CN102916638A

CN102916638A - 一种井下无刷直流电机控制器

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Publication number: CN102916638A
Application number: CN2012103858693A
Authority: CN
Inventors: 陈红新; 蒋世全; 周建良; 许亮斌; 张新超; 侯增广; 李鹏峰; 李汉兴; 闫研
Original assignee: China National Offshore Oil Corp CNOOC; CNOOC Research Institute Co Ltd
Current assignee: China National Offshore Oil Corp CNOOC; CNOOC Research Institute Co Ltd
Priority date: 2012-10-12
Filing date: 2012-10-12
Publication date: 2013-02-06
Also published as: CN202906819U

Abstract

本发明涉及一种井下无刷直流电机控制器，它包括主电源，主电源输出端分别连接辅助电源和三相全控桥模块，辅助电源将主电源输出的高电压转换成低电压后为功率开关管驱动模块和主控制器供电；三相全控桥模块经功率开关管驱动模块连接主控制器；检测电路模块用于检测无刷直流电机的位置转速信号和电流信号，并将检测信号传输至主控制器和存储器模块内，存储器模块中存储的数据根据主控制器的调用指令传至主控制器内；主控制器根据接收到的无刷直流电机位置转速信号和电流信号，向功率开关管驱动模块输入六路PWM控制信号，功率开关管驱动模块将六路PWM控制信号处理后，控制三相全控桥模块工作；主控制器还连接有通讯模块。本发明可以广泛在油井井下工具中应用。

Description

一种井下无刷直流电机控制器

技术领域

本发明涉及一种电机控制器，特别是关于一种在油井井下工具中使用的井下无刷直流电机控制器。

背景技术

在井下，通常采用液压伸缩机构进行抽吸地层液体，液压油方向采用液压换向阀进行控制。电磁阀虽控制方便，但由于空间的限制，有可能电磁阀产生的力不足以推动阀芯，因此考虑采用机动液压阀。采用电机带动丝杠螺母得方式推动阀芯，经过减速带动丝杠转动，带动阀芯移动，实现控制液压阀。无刷直流电机以其可靠性高、可控性好、效率高、体积小、寿命长、过载强等优势，适应于井下恶劣的工作环境，被用于井下电动阀控制。但是，目前市场上现有的无刷直流电机控制器存在以下不足：1、尺寸比较大，不能满足井下钻杆内部空间要求条件。2、应用环境限制，不能适应井下高温高压强振动等恶劣工作环境，安全性和可靠性差。3、控制功能有限，需要针对井下控制系统需求进行重新配置，专用性差。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能有效提高井下电动阀控制系统安全性和稳定可靠性的井下无刷直流电机控制器。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种井下无刷直流电机控制器，其特征在于：它包括主电源、辅助电源、三相全控桥模块、功率开关管驱动模块、主控制器、无刷直流电机、检测电路模块、存储器模块和通讯模块；所述主电源输出端分别连接所述辅助电源和三相全控桥模块，所述辅助电源将所述主电源输出的高电压转换成低电压后，为所述功率开关管驱动模块和主控制器供电；所述三相全控桥模块经所述功率开关管驱动模块连接所述主控制器，根据所述主控制器传输至的指令将所述主电源输出的高电压经整流逆变后，输入至所述无刷直流电机的三相绕组；所述检测电路模块用于检测所述无刷直流电机的位置转速信号和电流信号，并将检测信号传输至所述主控制器和存储器模块内，所述存储器模块中存储的数据根据所述主控制器的调用指令，传输至所述主控制器内；所述主控制器根据接收到的所述无刷直流电机的位置转速信号和电流信号，向所述功率开关管驱动模块输入六路PWM控制信号，所述功率开关管驱动模块将六路PWM控制信号进行电平转换和功率放大后，控制所述三相全控桥模块工作；所述主控制器还连接有所述通讯模块。

所述主控制器包括ADC模块、电平变化捕捉模块、双闭环PID控制模块、PWM输出模块和通信控制单元；所述ADC模块连接所述检测电路模块，将所述检测电路模块滤波输出的稳定模拟信号进行模数转换，生成的电流数字量送入所述双闭环PID控制模块中；所述电平变化捕捉模块利用所述检测电路模块输出的霍尔传感器位置信号，判断当前所述无刷直流电机空间位置，并输出电机转速；所述双闭环PID控制模块利用所述ADC模块输出的电流值和电平变化捕捉模块输出的转速值，通过转速电流双闭环PID控制算法处理后，输出PWM控制信号；所述PWM输出模块利用所述双闭环PID控制模块输出的PWM控制信号，输出相应的六路PWM控制信号；所述通信控制单元内设置有CAN、UART、I2C、SPI通讯端口，用于通讯并与所述存储器模块中的数据进行传输。

