基于CAN总线的地层测试评价仪液压泵驱动电机测控系统的研究

2011-06-02黄成玉任学军李学哲邓永红

电机与控制应用 2011年1期

黄成玉，任学军，李学哲，邓永红

(华北科技学院信息与控制技术研究所，北京 065201)

0 引言

海洋石油钻井平台要对海底石油进行探测取样，所用的探测器是一个长达数十米的管型探测装置，即地层测试评价仪(Formation Evaluation Tool，FET)。在探测装置中装有油泵、吸油咀、取样筒、单向电磁阀等机械执行机构，以及电机及其驱动器、电磁阀及其控制器、供电电源、传感器、信号变换器等多种电气部件。其中液压泵驱动电机是石油探测器的关键性部件，用于驱动仪器液压泵，提供液压动力完成仪器的各项机械动作。液压泵驱动电机的可靠性非常重要，其良好运行是确保石油探测器装置正常运行的重要保证。目前，国内外对液压泵驱动电机的测控多采用分立组件来完成，每个组件只能对电机的单一参数进行评价，组件之间相互独立，无法实现综合功能的检测，且检测效率和自动化水平均较低。更重要的是很难保证在井下150℃环境下可靠工作。该系统是基于石油勘测的实际应用背景和需求而进行立项开发的，可以在井下150℃环境下对液压泵驱动电机的运行状态实时监控，有效保证仪器的可靠运行。同时，作为一个满足现场作业要求，非常实用的功能检测系统，有望在全行业范围内推广应用，有较好的市场前景。

1 液压泵驱动电机自动测控需求

为保证电机的正常、可靠运行，测控系统应具有如下功能和特点:

(1)电机运行参数自动检测功能。包括电机温度检测、电机转速检测、电机驱动电压检测和电机驱动电流检测等。

(2)输入过压、欠压，输出过流、过载、短路，过热，超速等多项保护功能。

(3)变压变频(Variable Voltage Variable Frequency，VVVF)交流电机控制功能，实现对电机的交流变频调速控制，使电机运行效率高、损耗小、使用寿命长。

(4)CAN通信功能，实现测控系统与主控制系统的通信，实现测控系统接收主控制系统的各种命令，并将各种状态信息和故障信息反馈给主控制系统。

(5)具有人机界面功能，实现控制与状态显示。

(6)测控系统高温可靠性，确保系统在高温150℃井下环境可靠工作。

2 液压泵驱动电机自动测控系统技术方案和特点

2.1 技术方案

液压泵驱动电机测控系统结构图如图1所示。整个系统由上位机测控系统、监控模块和被测电机系统组成。上位机测控系统由PC机和CAN通信卡组成，实现与底层监控模块的通信与控制，状态参数显示。上位机软件采用VC6.0高级语言设计，CAN通信卡采用研华的PCI1680U。监控模块负责根据上位机以CAN通信形式传来的指令控制电机的起动/停止，同时检测液压泵驱动电机的运行状态，并将参数如电压、电流、温度、转速及故障信息通过CAN通信传给上位机进行显示。正弦脉宽调制(Sin-Wave Pulse Width Modulation，SPWM)输出模块负责实现 SPWM波输出，电机软起动、软停车，驱动负载自适应功能。

2.2 测控系统特点

测控系统采用全数字化测控设计，以DSPIC30F6010A高速微型计算机为核心，通过工业现场总线(CAN)实现数据通信和共享，能够实时地检测和传递数据，实现多CPU之间的互通互联与数据共享，检测、控制、显示的实时性好，可靠性高。

图1 液压泵驱动电机测控系统结构图

单片机采用Microchip公司的16位(数据)单片机DSPIC30F6010A;CAN驱动器采用TI公司生产的一款低功耗串行CAN控制器SN65HVD1040D;运放及其他电子元件均选择150℃温度等级;此外系统还设计有风扇、散热器等。该系统具有极高的高温可靠性，确保系统在高温150℃井下环境可靠工作。

测控系统采用电机电流(力矩)自动跟踪等控制算法软件，实现电机的高性能运行，具有损耗小、效率高、噪声小、运行平稳、动态响应快等特点。

3 硬件电路设计

3.1 IGBT驱动电路

该系统中IGBT选用Infineon公司生产的FS25R12KT3，工作温度可以达到150℃，耐压可达1 200 V，输出电流25 A。IGBT驱动采用IR公司生产的高压、高速三相桥驱动器IR2133。电路原理图如图2所示。

3.2 电机温度检测电路

该系统中电机温度的检测采用PT100温度传感器来完成，检测电路如图3所示。PT100与电机表面充分接触，当电机温度发生变化时，PT100的阻值也随之变化，利用图4所示的电路可以测得阻值的变化，从而测得电机温度。电路分析:IC6A，R97，R98组成一个200 mA恒流源电路;利用恒流源将PT100的阻值转换为电压信号;再利用IC7采集并将信号送给单片机;最后单片机再根据温度曲线计算电机温度。

3.3 电机转速检测电路

该系统中电机转速的检测采用霍尔测速传感器来完成。检测电路如图4所示。霍尔传感器与电机转轴垂直安装，与转轴的间距保持约2 mm。利用图4所示的电路可以测得电机转速。

图2 IGBT驱动电路原理图

图3 电机温度检测电路原理图

4 软件设计

4.1 CAN通信协议

系统CAN节点流程如图5所示。上位机向监控模块发帧号为0x11的指令帧(见表1)，控制电机起停和SPWM输出。监控模块向上位机发帧号为0x21的状态帧(见表2)，反馈电机状态信息。

4.2 软件流程图

监控模块负责根据上位机以CAN通信形式传来的指令控制电机的起动/停止，同时检测液压泵驱动电机的运行状态，并将参数通过CAN通信传给上位机进行显示。其软件流程图如图6所示，软件分为两大模块，主程序模块和定时器T1中断服务模块。主程序模块负责上电初始化、CAN通信和定时器T1中断设置等;定时器T1中断负责电机参数采样及发送，并能根据CAN接收的指令控制输出。

5 结语

本文提出的FET液压泵驱动电机自动测控系统，集微型计算机控制技术、现场总线网络技术、现代传感器技术于一体，很好地解决了液压泵驱动电机的自动测控问题。系统可以在高温150℃环境下可靠运行，极大地提高了FET关键设备的检修效率，为现场测井作业提供了方便。该系统已成功应用于油田测井现场，具有极大的现实意义和推广价值。