樊一江2

（1.中國石油渤海石油裝備制造有限公司石油機械廠，河北任丘 062252；2.中石化寧波工程有限公司電控室，浙江寧波 315103）①

為解決石油鉆機用電磁渦流剎車輸出電壓受電源電壓影響波動較大、穩定性差，輸出零位電壓高引起控制系統誤導通，輸出峰值電壓過高而燒毀晶閘管觸發控制器及輸出峰值電壓過造成低剎車力矩不足等問題，研制了智能穩壓司鉆開關控制器，降低了設備故障率，提高了生產效率。

司鉆開關控制器；智能穩壓；霍爾傳感器

石油鉆機用電磁渦流剎車在鉆機正常工作中起放鉆具及鉆機安裝過程中的起放井架等作業中起到重要的作用。司鉆開關控制器是電磁渦流剎車控制系統中的關鍵部件，安裝于司鉆操作房內，司鉆通過操作司鉆開關控制器對電磁渦流剎車控制系統發出控制信號，操控電磁渦流剎車。通常的司鉆開關控制器是由1個同軸變壓器組成，通過調整鐵芯在線圈里的位置實現對變壓器二次側輸出電壓的調整和控制。但在使用中出現：輸出信號受電源波動影響較大；零位電壓不能達到絕對0，對觸發電路造成影響；輸出高位電壓不易準確控制，容易出現超出± 10%電壓范圍輸出信號，造成晶閘管觸發電路燒毀故障等問題。研制的智能穩壓司鉆控制器能夠很好地解決以上問題。

1 結構設計

智能穩壓司鉆開關控制器結構如圖1所示，由手柄、手柄軸、信號發生器定位架、信號發生器、霍爾傳感器、司鉆開關支架、電壓調制控制器、接線端子、筒體等組成。

1） 工作原理 信號發生器安裝于定位架上與霍爾傳感器相對安裝。信號發生器產生磁信號，司鉆開關支架里有1個感應磁力線大小的線性霍爾傳感器，3根線分別連在霍爾傳感器的3個腳上，分別為正極、負極、信號端子。定位架隨手柄在0～90°角度范圍內轉動，霍爾傳感器感應到信號發生器的磁力信號，對外輸出與手柄旋轉角度成比例的線性控制信號，電壓調制控制器根據接收到的控制信號，對外輸出0～18 V直流控制電壓信號。電壓調制控制器經開關穩壓電源調制成5、18 V2級電壓，為下級電路供電；霍爾傳感器發來的控制信號經多諧振蕩器調制處理成具有一定頻率的方波信號后，提供至信號差分比較器，與輸出端電壓采樣負反饋信號進行電壓比較自動調控；比較器發出的方波信號使MOS管驅動電路對MOS管柵極發出控制信號，驅動MOS管調整導通狀態，實現司鉆開關對外輸出0～18 V精確線性可調電壓信號。為適應不同負載，在輸出電壓信號兩端并聯有負載保護電路。

2） 設計特點 電壓調制電路采用寬電壓范圍開關電源設計，可以在85～264 V，47～63 Hz的供電電源下工作，可以保證控制回路正常穩定地工作，帶電壓負反饋功能、自動調整、精確控制輸出電壓在0～18 V。采用線性霍爾傳感器檢測信號發生器磁力線變化，實現控制信號隨手柄旋轉角度呈線性變化、無磨損檢測。

圖1 智能穩壓司鉆開關控制器結構

2 電路設計

智能穩壓司鉆開關控制器的電路原理如圖2所示，主要包括：開關穩壓電源電路、線性霍爾傳感器、多諧振蕩器、信號差分比較器、MOS管驅動電路、MOS管開關電路、電壓采樣負反饋電路、負載保護電路。

