一种控制装置和方法与流程

本发明涉及石油勘探领域，尤指一种控制装置和方法。

背景技术

在石油测井仪器中，地层测试器使用直流无刷电机为整只仪器提供液压动力，来保证仪器全部功能的实现。由于测井仪器长缆供电的限制，井下仪器需采用高压500v直流(directcurrent，简称dc)无刷电机，而现有的控制驱动技术高电压调速一直无法在井下实现，无法实现对高压500v直流无刷电机的调速。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种控制装置和方法，能够实现对高压500vdc直流无刷电机的调速。

为了达到本发明目的，第一方面，本发明提供了一种控制装置，应用于直流无刷电机，包括：通信模块、轴角变换模块、主控模块和高压驱动模块；其中：

所述通信模块，用于接收地层测试器发送的电机控制命令，所述电机控制命令包括所述直流无刷电机的预设转速，并将所述预设转速发送给所述主控模块；

所述轴角变换模块，用于获取所述直流无刷电机的转子位置，并将所述转子位置发送给所述主控模块；

所述主控模块，用于根据所述转子位置确定所述直流无刷电机的当前转速，将所述当前转速与所述预设转速比较，输出对应的驱动信号到所述高压驱动模块；

所述高压驱动模块，用于按照所述驱动信号对所述直流无刷电机的高压功率驱动，控制所述直流无刷电机的运转。

第二方面，本发明提供了一种控制方法，应用于直流无刷电机，包括：

接收地层测试器发送的电机控制命令，所述电机控制命令包括所述直流无刷电机的预设转速；

获取所述直流无刷电机的转子位置，根据所述转子位置确定所述直流无刷电机的当前转速；

将所述当前转速与所述预设转速比较，确定对应的驱动信号；

按照所述驱动信号对所述直流无刷电机的高压功率驱动，控制所述直流无刷电机的运转。

本发明实施例提供的控制装置和方法，主控模块根据通信模块发送的电机控制命令，以及轴角变换模块发送的直流无刷电机的转子位置，输出对应的驱动信号到高压驱动模块，高压驱动模块可直接与高压500vdc电源和直流无刷电机的三相绕组连接，根据主控模块输出的驱动信号完成对直流无刷电机三相绕组的高压功率驱动，实现对高压500vdc直流无刷电机的调速。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本发明实施例一提供的控制装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的控制装置的应用示意图；

图3为本发明实施例二提供的控制装置的结构示意图；

图4为本发明实施例二提供的控制装置的应用示意图；

图5为本发明实施例提供的控制方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图1为本发明实施例一提供的控制装置的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的控制装置，应用于直流无刷电机，包括：通信模块11、轴角变换模块12、主控模块13和高压驱动模块14。

具体的，如图1所示，通信模块11、轴角变换模块12、和高压驱动模块14均分别与主控模块13连接。

通信模块11，用于接收地层测试器发送的电机控制命令，电机控制命令包括直流无刷电机的预设转速，并将预设转速发送给主控模块13。

本实施例中，测井仪器地面上的主控模块将控制直流无刷电机的转向、起停和给定转速(预设转速)等电机控制命令发送给井下的地层测试器，地层测试器将接收的控制直流无刷电机的转向、起停和给定转速(预设转速)等电机控制命令通过rs485总线发送给本发明实施例提供的控制装置。具体的，通信模块11可以为rs485通信电路，通信模块11接收rs485总线上的电机控制命令，并将接收的电机控制命令发送给主控模块13。

需要说明的是，地层测试器是通过电缆下放到井中的测试设备，测试过程中，可以在地面连续记录到试验地层的各种数据。

轴角变换模块12，用于获取直流无刷电机的转子位置，并将转子位置发送给主控模块13。

其中，本实施例中直流无刷电机的转子位置指的是直流无刷电机的转子的转向角度(转子的轴角)。

本实施例中，轴角变换模块12接收直流无刷电机上旋转变压器反馈来的直流无刷电机的转子位置信号。具体的，旋转变压器输出的正/余弦信号经过轴角变换模块12后变成数字信号，通过数据总线送入主控模块，构成转子位置检测反馈通道，完成位置反馈、转子位置确定、速度测量等功能。

需要说明的是，旋转变压器输出的正/余弦信号，是根据直流无刷电机轴角的变化而反馈的不同的正/余弦信号。因此，基于旋转变压器输出的正/余弦信号可获得直流无刷电机的轴角。本发明实施例旋转变压器根据直流无刷电机轴角的变化而反馈的不同的正/余弦信号的实现原理与现有技术相同，本实施例在此不进行赘述。

