测井液压发电机电压控制模块的设计.pdf

2 4 石油仪器 P E T R oL E U M I N S T RU ME NI S 2 01 3年 1 2月 开发设计 测井液压发电机电压控制模块的设计 高东升 陆敬武柏 锐 大庆钻探工程公司测井公司 黑龙江 大庆 摘 要 文章介绍 了比例 电磁阀的控制方法，研 究了测井液压发电机 电压控制模块的手动控制、自动控制及 自动保护原 理 ，提 出了多用途液压 系统控制模块的设计思想。 关 键 词 液压控 制 ；比例 电磁 阀 ；脉 宽调 制 中图法分类号T P 2 7 3 文献标识码B 文章编号1 0 0 4 9 1 3 4 2 0 1 3 0 6 - 0 0 2 4 - 0 3 0 引 言 测井大车供电系统多用液压发电机 ， 无论采用哪 种液压发 电机 ，基本原理大致相同即由液压马达驱 动发电机 ，并通过调节液压系统的流量、压力等参 数 ，对输出电压和频率进行控制 ， 现场将这种控制模 块称作速度控制盒。 电压控制原理是由速度控制盒输 出一定 的电压值给比例电磁 阀， 控制液压系统的流量 和压力来控制发电机 的输出电压。印尼基地 的多台 E XC E L L 2 0 0 0和 L O GI Q 系统的供电系统采用 了这种 配置 。 但是 ，已有多个速度控制盒的电压控制模块坏 掉，无法实现输出电压的稳定和调节 ， 在无法找到该 产品的技术支持情况下 ， 采用的临时处理办法是在比 例电磁 阀后端焊接螺栓，通过螺栓 的旋进来调节 电 压 、停车和启动。这种方法虽然可 以实现发电机工 作 ， 但是无法实现稳压控制，并且这个螺栓的位置在 大车底盘下面，需要钻到车底来进行操作，这必将带 来很大的困难和危险。 为此 ， 我们设计了一个不依赖速度控制盒的电压 控制模块 ，来实现对发电机的启动 、运行和停车 。 1 比例 电磁 阀原 理及控 制电路原理 1 ． 1 比例 电磁 阀结构与原理 比例电磁阀的结构如图 1 所示。 ，⋯ 勰 比例电磁 阀与开关阀大部分结构相同， 不同的之 处在于比例电磁 阀采用了锥形止动器。 当电磁阀中的 线圈通过任何大小电流时， 线圈中产生相对应的磁场 力 ，使柱塞移动，当达到与弹簧力平衡时 ， 柱塞位置 固定。柱塞移动不同的距离，锥形止动器开启不同的 角度，从而控制流过不同大小的流量。产品设计是弹 簧定型后， 线圈通过的电流大小将决定柱塞的行程和 椎体开启角度的大小 ，也就决定了流量的大小。理想 的比例电磁阀特性曲线为线性 。 根据其基本原理 ， 设 计 一个电路 ，能够提供可调节的电流 ，即能够改变液 压系统 的流量和压力，达到控制输 出电压的目的。目 前采用的比例电磁阀线圈电阻值 6 ． 3 4 Q，最大驱动电 流 2 A。而能够满足该控制需求的基本器件就是场效 应管 。 1 ． 2 场效应管的工作特点 如图 2所示 ， 场效应管的输出特性曲线可分为四 个区域 非饱和区 可变电阻区 、 饱和区 恒流区 、 截止区 、击穿区 。 6 ≤ i 区 4 8 1 2 l 6 2 0 2 4 4 32 1 0 sI V Us ／ V 图 2 场效应管输出特性曲线 在非饱和区， 漏极电流 受栅 源电压U G s 及漏一 源 电压 s 控制 ，当 s 为某一固定值 时， 受栅一 源 电 压 s 控制 ，表现为一种压控电阻特性 ，且具有近似 线性关系 ；在饱和区 ，漏极电流 受只受栅一 源电压 s 控制，而与漏一 源电压近似无关 。即 第一作者简介高东升，男，1 9 6 3 年生，工程师，1 9 8 5 年毕业于大庆石油学院测井专业，现在大庆钻探测井公司物资供应一分公司负责测井仪 器及配件采购管理工作。