基于CAN總線的地層測試評價儀液壓泵驅(qū)動電機測控系統(tǒng)的研究

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(shù)十米的管型探測裝置，即地層測試評價儀(Formation Evaluation Tool，F(xiàn)ET)。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(zhí)行機構(gòu)，以及電機及其驅(qū)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(qū)動電機是石油探測器的關鍵性部件，用于驅(qū)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(qū)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(nèi)外對液壓泵驅(qū)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(shù)進行評價，組件之間相互獨立，無法實現(xiàn)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(huán)境下可靠工作。該系統(tǒng)是基于石油勘測的實際應用背景和需求而進行立項開發(fā)的，可以在井下150℃環(huán)境下對液壓泵驅(qū)動電機的運行狀態(tài)實時監(jiān)控，有效保證儀器的可靠運行。同時，作為一個滿足現(xiàn)場作業(yè)要求，非常實用的功能檢測系統(tǒng)，有望在全行業(yè)范圍內(nèi)推廣應用，有較好的市場前景。

1 液壓泵驅(qū)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(tǒng)應具有如下功能和特點:

(1)電機運行參數(shù)自動檢測功能。包括電機溫度檢測、電機轉(zhuǎn)速檢測、電機驅(qū)動電壓檢測和電機驅(qū)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(xiàn)對電機的交流變頻調(diào)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(xiàn)測控系統(tǒng)與主控制系統(tǒng)的通信，實現(xiàn)測控系統(tǒng)接收主控制系統(tǒng)的各種命令，并將各種狀態(tài)信息和故障信息反饋給主控制系統(tǒng)。

(5)具有人機界面功能，實現(xiàn)控制與狀態(tài)顯示。

(6)測控系統(tǒng)高溫可靠性，確保系統(tǒng)在高溫150℃井下環(huán)境可靠工作。

2 液壓泵驅(qū)動電機自動測控系統(tǒng)技術方案和特點

2.1 技術方案

液壓泵驅(qū)動電機測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。整個系統(tǒng)由上位機測控系統(tǒng)、監(jiān)控模塊和被測電機系統(tǒng)組成。上位機測控系統(tǒng)由PC機和CAN通信卡組成，實現(xiàn)與底層監(jiān)控模塊的通信與控制，狀態(tài)參數(shù)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(jiān)控模塊負責根據(jù)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(qū)動電機的運行狀態(tài)，并將參數(shù)如電壓、電流、溫度、轉(zhuǎn)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(diào)制(Sin-Wave Pulse Width Modulation，SPWM)輸出模塊負責實現(xiàn) SPWM波輸出，電機軟起動、軟停車，驅(qū)動負載自適應功能。

2.2 測控系統(tǒng)特點

測控系統(tǒng)采用全數(shù)字化測控設計，以DSPIC30F6010A高速微型計算機為核心，通過工業(yè)現(xiàn)場總線(CAN)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和共享，能夠?qū)崟r地檢測和傳遞數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多CPU之間的互通互聯(lián)與數(shù)據(jù)共享，檢測、控制、顯示的實時性好，可靠性高。

圖1 液壓泵驅(qū)動電機測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

單片機采用Microchip公司的16位(數(shù)據(jù))單片機DSPIC30F6010A;CAN驅(qū)動器采用TI公司生產(chǎn)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(tǒng)還設計有風扇、散熱器等。該系統(tǒng)具有極高的高溫可靠性，確保系統(tǒng)在高溫150℃井下環(huán)境可靠工作。

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

3 硬件電路設計

3.1 IGBT驅(qū)動電路

該系統(tǒng)中IGBT選用Infineon公司生產(chǎn)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(qū)動采用IR公司生產(chǎn)的高壓、高速三相橋驅(qū)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(tǒng)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(fā)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(zhuǎn)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(jù)溫度曲線計算電機溫度。

3.3 電機轉(zhuǎn)速檢測電路

該系統(tǒng)中電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸垂直安裝，與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速。

圖2 IGBT驅(qū)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(xié)議

系統(tǒng)CAN節(jié)點流程如圖5所示。上位機向監(jiān)控模塊發(fā)幀號為0x11的指令幀(見表1)，控制電機起停和SPWM輸出。監(jiān)控模塊向上位機發(fā)幀號為0x21的狀態(tài)幀(見表2)，反饋電機狀態(tài)信息。

4.2 軟件流程圖

監(jiān)控模塊負責根據(jù)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(qū)動電機的運行狀態(tài)，并將參數(shù)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(shù)采樣及發(fā)送，并能根據(jù)CAN接收的指令控制輸出。

5 結(jié) 語

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

圖4 電機轉(zhuǎn)速檢測電路原理圖

表1 指令幀定義(幀號為0x11)

圖5 CAN節(jié)點流程圖

表2 狀態(tài)幀定義(幀號為0x21)

圖6 控制軟件流程圖

［1］劉澤祥.現(xiàn)場總線技術［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

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