主控模块13，用于根据转子位置确定直流无刷电机的当前转速，将当前转速与预设转速比较，输出对应的驱动信号到高压驱动模块14。

本实施例中，主控模块13通过对轴角变换模块12发送的数字信息解码，获取直流无刷电机的转子位置，以及根据获取的转子位置确定出直流无刷电机的当前转速。其中，主控模块13可以通过转子位置和转到该转子位置的时间确定出直流无刷电机的当前转速。比如，主控模块13可以记录每次接收的转子位置和该转子位置的接收时间，当接收到新的时刻转子位置时，采用公式(当前时刻转子位置-上一时刻转子位置)/(当前时刻值-上一时刻值)，可确定出直流无刷电机的当前转速。

需要说明的而是，主控模块13具体如何根据获取的转子位置确定出直流无刷电机的当前转速与现有技术中根据电机的转子位置确定出电机的转速的实现方法和实现原理相同，本实施例在此不进行赘述。

主控模块13将直流无刷电机的当前转速与预设转速比较，产生相应的驱动信号，输出六路脉冲宽度调制(pulsewidthmodulation，简称pwm)信号，发送给高压驱动模块14，以完成对直流无刷电机三相绕组的高压功率驱动。

可选的，主控模块13可由数字信号处理器(digitalsignalprocessing，简称dsp)主控芯片及外围的复位电路、供电电路及晶振电路构成。具体的，主控芯片可以为tms320f2812芯片。

可选的，主控模块13在执行电机控制命令的同时，监测直流无刷电机的转速、转向(正转或反转)、启停等状态信息，并把监测到的直流无刷电机的转速、转向、启停等状态信息发送给通信模块，通过通信模块传给地层测试器的上位机和测井仪器地面上的主控模块，以实现对直流无刷电机的转速、转向、启停等状态信息的实时监测。

高压驱动模块14，用于按照驱动信号对直流无刷电机的高压功率驱动，控制直流无刷电机的运转。

本实施例中，高压驱动模块14包括电驱动电路和逆变电路两个部分，逆变电路由三个半桥组成，主控模块13发来的六路pwm驱动信号加到半桥的控制端，来控制半桥功率管的导通与关断，完成对直流无刷电机三相绕组的高压功率驱动。其中，每两路pwm驱动信号加到一个半桥的控制端。

在实际应用中，图2为本发明实施例一提供的控制装置的应用示意图，如图2所示，本发明实施例提供的控制装置可放置于井下，使用外接的供电电源+12vdc电源和+5vdc电源分别给通信模块11和主控模块13供电，旋转变压器反馈的直流无刷电机的三组旋变信号接到轴角变换模块12，500vdc电源和直流无刷电机的三相绕组(相位_a、相位_b和相位_c)接到高压驱动模块14。通信模块11接收rs485总线上的电机控制命令，当主控模块13接收到电机控制命令后，根据轴角变换模块12发送的转子位置信号，获取直流无刷电机的转子位置，并根据获取的转子位置确定直流无刷电机的当前转速；主控模块13将当前转速与电机控制命令中的预设转速比较，输出对应的驱动信号到高压驱动模块14，调整直流无刷电机的转速，从而控制直流无刷电机的运转。

需要说明的是，本发明实施例直流无刷电机中的旋转变压器可以为线性旋转变压器，其通过exe+和exe-两个端口向轴角变换模块12反馈直流无刷电机的转子位置；直流无刷电机中的旋转变压器可以为正弦旋转变压器，其通过sin+和sin-两个端口向轴角变换模块12反馈直流无刷电机的转子位置；直流无刷电机中的旋转变压器可以为余弦旋转变压器，其通过cos+和cos-两个端口向轴角变换模块12反馈直流无刷电机的转子位置。

需要说明的是，在实际应用中，要注意直流无刷电机绕组和旋转变压器的布线，直流无刷电机绕组采用屏蔽线，单端接地；旋转变压器的三对线圈分别采用双绞线方式；rs485总线busa和busb采用双绞线方式，可提高抗干扰能力。通过采用特殊的地线分布和接法，降低了高压调速产生的高频干扰，降低了测井仪器地上的由大功率器件产生的噪声，保证测井仪器通信良好，从而确保本实施例提供的控制装置能够在测井仪器上应用，可以无干扰的获取测井仪器发送给地层测试器的电机控制命令。