邮编1 6 3 4 1 2 2 0 l 3年 第 2 7卷 第 6期 高东升等 测井液压发电机电压控制模块的设计 2 5 ／ O ％ s 一 s c h 式中 ， 为漏极电流 ； r ／ ． 为电子表面迁移率 ； C o x 为单位面积氧化层 电容 ； 为沟道耗尽层厚度 ； ， 为沟 道的长度 ； s m 为开启电压 ， 即 大于零时的U c s 值。 l - 3 控制电路原理 本文所设计的电路控制模块将在启动 或关闭 发电机以及发电机正常工作时分别利用场效应管的可 变电阻区和饱和恒流区的特点 ， 其控制重点就是通过 控制栅一 源电压 s 值来改变 值 ， 实现对 比例 电磁 阀 的输入电流大小调节 电路原理如图 3 所示 。 车载 电池 电源 图 3 电压控制模块原理框图 综合考虑到测井大车上设计安装有复杂的液压系 统 ，液压元件不仅包含 比例电磁阀，也有开关电磁 阀 ， 所 以在选择驱动场效应管 ， 选择了一种集成驱动 芯片 L 9 3 5 2 B。该芯片集成了四路驱动，其 中两路驱 动电流可达 5 A，可以用于比例电磁阀驱动，其它两 路驱动 电流可达 2 ． 5 A， 可用于开关电磁阀的驱动 。 采 用 P WM 信号作 为其输入控制信号，并具有状态反馈 输入端 。L 9 3 5 2 B 管脚分布图如图 4所示 。从该集成 驱动芯片看到 ，其 Q3 、Q 4输出将用作 比例电磁 阀驱 动 ，Q1 、Q 2将用作开关电磁阀驱动。该芯片功能齐 全 ，输出电流满足要求 。 虽 I 兰 I 墨 l 蛋 莹 Q ， 图4 集成驱动芯片 L 9 3 5 2 B管脚分布图 无论控制是开关电磁阀还是比例电磁阀 ， 都可 以 用 P WM 信号作为输入控制信号 ，总体电路框图如图 5 所 示 。 电源 图5 总体电路原理框图 单片机 S T C1 2 C 5 4 1 0 A D是 5 1内核单片机 ，完全 兼容 C 5 1系列单片机开发环境，同时内部集成 l 2位 A ／ D转换器 ， 具有 4路可以边界捕获定时计数器P C A， 具有 P WM 输出功能 。S T C 1 2 C 5 4 1 0 A D 单片机输出 P WM 控制信号 ， 通过磁保护／ 隔离器件 A Du M1 4 0 2和 集成驱动芯片 L 8 3 5 2 B实现对电磁阀的控制 。 P WM 信 号 的占空比控制集成驱动芯片的驱动电流。 2 软件设计 软件总体结构包括 A ／ D程序模块 、P WM 程序模 块 ，在程序初始化中，设置 P C A端 口、初始化 P WM 频率及初始 占空比等 。在发电机正常工作中，P WM 程序模块根据 A ／ D 采样值和状态采样值 ，实时修正 P WM 的占空比，达到稳定输出电压的目的。软件流 程如图 6所示。 图6 软件流程图 停机子程序将根据预先设定的参数， 在较长时间 9 一 一 ” 一 一 H一～ ～ 7 6 一 ， 一 4 一 一如一 勰 一 一 2一“一 阱 ∞ ￡ } ∞ ∞ ∞ ∞ 忧毒 ； m m N NK N N N NN 粥 _。 ．。 附 附 附 聃 叭 M 聃 l坌 笱一 一 一 ∞一 一 一 一 “ 一 一 一 2 6 石油仪器 P E T R oL E U M I NS T R UME N I S 2 0 1 3年 1 2月 内，持续改变 P WM 参数，使控制驱动器的电流从大 逐渐变小 ， 实现缓慢停车，避免大的惯性作用损坏液 压马达 。 3 结论 通过实际运行监测情况 ， 所设计的电压控制模块 能够实现发 电机 的启动、运行和停车，运行时的输出 电压波动在 1 1 5 V I O V以内，停机时间接近一分钟， 足以安全停车。