自动垂直钻井系统无刷直流电机调速控制研究

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1、石油仪器2012年第26卷第6期PETRoLEUMINSTRUMENIS·13··开发设计·自动垂直钻井系统无刷直流电机调速控制研究李雪白玉新张建国吴文晋何雨昂(北京精密机电控制设备研究所北京)摘要：基于旋变／数字转换器AD2S1210激励旋转变压器模拟信号，并将模拟信号转换为数字信号进行位置检测的方案，设计了一种无刷直流电机调速系统。介绍了旋转变压器的基本原理，设计了AD2S1210的外围接口，使用了一种简单易行的励磁电路，并在此基础上设计了无刷直流电机调速系统。实验表明，所设计的无刷直流电机调速系统能够精确地调节电机转速，

2、进而控制垂直钻井系统纠斜机构的推力，实现自动垂直钻进。关键词：垂直钻井；无刷直流电机；电机调速；旋转变压器中图法分类号：TE243文献标识码：B文章编号：1004—9134(2012)06—0013-02I一~sincot0引言{=us~sincot~cosO(1)l=Us~sincot~sin0自动垂直钻井技术是上世纪末发展起来的一项自动化钻井新技术，是降低油气开发成本、提高油气采收率的有效技术，代表了目前垂直钻井技术的最高水平[】]。无刷直流电机调速控制是自动垂直钻井系统中2AD2S1210外围电路设计系统纠斜并保持垂直钻

3、进的关键因素，也是下一步开AD2S1210是一款完整支持10位～16位精度的展旋转导向钻井的技术基础。无刷直流电机调速系统旋变／数字转换器，片内集成了频率可调的正弦励磁常用的霍尔传感器[2]、光栅编码器和旋转变压器等转信号发生器，兼容2．3V～5V逻辑电平，并具有故障子位置检测传感器中，旋转变压器的抗冲击震动、耐检测功能。该芯片所需外围电路简单，主要由数字接高温、耐潮湿等环境适应性最强，最适宜常年工作于口电路和模拟接口电路组成。井下恶劣环境中的钻井设备。但是旋变需要一定频率2．1数字接口电路的交流励磁电压注入，输出模拟量信号，

4、为了生成此系统采用TI公司的2000系列DSP作为主控芯励磁信号并将旋变的模拟量输出变换成表示角度的数片，为了提高数据传输速度，AD2S1210与DSP之间字信号，需要设计旋变／数字(R／D)转换器及其外围采用并行方式连接。由于AD2S1210支持2．3V～5V电路[3]o本文介绍了AD2S1210的外围接口，以及无逻辑电平，不需中间逻辑电平转换，可以直接与DSP刷直流电机调速系统的设计。的并行接口连接。1旋转变压器原理DSP通过片选信号CSn、读控制信号RDn、写控制信号WRn、复位信号RESETn和采样控制信号SAM—旋转

5、变压器是一种输出电压值随转子转角变化PLEn来控制旋变／数字转换器AD2S1210的工作，高的传感器元件。当旋变的励磁绕组以一定频率的交速并行数据总线DO～D15实现R／D转换器的高速数流电压励磁时，输出的两相正交绕组的电压幅值分据交互。A0～A1是模式选择端口，可以选择AD2S1210别与转子成正弦、余弦函数关系，通过对此两相正工作在位置读取模式、速度读取模式或系统设置模式交的输出电压进行一定的数学运算即可解算出转子下，其中在系统设置模式下可以设置所有故障判断阈的转角信息。值，并查询故障状态寄存器获取更多故障信息。DOS、励

6、磁绕组R1-R2安装在转子上，输出的正交绕组LOT是故障指示端口，DSP通过循环扫描这两个端口s1．S3和s2．S4安装在定子上，三组绕组的输出关系：信息，可以判断RiD处于何种工作状态下。同时第一作者简介：李雪，男，1980年生，工程师，2003年毕业于北京航空航天大学自动化系，2006年硕士研究生毕业于中国运载火箭技术研究院机械电子工程专业。现任北京精密机电控制设备研究所设计师。邮编：100076石油仪器PETRoLEUMINSTRUMENIS2012年12月·14·AD2S1210可通过RES0～RES1设置10～16位

7、精度。2．2模拟接口电路AD2S1210的励磁信号由片内可编程正弦信号发生器提供，产生频率2kHz～20kHz可调，幅值7．2Vp—P的正弦信号；而AD2S1210接收的正、余弦信号幅值为3．15Vp．P，即励磁信号从驱动电路电流放大，到旋转变压器初、次级电压比，整体传输比为3．15／7．2图3仿真波形曲线图=0．437倍。无刷直流电机调速系统选用的旋转变压由图3可见，输出与输入正弦信号频率均为10器初、次级电压比在10kFIz励磁频率下，电压比约为kHz，输出Rl—R2电压幅值约为4．9Vp-P，输入S1一S30．63，计算

8、可得驱动电路放大系数为O．693。(S2一S4)端电压幅值约为3．1Vp-P，满足设计使用要求。图1是常用的AD2S1210励磁电路，采用分立元3试验结果件电路构建。C无刷直流电机调速系统的工作原理图如图4所示，系统通过旋转变压器及旋变／数字转换器获取电机转子位置信息，按照一