需要说明的是，本发明实施例所涉及的高压指的是高电压，比如高压500vdc电源。

本发明实施例提供的控制装置，主控模块根据通信模块发送的电机控制命令，以及轴角变换模块发送的直流无刷电机的转子位置，输出对应的驱动信号到高压驱动模块，高压驱动模块可直接与高压500vdc电源和直流无刷电机的三相绕组连接，根据主控模块输出的驱动信号完成对直流无刷电机三相绕组的高压功率驱动，实现对高压500vdc直流无刷电机的调速。

进一步地，在上述实施例中，主控模块13将当前转速与预设转速比较，输出对应的驱动信号到高压驱动模块14，包括：

将当前转速与预设转速比较，确定当前转速和预设转速的差值；根据差值输出对应的驱动信号到高压驱动模块14。

本实施例中，主控模块13可以根据直流无刷电机的当前转速与预设转速的差值，实现对高压500vdc直流无刷电机的调速。具体的，在当前转速小于预设转速时，输出对应的提高输出频率的六路pwm信号到高压驱动模块14，提高高压驱动模块14中逆变模块的输出频率，从而提高高压500vdc直流无刷电机的转速；在当前转速大于预设转速时，输出对应的降低输出频率的六路pwm信号到高压驱动模块14，降低高压驱动模块14中逆变模块的输出频率，从而降低高压500vdc直流无刷电机的转速。其中，提高输出频率或降低输出频率的大小等于当前转速和预设转速的差值的绝对值。

可选的，主控模块13将直流无刷电机的当前转速与预设转速比较，通过复杂算法计算，输出对应的六路pwm信号到高压驱动模块14，改变高压驱动模块14中逆变模块的输出频率，可使直流无刷电机的转速稳速控制在50到3000转/分钟(revolutionsperminute，简称rpm)的范围内，实现直流500vdc电机从50到3000rpm的宽范围调速稳速，使地层测试器能够实现各种抽吸速度，能够适应各种地层的作业，满足从超低渗到高渗各种地层的测试，解决了现有技术中测井仪器无法测试低渗地层的问题和弊端。

图3为本发明实施例二提供的控制装置的结构示意图，如图3所示，在图1所示实施例的基础上，本发明实施例提供的控制装置，还包括：第一测量模块15。

具体的，第一测量模块15分别与主控模块13和高压驱动模块14连接。其中，第一测量模块15也可以称为电源电压及电流测量模块。

第一测量模块15，用于监测直流无刷电机的供电信息，并将供电信息发送给主控模块13和通信模块11；其中，供电信息包括：直流无刷电机的供电电流、供电电压和供电电源中的至少一种。

具体的，第一测量模块15可以采用隔离放大器采集直流无刷电机供电线上的电压，作为直流无刷电机的供电电压。采用隔离放大器采集直流无刷电机所处位置地上的电流，或直接采集直流无刷电机或高压驱动模块输出的电流，作为直流无刷电机的供电电流。采用隔离放大器采集直流无刷电机或高压驱动模块上加载的供电电源，作为直流无刷电机的供电电源。

主控模块13，还用于将供电电流与预设电流值比较，在供电电流大于或等于预设电流值时，控制直流无刷电机停止转动。

具体的，本实施例提供的控制装置还有过流保护功能，第一测量模块15用来测量直流无刷电机的高压供电的电流值，当主控模块13测量的电流值高于设定的最大电流时，使直流无刷电机停转，防止过流烧毁直流无刷电机绕组或控制装置中的高压驱动模块14。

需要说明的是，本实施例当主控模块13测量的电流值高于设定的最大电流时，使直流无刷电机停转具体可以为：当测量的电流值高于设定的最大电流时，主控模块13封锁六路pwm驱动信号的输出，高压驱动模块14中逆变模块的半桥功率管关断，使直流无刷电机停转。

进一步地，在上述实施例中，主控模块13，还用于将直流无刷电机的供电电流、供电电压和供电电源中的至少一种发送给通信模块11，以使通信模块11将直流无刷电机的供电电流、供电电压和供电电源中的至少一种反馈给地层测试器。

具体的，本实施例中主控模块13将获取的直流无刷电机的供电电流、供电电压和供电电源等供电信息发送给通信模块11，通信模块11通过rs485总线传给地层测试器和测井仪器地面上的主控模块，以实现对直流无刷电机的供电电流、供电电压和供电电源等供电信息的实时监测。

