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井下高温电机伺服控制器的设计与实现

2023-08-24 49 上传者：管理员

摘要：电机伺服控制器是井下各类伺服装备的重要组成部分，而井下的高温高压工况对于伺服控制电路的小型化、耐高温性能、高可靠性都提出了极高要求。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，设计了一款井下高温电机伺服控制器，配套某高温直流无刷电机组成的伺服机构使用，经测试可长期稳定工作在150℃环境下，具备耐高温、低温升、高可靠的特点，并在井下的电控流量阀设备上得到了成功应用。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。

关键词：
井下高温
伺服控制器
旋变解码
无刷直流电机
电机
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我国的伺服系统产业起步较晚，尤其是在石油钻探测井行业，存在着技术创新能力薄弱、高端伺服装备自主研发能力不足等发展短板，加上耐高温器件受限，因此长期依赖于欧美、日韩等国进口。近年来，石油装备业在积极推进电动化进程，无刷直流电机以其耐温高、功率密度高、体积小、控制灵活的优点，在各类石油装备中的应用越来越广泛。因此，迫切需要一种小体积、耐高温、高效率的无刷电机伺服控制器来驱动电机可靠工作，从而发挥整套伺服系统的性能。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，均选用耐温150℃及以上的高温器件研制，具备远程RS485通讯、霍尔及旋变信号检测、无刷电机驱动、机构行程伺服控制、定时作动、电压电流监测、过压过流保护、行程归零、数据掉电保存/上电恢复等功能，并在井下电控流量阀等设备上得到了成功应用。

1、总体方案设计

整套井下伺服系统主要由电机、减速箱、旋转变压器(和减速箱同轴连接)、电机伺服控制器四部分组成，其中电机、减速箱和旋转变压器共同组成了伺服机构。而整套电机伺服控制器由两个分系统组成，分别是井上控制设备（上位机系统）和井下电机控制器（下位机系统）。其中井上控制设备由工业计算机和测控系统软件组成，电机控制器主要由数字主控单元、RS485总线通信单元、直流无刷电机驱动单元、电压测量单元、电流测量单元、二次电源转换单元和旋变激磁解码单元等七个部分组成，可在井下恶劣环境中稳定控制无刷直流电机可靠运转，驱动伺服机构进行伺服动作。

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，采用旋变作为伺服机构端位置传感器，其系统硬件架构框图如图1所示。本文重点介绍以下几个硬件功能模块。

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、空间体积和功能要求，本方案选用了ATMEL公司的单片机Atmega168P。其为具备先进的RISC结构的8位AVR微处理器，具有六通道PWM，三个定时器/计数器，23个可编程I/O口。采用该单片机作为数字主控单元，具备电路简单、工作稳定可靠、体积小、功耗低、功能多样的优点。该单片机还内置了8路10位精度的ADC电路，可负责母线电压及电流采集，单片机自带的512字节EEPROM，可编程实现控制器掉电数据保存/上电数据恢复的功能。

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，通过SPI的串行接口形式，来采集解码数据，采集精度为16位。

旋变的激磁信号需要专门的放大调理电路，本文选取了分立式推挽缓冲器电路，配合耐高温的精密运放芯片，将解码电路输出的正弦波信号调理为±7 V输出的正弦波激磁信号。

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，上桥臂的门极偏置电压由自举电路来提供，门极驱动电压设置为12 V，驱动芯片内置了死区保护功能。

功率器件是电机可靠运行的关键，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，因此选用了6个200 V、30 A的小体积N沟道MOSFET，可完全满足额定电压110 V，额定电流3A的需求。

本文通过0.1Ω、2 W的精密采样电阻，串在母线回路中检测母线电流。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，送入单片机的AD端口，用于电流的实时监测；同时通过比较器设定过流门限值，当电流超限时，电路立即输出过流信号，传给单片机，用于减小或切断PWM控制信号，从而快速降低母线电流，起到过流保护作用。

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，采用C语言结合汇编语言进行编写。软件主要包括系统初始化、霍尔捕捉中断模块、定时器定时中断模块、旋变检测模块、串口数据通讯模块、电压电流检测模块、电机换相驱动模块、电机测速模块、EEPROM读写模块、位置环PID控制模块等部分。软件工作流程设计如图2所示：

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。将控制器和伺服机构连接起来，采用配套的上位机对控制器及伺服机构进行测试。上位机测控界面如图4所示。采用专用带载测试设备对伺服机构进行额定力矩加载。

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，实现了最大误差0.1 mm的伺服机构定位精度，并通过了150℃的带电高温老炼试验共计48小时，控制器功能稳定，性能良好。

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。介绍了系统硬件架构、主要硬件功能模块的实现方案及设计要点，以及单片机软件的主要功能模块及工作流程。实测结果表明：控制器的设计具备较强的工程应用价值和技术推广价值。

参考文献:

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