海洋油田FET井下交流电机控制系统的研究设计.doc

文档介绍：目录
设计总说明 I
Introduction IV
1
(FET) 1
FET简介 1
FET仪器工作过程 2
2
直接意义 2
行业意义 3
海洋油田FET井下交流电机控制系统 3
3
5
系统描述 5
方案研究 5
SPWM技术介绍 6
PWM技术优点 12
模块电路 12
12
PWM模块 14
CAN总线通讯模块 20
温度检测部分 29
电动机转速测量 33
系统实物图 37
38
38
43
51
附录A 系统原理图 52
附录B 系统代码 53
参考文献 74
致谢 75
海洋油田FET井下交流电机控制系统的研究设计
设计总说明
FET是在石油测井行业中广泛应用的一种仪器,它包含硬件和软件两部分。软件部分主要由上位PC机和相关参数显示界面组成。硬件部分是指深入到井下的仪器。井下仪器由电子控制短节(EA)、液压机械短节(MA)和传感器短节(SA)组成。在FET仪器的电子短节中,有一个三相异步交流电动机牵引着仪器部件完成泵抽、取样等相关动作。对这个电动机进行可靠控制,就显得尤为重要。
本文就FET井下交流电机的运行特点进行了分析,通过综合考虑,选用了一种当前比较流行的控制技术——正弦脉宽调制技术(SPWM)。SPWM(Sinusoidal PWM)技术是一种目前使用较广泛的PWM技术。其理论基础为:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等。通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值,从而实现电机的调速功能。
本系统的技术要求如下:
(1)生成三对互补的SPWM波,能够驱动三相IGBT逆变桥工作;
(2)使用CAN总线实现与上位机的通讯,能够将单片机测得的参数(电机转速、电机温度,IGBT内部温度)传送给上位机,并接收上位机发送的命令(电机的启、停,设定转速等);
(3)能够检测电机的温度,温度范围0~200℃;
(4)能够检测电机转速,检测范围为(1000RPM~3000RPM);
(5)能够检测IGBT的温度。
另外本系统要求工作在150℃高温环境下,故选用器件时必须考虑器件的耐高温性能。基于这些要求,本系统选用了Microchip公司生产的DSPIC30F6010A单片机作为系统的控制器。
SPWM的形成方法,目前主要有自然采样法、规则采样法等几种方法。本系统使用的是规则采样法,这种方法计算简单,适合在工程中应用。
本系统采用的是恒压频比(V/F)控制方式。设置电机的起转电压为5V,也即只有当电压高于5V时才开始给电机输出低频电压,并且随着转速的升高而逐渐增加电压,当转速到达额定值2000RPM时(),此时电压正好增加到额定电压值220V处,即使再增加转速,电压也将被限制在这一恒定值而不再增加。
本系统中通讯部分使用的是CAN总线,单片机内部集成有CAN模块。系统CAN波特率要求为100kHz。通过CAN总线与上位PC机进行数据交换的通信协议为发送ID为84H,接收ID为184H。C1TX0B1存放固定值8400H; C1TX0B2存放电机转速;C1TX0B3存放电机温度;C1TX0B4存放IGBT温度;给定转速格式为77XXH,即只有低8位二进制数有效。
本系统中电动机测速使用的是速度传感器。电机转动时,速度传感器可以产生微弱的脉冲信号,将得到的微弱脉冲进行放大整形,即可得到规则的脉冲信号,使用单片机通过对脉冲的计数就可以准确算出电动机转速。脉冲测速最典型的方法有测频率法(M法)和测周期法(T法)。M法是测量一定时间内的脉冲个数,通过计算得出脉冲频率,从而计算出转速。T法是测量两个脉冲之间的时间,从而计算得出频率。无论M法还是T法,最终都要计算脉冲频率。本系统使用的是T测速法。本系统测速电路使用了单片机的定时器2和输入捕获IC1管脚,通过设置相应寄存器,将定时器2的时基256分频。并且设置为每一个上升沿捕捉一次(脉冲由IC1管脚输入),每4次捕捉事件中断一次,这样每次中断可得到4个捕捉值,将相邻捕捉值相减,