进一步地，如图3所示，在图1所示实施例的基础上，本发明实施例提供的控制装置，还包括：第二测量模块16。

具体的，第二测量模块16与主控模块13连接。其中，第二测量模块16也可以称为温度测量模块。

第二测量模块16，用于监测直流无刷电机的运行温度，并将运行温度发送给主控模块13。

具体的，本实施例中可预先在直流无刷电机上上设置温度传感器，第二测量模块16通过测量直流无刷电机上温度传感器的温度，以实时监控直流无刷电机的运行温度。

主控模块13，还用于将运行温度与预设温度值比较，在运行温度高于预设温度值时，控制直流无刷电机停止转动。

可选的，预设温度值为175度。

具体的，本发明实施例提供的控制装置还有过热保护功能，第二测量模块16用来测量直流无刷电机上温度传感器的运行温度，实时监控直流无刷电机的运行温度。当主控模块判断直流无刷电机的运行温度高于预设温度值(比如175度)时，使直流无刷电机停转，保护直流无刷电机不致于高温烧毁。

需要说明的是，本实施例当主控模块13判断直流无刷电机的运行温度高于预设温度值(比如175度)时，使直流无刷电机停转具体可以为：当判断直流无刷电机的运行温度高于预设温度值(比如175度)时，主控模块13封锁六路pwm驱动信号的输出，高压驱动模块14中逆变模块的半桥功率管关断，使直流无刷电机停转。

进一步地，在上述实施例中，主控模块13，还用于将第二测量模块16监测的直流无刷电机的运行温度发送给通信模块11，以使通信模块11将直流无刷电机的运行温度反馈给地层测试器。具体的，本实施例中主控模块13将获取的直流无刷电机的运行温度发送给通信模块11，通信模块11通过rs485总线传给地层测试器和测井仪器地面上的主控模块，以实现对直流无刷电机的运行温度的实时监测。

可选的，第二测量模块16，还用于监测控制装置的工作温度，比如，控制装置在工作时电路板的温度，并将监测的工作温度发送给主控模块13。相应地，主控模块13，还用将工作温度与预设温度值比较，在工作温度高于预设温度值时，控制控制装置停止工作。其中，预设温度值为175度。

具体的，本发明实施例提供的控制装置还有过热保护功能，第二测量模块16用来测量控制装置的工作温度，实时监控控制装置的工作温度。当主控模块判断控制装置的工作温度高于预设温度值(比如175度)时，使控制装置停止工作，保护控制装置不致于高温烧毁。

进一步地，在上述实施例中，主控模块13，还用于将第二测量模块16监测的控制装置的工作温度发送给通信模块11，以使通信模块11将控制装置的工作温度反馈给地层测试器。具体的，本实施例中主控模块13将获取的控制装置的工作温度发送给通信模块11，通信模块11通过rs485总线传给地层测试器和测井仪器地面上的主控模块，以实现对控制装置的工作温度的实时监测。

本发明实施例提供的控制装置，在上述实施例的基础上，主控模块可在预设温度值(比如175度)下，控制直流无刷电机的运转，可在高压500vdc高温175度下实现直流无刷电机的高压高温调速。

进一步地，如图3所示，在图1所示实施例的基础上，本发明实施例提供的控制装置，还包括：电源隔离模块17。

具体的，电源隔离模块17与高压驱动模块14连接。

电源隔离模块17，用于产生加载到高压驱动模块的隔离电源。

本实施例中，电源隔离模块17产生高压驱动模块14需要的六路隔离电源，保证强弱电的完全隔离，以增加整个高压驱动模块14的抗干扰能力。

可选的，电源隔离模块17可以为dc-dc电源隔离模块。其中，dc-dc表示的是将高压(低压)直流电源变换为低压(高压)直流电源。

在实际应用中，图4为本发明实施例二提供的控制装置的应用示意图，如图4所示，本发明实施例提供的控制装置可放置于井下，使用外接的供电电源+12vdc电源给通信模块11、轴角变换模块12、第二测量模块16和电源隔离模块17等模块供电，使用外接的供电电源+5vdc电源给主控模块13供电，旋转变压器反馈的直流无刷电机的三组旋变信号接到轴角变换模块12，500vdc电源和直流无刷电机的三相绕组(相位_a、相位_b和相位_c)接到高压驱动模块14，直流无刷电机的温度传感器接到第二测量模块16的输入脚。

