【導(dǎo)讀】車而完成整個(gè)下鉆作業(yè)。電磁剎車無(wú)摩擦、使用簡(jiǎn)便、維護(hù)工作量小,低速仍有較大制。動(dòng)轉(zhuǎn)矩,是石油鉆機(jī)理想的輔助剎車。然而,電磁剎車的制動(dòng)力矩與定子勵(lì)磁電流有關(guān),如果失去勵(lì)磁電流,電剎車的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩將為零,這在下鉆作業(yè)中是不允許的。物,重者可導(dǎo)致井毀人亡。因此,在使用電磁剎車時(shí),一套安全可靠的勵(lì)磁電源是至關(guān)重。在國(guó)外一些大石油公司的鉆井安全操作條例中,明文規(guī)定,當(dāng)電磁剎車的勵(lì)磁電源。缺少可靠的保證時(shí),不得投入使用。流電機(jī),勵(lì)磁電流在定子線圈中產(chǎn)生恒定磁場(chǎng),轉(zhuǎn)子在外力拖動(dòng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)和渦流,

　　

【正文】 O RB3還可以作為低電壓變成輸入端 RB4 25 37 I/O RB4還具有電平變化中斷功能 RB5 26 38 I/O RB5還具有電平變化中斷功能 RB6/PGC 27 39 I/O RB6 還具有電平變化中斷功能，兼在線調(diào)試輸入端和串行編程時(shí)鐘輸入端 RB7/PGD 28 40 I/O RB7 還具有電平變化中斷功能，兼在線調(diào)試輸入端和串行編程數(shù)據(jù)輸入端 基本功能： RC 是一個(gè)輸入 /輸出可編程的雙向端口。此外還有第 第 3功能 RC0/TIOSO/TICKI 11 15 I/O RC0還可以用作定時(shí)器 1的振蕩器輸入端或時(shí)鐘輸出端 RC1/TIOS1/CCP2 12 16 I/O RC1 還可以用作定時(shí)器 1 的振蕩器輸出端 RC2/CCP1 13 17 I/O RC2 還可以用作捕捉器 1 輸入端 RC3/SCK/SCL 14 18 I/O RC3 還可以作為 SPI 和 IC 串口的同步時(shí)鐘輸入和輸出端 RC4/SDI/SDA 15 23 I/O RC4 還可以作為 SPI 串口的數(shù)據(jù)輸入和 IC串口的數(shù)據(jù)輸入 /輸出端 RC5/SDO 16 24 I/O RC5 還可以作為 SPI 串口的數(shù) 據(jù)輸出端 RC6/TX/CK 17 25 I/O RC6 還可以作為通用同步異步收發(fā)器的全 27 雙工異步發(fā)送腳 ,半雙工同步傳輸?shù)臅r(shí)鐘腳 基本功能： RD 端口是一個(gè)輸入 /輸出可編程的雙向端口；此外全部引腳有第 2功能 RD0RD7 無(wú) 19,22 I/O 可作為從動(dòng)并行端口與其它微處理總線連接 PSP0PSP7 無(wú) 27,30 I/O 可作為從動(dòng)并行端口與其它微處理總線連接 基本功能：是一個(gè)輸入輸出可編程的雙向 3 線端口；此外全部引腳都有第 第 3功能 RE0/RD/AN5 無(wú) 8 I/O RE0 還可作并口讀 出控制線或者模擬輸入通道 5 RE1/WR/AN6 無(wú) 9 I/O RE1 還可作并口寫入控制線或者模擬輸入通道 6 RE2/CS/AN7 無(wú) 10 I/O RE2 還可作并口片選控制線或者模擬輸入通道 7 VSS 819 12,31 P 接地端 VDD 20 11,32 P 正電源端 考慮到本控制器需要的資源以及上述 PIC 單片機(jī)的介紹，我們選用 PIC16F877 做主控芯片，該單片機(jī)性價(jià)比較高。它內(nèi)部帶有 368 字節(jié)的 RAM,其程序存儲(chǔ)器的容量是 8K有三個(gè)內(nèi)部定時(shí)器和計(jì)數(shù)器，一個(gè)串行通信接口，看門狗定時(shí)器等 。有 256 個(gè)字節(jié)的EZPROM 可存儲(chǔ)程序運(yùn)行時(shí)設(shè)置的參數(shù)。本控制器 PIC16F877 單片機(jī)的引腳圖 如圖 所示。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 28 圖 PIC16F877 單片機(jī)的引腳圖 控制電路的外圍模塊 LM339 集成塊內(nèi)部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，該電壓比較器的特點(diǎn)是： （ 1）失調(diào)電壓小，典型值為 2mV； （ 2）電源電壓范圍寬，單電源為 236V，雙電源電壓為177。 1V177。 18V （ 3）對(duì)比較信號(hào)源的內(nèi)阻限制較寬； （ 4）共模范圍很大，為 0（ ） Vo； （ 5）差動(dòng)輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓； （ 6）輸出端電位可靈活方便地選用。 LM339 集成塊采用 C14 型封裝，圖 為外型及管腳排列圖。由于 LM339 使用靈活，應(yīng)用廣泛，所以世界上各大 IC 生產(chǎn)廠、公司竟相推出自己的四比較器，如 IR233ANI33 SF339 等，它們的參數(shù)基本一致，可互換使用。 