智能穩(wěn)壓司鉆開關(guān)控制器研制

席 棟，李 威，李繼宏，苑 華，原嘉麗；樊一江

（1.中國石油渤海石油裝備制造有限公司石油機械廠，河北任丘 062252；2.中石化寧波工程有限公司電控室，浙江寧波 315103）①

智能穩(wěn)壓司鉆開關(guān)控制器研制

席 棟1，李 威1，李繼宏1，苑 華1，原嘉麗1；樊一江2

（1.中國石油渤海石油裝備制造有限公司石油機械廠，河北任丘 062252；2.中石化寧波工程有限公司電控室，浙江寧波 315103）①

為解決石油鉆機用電磁渦流剎車輸出電壓受電源電壓影響波動較大、穩(wěn)定性差，輸出零位電壓高引起控制系統(tǒng)誤導(dǎo)通，輸出峰值電壓過高而燒毀晶閘管觸發(fā)控制器及輸出峰值電壓過造成低剎車力矩不足等問題，研制了智能穩(wěn)壓司鉆開關(guān)控制器，降低了設(shè)備故障率，提高了生產(chǎn)效率。

司鉆開關(guān)控制器；智能穩(wěn)壓；霍爾傳感器

石油鉆機用電磁渦流剎車在鉆機正常工作中起放鉆具及鉆機安裝過程中的起放井架等作業(yè)中起到重要的作用。司鉆開關(guān)控制器是電磁渦流剎車控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，安裝于司鉆操作房內(nèi)，司鉆通過操作司鉆開關(guān)控制器對電磁渦流剎車控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號，操控電磁渦流剎車。通常的司鉆開關(guān)控制器是由1個同軸變壓器組成，通過調(diào)整鐵芯在線圈里的位置實現(xiàn)對變壓器二次側(cè)輸出電壓的調(diào)整和控制。但在使用中出現(xiàn)：輸出信號受電源波動影響較大；零位電壓不能達到絕對0，對觸發(fā)電路造成影響；輸出高位電壓不易準(zhǔn)確控制，容易出現(xiàn)超出± 10%電壓范圍輸出信號，造成晶閘管觸發(fā)電路燒毀故障等問題。研制的智能穩(wěn)壓司鉆控制器能夠很好地解決以上問題。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能穩(wěn)壓司鉆開關(guān)控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示，由手柄、手柄軸、信號發(fā)生器定位架、信號發(fā)生器、霍爾傳感器、司鉆開關(guān)支架、電壓調(diào)制控制器、接線端子、筒體等組成。

1） 工作原理 信號發(fā)生器安裝于定位架上與霍爾傳感器相對安裝。信號發(fā)生器產(chǎn)生磁信號，司鉆開關(guān)支架里有1個感應(yīng)磁力線大小的線性霍爾傳感器，3根線分別連在霍爾傳感器的3個腳上，分別為正極、負極、信號端子。定位架隨手柄在0～90°角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，霍爾傳感器感應(yīng)到信號發(fā)生器的磁力信號，對外輸出與手柄旋轉(zhuǎn)角度成比例的線性控制信號，電壓調(diào)制控制器根據(jù)接收到的控制信號，對外輸出0～18 V直流控制電壓信號。電壓調(diào)制控制器經(jīng)開關(guān)穩(wěn)壓電源調(diào)制成5、18 V2級電壓，為下級電路供電；霍爾傳感器發(fā)來的控制信號經(jīng)多諧振蕩器調(diào)制處理成具有一定頻率的方波信號后，提供至信號差分比較器，與輸出端電壓采樣負反饋信號進行電壓比較自動調(diào)控；比較器發(fā)出的方波信號使MOS管驅(qū)動電路對MOS管柵極發(fā)出控制信號，驅(qū)動MOS管調(diào)整導(dǎo)通狀態(tài)，實現(xiàn)司鉆開關(guān)對外輸出0～18 V精確線性可調(diào)電壓信號。為適應(yīng)不同負載，在輸出電壓信號兩端并聯(lián)有負載保護電路。

2） 設(shè)計特點 電壓調(diào)制電路采用寬電壓范圍開關(guān)電源設(shè)計，可以在85～264 V，47～63 Hz的供電電源下工作，可以保證控制回路正常穩(wěn)定地工作，帶電壓負反饋功能、自動調(diào)整、精確控制輸出電壓在0～18 V。采用線性霍爾傳感器檢測信號發(fā)生器磁力線變化，實現(xiàn)控制信號隨手柄旋轉(zhuǎn)角度呈線性變化、無磨損檢測。

圖1 智能穩(wěn)壓司鉆開關(guān)控制器結(jié)構(gòu)