通信模块11接收rs485总线上的电机控制命令，当主控模块13接收到电机控制命令后，根据轴角变换模块12发送的转子位置信号，获取直流无刷电机的转子位置，并根据获取的转子位置确定直流无刷电机的当前转速；主控模块13将当前转速与电机控制命令中的预设转速比较，输出对应的驱动信号到高压驱动模块14，调整直流无刷电机的转速，从而控制直流无刷电机的运转。

在直流无刷电机运行过程中，第一测量模块15监测直流无刷电机包括供电电流、供电电压和供电电源的供电信息，主控模块13将第一测量模块15监测的上述任一供电信息发送给通信模块11，通信模块11通过rs485总线传给地层测试器和测井仪器地面上的主控模块，以实现对直流无刷电机的供电电流、供电电压和供电电源等供电信息的实时监测。同时，主控模块13在判断第一测量模块15监测的直流无刷电机的电流值高于设定的最大电流时，使直流无刷电机停转，防止过流烧毁直流无刷电机绕组，具有过流保护功能。

在直流无刷电机运行过程中，第二测量模块16监测直流无刷电机的运行温度，主控模块13将第二测量模块16监测的直流无刷电机的运行温度发送给通信模块11，通信模块11通过rs485总线传给地层测试器和测井仪器地面上的主控模块，以实现对直流无刷电机的运行温度的实时监测。同时，主控模块13在判断第二测量模块16监测的直流无刷电机的运行温度高于预设温度值时，使直流无刷电机停转，保护直流无刷电机不致于高温烧毁，具有过热保护功能。

在加载电源时，通过电源隔离模块17产生高压驱动模块14需要的六路隔离电源，保证强弱电的完全隔离，以增加整个高压驱动模块14的抗干扰能力。

本发明实施例提供的控制装置，实现了高压500vdc高温175度50到3000rpm宽范围高电压调速和稳速，经过电源隔离模块和直流无刷电机绕组和旋转变压器的布线等软硬件处理，干扰小，在地层测试器上应用良好。

进一步地，在上述实施例中，本发明实施例提供的控制装置可应用在地层测试器中，通过控制装置中主控模块控制与直流无刷电机三相绕组连接的高压驱动模块，控制直流无刷电机的启动、停止和调速等控制，实现了直流无刷电机在液压系统中带载启动，且可智能化控制直流无刷电机转速，负载适应性强。

图5为本发明实施例提供的控制方法的流程图，如图5所示，本发明实施例提供的控制方法，应用于直流无刷电机，包括：

s501：接收地层测试器发送的电机控制命令，电机控制命令包括直流无刷电机的预设转速。

s502：获取直流无刷电机的转子位置，根据转子位置确定直流无刷电机的当前转速。

s503：将当前转速与预设转速比较，确定对应的驱动信号。

s504：按照驱动信号对直流无刷电机的高压功率驱动，控制直流无刷电机的运转。

本实施例中提供的控制方法的执行主体是图1所示的控制装置，其实现原理和实现效果类似，在此不再赘述。

进一步地，在上述实施例中，将所述当前转速与所述预设转速比较，确定对应的驱动信号，包括：

将所述当前转速与所述预设转速比较，确定所述当前转速和预设转速的差值；根据所述差值确定对应的驱动信号。

进一步地，在上述实施例中，本发明实施例提供的控制方法，还包括：

监测所述直流无刷电机的供电信息，所述供电信息包括：直流无刷电机的供电电流；

将所述供电电流与预设电流值比较，在所述供电电流大于或等于所述预设电流值时，控制所述直流无刷电机停止转动。

进一步地，在上述实施例中，本发明实施例提供的控制方法，还包括：

监测所述直流无刷电机的供电信息，所述供电信息包括：直流无刷电机的供电电流、供电电压和供电电源中的至少一种；

将所述直流无刷电机的供电电流、供电电压和供电电源中的至少一种反馈给所述地层测试器。

进一步地，在上述实施例中，本发明实施例提供的控制方法，还包括：

监测所述直流无刷电机的运行温度；

将所述运行温度与预设温度值比较，在所述运行温度高于所述预设温度值时，控制所述直流无刷电机停止转动。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于ram、rom、eeprom、闪存或其他存储器技术、cd-rom、数字多功能盘(dvd)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。