所述检测电路模块包括霍尔传感器、采样电阻和信号处理器，所述霍尔传感器用于检测所述无刷直流电机的当前位置信号，并将检测到的位置信号输入所述信号处理器内；所述采样电阻用于检测所述无刷直流电机定子绕组电流信号，并将该电流信号传输至所述信号处理器内；所述信号处理器将位置转速信号和电流信号滤波放大处理后，输入至所述主控制器内。

所述三相全控桥模块由六个功率开关管组成三相桥式逆变器，所述六个功率开关管分别由所述主控制器输出的六路PWM控制信号控制其通断，最终输出电压至所述无刷直流电机的三相绕组U、V、W。

所述六个功率开关管均采用场效应管或IGBT。

所述通讯模块采用CAN通讯模块或RS232通讯模块。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用的井下无刷直流电机控制器包括主电源、辅助电源、三相全控桥模块、功率开关管驱动模块、主控制器、无刷直流电机、检测电路模块、存储器模块和通讯模块，其体积小，能够满足不能满足井下钻杆内部空间要求条件。2、本发明采用的井下无刷直流电机控制器在元器件选型上选用耐高温元器件，并在结构设计上和布局环节保证抗震抗压高散热效率等高标准要求，保证了运行时的安全性和环境可靠性。3、本发明的井下无刷直流电机控制器具有功能丰富、效率高、过载能力强等特点，实现了功能的完善性和系统的稳定性。本发明可以广泛在油井井下工具中应用。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的主控制器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括主电源1、辅助电源2、三相全控桥模块3、功率开关管驱动模块4、主控制器5、无刷直流电机6、检测电路模块7、存储器模块8和通讯模块9。

主电源1输出端分别连接辅助电源2和三相全控桥模块3，辅助电源2将主电源1输出的高电压转换成低电压（12V/5V/3.3V）后，为功率开关管驱动模块4和主控制器5供电，以防止主电源1直接供电导致功率开关管驱动模块4和主控制器5无法正常工作而损毁；三相全控桥模块3经功率开关管驱动模块4连接主控制器5，根据主控制器5传输至的指令将主电源1输出的高电压经整流逆变后，输入至无刷直流电机6的三相绕组。检测电路模块7用于检测无刷直流电机6的位置转速信号和电流信号，并将检测到的位置转速信号和电流信号传输至主控制器5和存储器模块8内存储，存储器模块8中存储的数据根据主控制器5的调用指令，传输至主控制器5内。主控制器5根据接收到的无刷直流电机6的位置转速信号和电流信号，向功率开关管驱动模块4输入六路PWM控制信号，功率开关管驱动模块4将主控制器5输出的六路PWM控制信号进行电平转换和功率放大，使得功率开关管驱动模块4输出的六路PWM控制信号控制三相全控桥模块3的工作，进而实现对无刷直流电机6三相绕组的定子磁场状态切换的控制。主控制器5还连接有通讯模块9，实现井下无刷直流电机控制器的通讯功能。

上述实施例中，三相全控桥模块3由六个功率开关管组成三相桥式逆变器，六个功率开关管分别由主控制器5输出的六路PWM控制信号控制其通断，最终输出电压至无刷直流电机6的三相绕组U、V、W。其中，六个功率开关管均采用场效应管或IGBT。

上述各实施例中，如图2所示，主控制器5包括ADC模块51、电平变化捕捉模块52、双闭环PID控制模块53、PWM输出模块54和通信控制单元55。ADC模块51连接检测电路模块7，将检测电路模块7滤波输出的稳定模拟信号进行高精度模拟数字转换，生成的电流数字量送入双闭环PID控制模块53中。电平变化捕捉模块52利用检测电路模块7输出的霍尔传感器位置信号，判断当前无刷直流电机6空间位置，并输出电机转速。双闭环PID控制模块53利用ADC模块51输出的电流值和电平变化捕捉模块输出的转速值，通过转速电流双闭环PID控制算法处理后，输出PWM控制信号。PWM输出模块54利用双闭环PID控制模块53输出的PWM控制信号，输出相应的六路PWM控制信号，该PWM信号包含无刷直流电机6三相绕组之间的导通次序和导通占空比信息，用于实现最终的逆变控制。通信控制单元55内设置有CAN、UART、I2C、SPI等通讯端口，分别与不同的模块进行通讯，以及与存储器模块8中的数据进行传输等，扩充了井下无刷直流电机控制器的功能。

上述各实施例中，检测电路模块7包括霍尔传感器、采样电阻和信号处理器，霍尔传感器用于检测无刷直流电机6的当前位置信号，并将检测到的位置信号输入信号处理器内。采样电阻用于检测无刷直流电机6定子绕组电流信号，并将该电流信号传输至信号处理器内。信号处理器将位置转速信号和电流信号滤波放大处理后，输入至主控制器5内。