2 電路設(shè)計

智能穩(wěn)壓司鉆開關(guān)控制器的電路原理如圖2所示，主要包括：開關(guān)穩(wěn)壓電源電路、線性霍爾傳感器、多諧振蕩器、信號差分比較器、MOS管驅(qū)動電路、MOS管開關(guān)電路、電壓采樣負反饋電路、負載保護電路。

1） 開關(guān)穩(wěn)壓電源 由變壓器、全橋整流電路、濾波電路、LM7818穩(wěn)壓電路、LM7805穩(wěn)壓電路組成雙電壓輸出開關(guān)電源電路。

圖2 智能穩(wěn)壓司鉆開關(guān)控制器的電路原理

2） 霍爾傳感器 采用A3516寬溫度范圍線性霍爾效應(yīng)傳感器［1］，該傳感器具有高靈敏度、溫度性能穩(wěn)定的特點。其輸出電壓與所施加的磁場強度成正比，可將磁場變化轉(zhuǎn)換為0.2～4.8 V線性電壓信號，為多諧振蕩電路提供信號。A3516的工作環(huán)境溫度為-40～150℃，輸出靈敏度為2.5 m V／G。引腳及內(nèi)部原理如圖3～4所示。

圖3 引腳

圖4 內(nèi)部原理

3） 多諧振蕩器 設(shè)計為采用NE555模塊組成的多諧振蕩器［2］電路，其引腳排列及內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖5。NE555為時基電路，采用DIP雙列直插8引腳與SOP8小型（SMP）2種封裝形式，Vcc為4. 5～16 V，極限電源電壓為18 V。

4） 信號差分比較器 設(shè)計采用LM339四路差分比較器模塊組成的電壓負反饋電路、單限比較器電路［2］。LM339集成塊內(nèi)部裝有4個獨立的電壓比較器，可以方便地組成各種電壓比較器電路和振蕩器電路，采用C-14型封裝。

圖5 NE555引腳排列及內(nèi)部框圖

5） MOS管驅(qū)動器及保護電路［3］在應(yīng)用MOS管和設(shè)計MOS管驅(qū)動的時候，有很多寄生參數(shù)，其中最影響MOS管開關(guān)性能的是源邊感抗。采用2SC8050晶體管組成的推挽型MOS管驅(qū)動器及保護電路受電壓比較器脈沖信號控制，如圖6。為了成本考慮，采用NPN管子的輸出級電路。NPN管子只能承受單向電流，高邊的管子輸出電流，低邊的管子吸收電流。在開啟和關(guān)閉的時候，不可避免的源邊感抗和輸入電容之間的振蕩，使得電流需要上下2個方向都有通路，為了提供1條方向通路，低電壓的肖特基二極管可以用來保護驅(qū)動器的輸出級，這里注意這2個管子并不能保護MOS管的輸入級（離MOS管較遠），因此二極管需要離驅(qū)動器引腳非常近。

圖6 MOS管驅(qū)動器及保護電器

6） 負載保護電路 采用ISS52晶體二極管并聯(lián)在輸出極兩端，以便對感性負載提供保護。

3 結(jié)語

本文設(shè)計的智能穩(wěn)壓司鉆開關(guān)控制器，可以完成對石油鉆機用電磁渦流剎車的司鉆開關(guān)實施電壓負反饋自動控制，解決輸出電壓受電源電壓影響波動較大、穩(wěn)定性差、輸出零位電壓高引起控制系統(tǒng)誤導(dǎo)通，輸出峰值電壓過高燒毀晶閘管觸發(fā)控制器及輸出峰值電壓過低造成剎車力矩不足等問題?？垢蓴_能力強，降低了設(shè)備故障率，提高了生產(chǎn)效率。該裝置有良好的通用性和可靠性，經(jīng)現(xiàn)場試用，用戶反映良好。

［1］ 劉暢生，寇寶明，鐘龍.霍爾傳感器實用手冊［J］.北京：中國電力出版社，2009.

［2］ 何書森.何華斌.實用電子電路設(shè)計速成［M］.福州：福建科技出版社，2005.

［3］ 吳丙申，卞祖富.模擬電路基礎(chǔ)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2009.

Design and Manufacturing of Smart Voltage-stabilized Driller Switch Controller

An intelligent driller switch controller is mainly designed and used for the solution of large voltage fluctuation and bad reliability of output voltage，and the solution of control system misleading caused by high output zero voltage，and the burning of Thyristor trigger controller caused by high and low peak output voltage，and insufficiency of breaking torque.The intelligent driller switch controller lowers equipment failure and increases productivity.

driller switch controller；smart voltage-stabilization；hall sensor

TE923

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.09.028

1001-3482（2014）09-0102-03

2013-12-19

席 棟（1972-），男，山東青島人，工程師，主要從事石油鉆采機械及控制電路研究，E-mail：hbsjxid＠163.com。