同时 ，在实验过程中发现 ，这个电路 模块也可以用在绞车系统的液压控制中， 控制滚筒的 正反转 以及停止 。在使用 L 9 3 5 2 B芯片的单片机控制 电路中，由于有两道 2 ． 5 A 的比例电磁阀控制输出 ， 对于控制多路液压启动／ 停止也可以采用P WM 控制方 式实现 。 在进行绞车系统的控制实验中，也注意到，如果 需要精细控制绞车系统 ，还需要提高电流调节精度， 或者是更加精细地调节 P WM 信号的占空比 这就需 要更加科学的 P I D控制系数 ， 需要大量的实验数据来 帮助优化控制模块 。 参 考 文 献 [ 1 】涂时亮，张友德． 单片微机控制技术 【 M] ． 北京清华大学 出版社，1 9 9 4 【 2 】周 坚． 平凡的探索一 单片机工程师与教师的思考 【 M】 ． 北 京北京航空航天大学出版社，2 0 1 0 [ 3 】S T公司． mi c r o e l e c t r o n i c s u s e r s ma n u a 1 ． 2 0 0 4年 资料 收稿日期2 0 1 3 0 6 2 2 编辑姜婷 上接 第 2 1页 2 在高精度和普通压力计性能对 比分析中 ，迟 滞误差可以直观地表明误差的分布特点， 进而分析压 力计的特性 。 3 在分析温度对压力计的影响中，迟滞误差具 有更加明显的优势， 从迟滞误差曲线上可以明显地看 出各个温度校准点的压力计误差的分布状况。 4 高精度压力计具有较好的重复性和温度稳定性。 参考文献 ⋯ 1 中国石油天然气集团公司职业技能鉴定指导中心．采油测 试工 【 M】 ．北京石油工业出版社，2 0 1 l [ 2 】国家能源局．S Y ／ T 6 6 4 0 2 0 1 2电子式井下压力计校准方法 【 M] ．北京石油工业出版社，2 0 1 2 【 3 】王化祥．传感器原理及应用 修订版[ M] ．天津天津大 学出版社，2 0 0 2 [ 4 】单成祥，牛彦文，张春．传感器原理与应用 【 M] ．北京 国防工业出版社，2 0 0 6 [ 5 ] 周旭． 现代传感器技术 【 M】 ． 北京 国防工业出版社， 2 0 0 7 收稿日期2 0 1 3 0 4 2 6 编辑 高红霞 上接 第 2 3页 专用插针 ，将其固定在插针外筒中央 ，与插针外筒一 起构成仪器传感器和电路部分的机械和电气接 口 当 仪器需要拆卸时 ，只需要旋转插针外筒即可将仪器分 成两部分 。该结构使仪器的连接点处不存在内走线 ， 保证 了流道内必要的流体通过空间，拆装仪器时，不 再需要连接电机和涡轮供电线 ，降低了仪器的维修难 度 ，使现场更换集流伞成为可能。 4 结束语 新型集流伞短节使取样机构密封部分更加可靠 ， 测量时取全水更加平稳，并且组装和维修简单，该设 计将解决 目前仪器标定全水不稳定的问题 ， 集流伞单 芯快速连接设计减少了组装工人的劳动强度 ， 便于操 作人员使用和现场维修 ，如将集流伞部分进行标 准 化 ， 将形成一个新的产出剖面集流器端接 口标准 ，因 此该设计有较好的应用和推广前景 。 参 考 文 献 [ 1 】崔庆保，高 臣，郭忠懿．大庆油田产出剖面测井技术研 究与进展 [ J ] ． 测井技术，2 0 0 7 ，3 1 1 【 2 ]史华蕾，胡金海． 一种改进后的阻抗式含水率计现场应用 分析与评价 [ J 】 ． 国外测井技术，2 0 1 0 ，3 1 1 【 3 】秦世群． 油井连续测井仪的研制与应用 【 J 】 ． 石油机械， 2 0 0 5 ， 3 3 6 收稿日期2 0 1 3 - 0 5 1 0 编辑高红霞