上述各实施例中，通讯模块9可以采用CAN通讯模块，也可以采用RS232通讯模块。当通讯模块9采用CAN通讯模块时，用于对主控制器5内部CAN控制器输出的信号进行物理层协议的映射，实现井下无刷直流电机控制器的CAN网络通讯功能。当通讯模块9采用RS232通讯模块时，用于对主控制器5内部RS232控制器输出的信号进行物理层协议的映射，实现井下无刷直流电机控制器的RS232网络通讯功能。

综上所述，本发明在使用中，能够有效地完成井下无刷直流电机的功能控制，同时具有丰富的通讯功能和存储功能，满足井下电动阀的功能性需求；同时，发明设计的井下无刷直流电机控制器体积小、耐高温、耐高压、耐振动，适应于井下恶劣工作环境，满足井下电动阀的安全可靠性需求。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的连接和结构都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件的连接和结构进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种井下无刷直流电机控制器，其特征在于：它包括主电源、辅助电源、三相全控桥模块、功率开关管驱动模块、主控制器、无刷直流电机、检测电路模块、存储器模块和通讯模块；

所述主电源输出端分别连接所述辅助电源和三相全控桥模块，所述辅助电源将所述主电源输出的高电压转换成低电压后，为所述功率开关管驱动模块和主控制器供电；所述三相全控桥模块经所述功率开关管驱动模块连接所述主控制器，根据所述主控制器传输至的指令将所述主电源输出的高电压经整流逆变后，输入至所述无刷直流电机的三相绕组；所述检测电路模块用于检测所述无刷直流电机的位置转速信号和电流信号，并将检测信号传输至所述主控制器和存储器模块内，所述存储器模块中存储的数据根据所述主控制器的调用指令，传输至所述主控制器内；所述主控制器根据接收到的所述无刷直流电机的位置转速信号和电流信号，向所述功率开关管驱动模块输入六路PWM控制信号，所述功率开关管驱动模块将六路PWM控制信号进行电平转换和功率放大后，控制所述三相全控桥模块工作；所述主控制器还连接有所述通讯模块。

2.如权利要求1所述的一种井下无刷直流电机控制器，其特征在于：所述主控制器包括ADC模块、电平变化捕捉模块、双闭环PID控制模块、PWM输出模块和通信控制单元；所述ADC模块连接所述检测电路模块，将所述检测电路模块滤波输出的稳定模拟信号进行模数转换，生成的电流数字量送入所述双闭环PID控制模块中；所述电平变化捕捉模块利用所述检测电路模块输出的霍尔传感器位置信号，判断当前所述无刷直流电机空间位置，并输出电机转速；所述双闭环PID控制模块利用所述ADC模块输出的电流值和电平变化捕捉模块输出的转速值，通过转速电流双闭环PID控制算法处理后，输出PWM控制信号；所述PWM输出模块利用所述双闭环PID控制模块输出的PWM控制信号，输出相应的六路PWM控制信号；所述通信控制单元内设置有CAN、UART、I2C、SPI通讯端口，用于通讯并与所述存储器模块中的数据进行传输。

3.如权利要求1所述的一种井下无刷直流电机控制器，其特征在于：所述检测电路模块包括霍尔传感器、采样电阻和信号处理器，所述霍尔传感器用于检测所述无刷直流电机的当前位置信号，并将检测到的位置信号输入所述信号处理器内；所述采样电阻用于检测所述无刷直流电机定子绕组电流信号，并将该电流信号传输至所述信号处理器内；所述信号处理器将位置转速信号和电流信号滤波放大处理后，输入至所述主控制器内。

4.如权利要求2所述的一种井下无刷直流电机控制器，其特征在于：所述检测电路模块包括霍尔传感器、采样电阻和信号处理器，所述霍尔传感器用于检测所述无刷直流电机的当前位置信号，并将检测到的位置信号输入所述信号处理器内；所述采样电阻用于检测所述无刷直流电机定子绕组电流信号，并将该电流信号传输至所述信号处理器内；所述信号处理器将位置转速信号和电流信号滤波放大处理后，输入至所述主控制器内。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种井下无刷直流电机控制器，其特征在于：所述三相全控桥模块由六个功率开关管组成三相桥式逆变器，所述六个功率开关管分别由所述主控制器输出的六路PWM控制信号控制其通断，最终输出电压至所述无刷直流电机的三相绕组U、V、W。

6.如权利要求5所述的一种井下无刷直流电机控制器，其特征在于：所述六个功率开关管均采用场效应管或IGBT。

7.如权利要求1或2或3或4或6所述的一种井下无刷直流电机控制器，其特征在于：所述通讯模块采用CAN通讯模块或RS232通讯模块。

8.如权利要求5所述的一种井下无刷直流电机控制器，其特征在于：所述通讯模块采用CAN通讯模块或RS232通讯模块。