1） 開關穩壓電源 由變壓器、全橋整流電路、濾波電路、LM7818穩壓電路、LM7805穩壓電路組成雙電壓輸出開關電源電路。

圖2 智能穩壓司鉆開關控制器的電路原理

2） 霍爾傳感器 采用A3516寬溫度范圍線性霍爾效應傳感器［1］，該傳感器具有高靈敏度、溫度性能穩定的特點。其輸出電壓與所施加的磁場強度成正比，可將磁場變化轉換為0.2～4.8 V線性電壓信號，為多諧振蕩電路提供信號。A3516的工作環境溫度為-40～150℃，輸出靈敏度為2.5 m V／G。引腳及內部原理如圖3～4所示。

圖3 引腳

圖4 內部原理

3） 多諧振蕩器 設計為采用NE555模塊組成的多諧振蕩器［2］電路，其引腳排列及內部結構框圖如圖5。NE555為時基電路，采用DIP雙列直插8引腳與SOP8小型（SMP）2種封裝形式，Vcc為4. 5～16 V，極限電源電壓為18 V。

4） 信號差分比較器 設計采用LM339四路差分比較器模塊組成的電壓負反饋電路、單限比較器電路［2］。LM339集成塊內部裝有4個獨立的電壓比較器，可以方便地組成各種電壓比較器電路和振蕩器電路，采用C-14型封裝。

圖5 NE555引腳排列及內部框圖

5） MOS管驅動器及保護電路［3］在應用MOS管和設計MOS管驅動的時候，有很多寄生參數，其中最影響MOS管開關性能的是源邊感抗。采用2SC8050晶體管組成的推挽型MOS管驅動器及保護電路受電壓比較器脈沖信號控制，如圖6。為了成本考慮，采用NPN管子的輸出級電路。NPN管子只能承受單向電流，高邊的管子輸出電流，低邊的管子吸收電流。在開啟和關閉的時候，不可避免的源邊感抗和輸入電容之間的振蕩，使得電流需要上下2個方向都有通路，為了提供1條方向通路，低電壓的肖特基二極管可以用來保護驅動器的輸出級，這里注意這2個管子并不能保護MOS管的輸入級（離MOS管較遠），因此二極管需要離驅動器引腳非常近。

圖6 MOS管驅動器及保護電器

6） 負載保護電路 采用ISS52晶體二極管并聯在輸出極兩端，以便對感性負載提供保護。

3 結語

本文設計的智能穩壓司鉆開關控制器，可以完成對石油鉆機用電磁渦流剎車的司鉆開關實施電壓負反饋自動控制，解決輸出電壓受電源電壓影響波動較大、穩定性差、輸出零位電壓高引起控制系統誤導通，輸出峰值電壓過高燒毀晶閘管觸發控制器及輸出峰值電壓過低造成剎車力矩不足等問題。抗干擾能力強，降低了設備故障率，提高了生產效率。該裝置有良好的通用性和可靠性，經現場試用，用戶反映良好。

［1］ 劉暢生，寇寶明，鐘龍.霍爾傳感器實用手冊［J］.北京：中國電力出版社，2009.

［2］ 何書森.何華斌.實用電子電路設計速成［M］.福州：福建科技出版社，2005.

［3］ 吳丙申，卞祖富.模擬電路基礎［M］.北京：北京理工大學出版社，2009.

Design and Manufacturing of Smart Voltage-stabilized Driller Switch Controller

An intelligent driller switch controller is mainly designed and used for the solution of large voltage fluctuation and bad reliability of output voltage，and the solution of control system misleading caused by high output zero voltage，and the burning of Thyristor trigger controller caused by high and low peak output voltage，and insufficiency of breaking torque.The intelligent driller switch controller lowers equipment failure and increases productivity.

driller switch controller；smart voltage-stabilization；hall sensor

TE923

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.09.028

1001-3482（2014）09-0102-03

2013-12-19

席 棟（1972-），男，山東青島人，工程師，主要從事石油鉆采機械及控制電路研究，E-mail：hbsjxid＠163.com。