LM339 類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端，用“ +”表示，另一個(gè)稱為反相輸入端，用“ ”表示。用作比較兩個(gè)電壓時(shí) ，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇 LM339 輸入共模范圍的任何一點(diǎn)），另一端加一個(gè)待比較的信號(hào)電壓。當(dāng)“ +”端電壓高于“ ”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。當(dāng)“ ”端電壓高于“ +”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個(gè)輸入端電壓差別大于 10mV 就能確保輸 29 圖 LM339 集成塊外型及管腳排列圖 出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把 LM339 用在弱信號(hào)檢測(cè)等場(chǎng)合是比較理想的。 LM339 的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時(shí)輸出端到正電源 一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選 315K）。選不同阻值的上拉電阻會(huì)影響輸出端高電位的值。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體三極管截止時(shí)，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。 圖 。輸入信號(hào) Uin，即待比較電壓，加到同相輸入端，在反相輸入端接一個(gè)參考電壓（門限電平） Ur。當(dāng)輸入電壓 UinUr 時(shí)，輸出為高電平 UOH。圖 為其傳輸特性。 圖 比較器及其其傳輸特性 同步電路 所謂同步 ,就是通過供 給各觸發(fā)電路不同相位的交流電壓 ,使得各觸發(fā)器在晶閘管需要觸發(fā)脈沖的時(shí)刻輸出脈沖，從而保證各晶閘管可以按順序獲得觸發(fā)。這種使觸發(fā)電路與主電路晶閘管工作上步調(diào)一致的方法就稱為同步。使觸發(fā)電路與主電路工作同步并能在規(guī)定范圍內(nèi)進(jìn)行移項(xiàng)控制的信號(hào)電壓稱為同步電壓。為按照一定的順序觸發(fā)可控硅 ,該觸發(fā)器設(shè)置有三相同步信號(hào) (加上各自反相共六相 )。三相交流電壓分別加到 3個(gè)過零比較器 ,分別產(chǎn)生三相 50Hz 方波信號(hào)。為保證當(dāng) A=0 時(shí)在自然換流點(diǎn)觸發(fā) ,同步信號(hào)必須滯后交流電壓波形 30176。在電路中 ,A相的同步信號(hào)采用 AC 相線電壓產(chǎn)生 的方波。在相位上自然有 30176。的相位差 ,滿足了觸發(fā)相位的要求。同理 ,B相的同步信號(hào)采用 BA相 ,C蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 30 相的同步信號(hào)采用 CB 相。下圖為同步電路 ,同步信號(hào)取自三相交流電源的 +A相 ,經(jīng)過變壓器在副邊輸出系統(tǒng)所需電壓值 ,通過運(yùn)算放大器 LM339 使得在輸入電壓每次過零時(shí)運(yùn)放輸出一個(gè)矩形波 ,輸送到 PIC 單片機(jī) PORTB 端口 RB0口引腳中。利用 RB端口電平變化中斷的特點(diǎn) ,在 RB0 端口出現(xiàn)上升沿時(shí)可產(chǎn)生中斷。在 RB0 端口中斷服務(wù)程序中啟動(dòng) PIC單片機(jī)內(nèi)部 A/D 采樣移相控制信號(hào) ,根據(jù) A/D 的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)計(jì)算觸發(fā)角а。 圖 35 同步電路 移相觸發(fā) 司鉆開關(guān)將 220V 的相電壓降為 024V 可調(diào)交流電壓再經(jīng)過整流電路、濾波電路、RP1 分壓以及 R3 分流進(jìn)入單片機(jī)。司鉆開關(guān)通過調(diào)節(jié) RA0 口輸入電壓，來改變 A/D 轉(zhuǎn)換的值。具體電路圖如 下 ： 圖 36 A/D 轉(zhuǎn)換外圍電路（ 司鉆給定） 當(dāng)司鉆調(diào)到最大 +24V 時(shí)，調(diào)節(jié)偏移電位器 RP1，使其輸出為 5V,從而實(shí)現(xiàn)司鉆開關(guān)的調(diào)節(jié)功能。 31 隔離首先可把外來的干擾信道切斷，達(dá)到隔離現(xiàn)場(chǎng)干擾的目的；其次可將兩條信號(hào)線隔開，使彼此之間的串繞盡可能減小。常用的隔離方式有光電隔離、變壓器隔離、繼電器隔離和布線隔離等。 （ 1） 光電隔離：由光電耦合器件來完成，以光為自載體進(jìn)行信號(hào)傳輸，具有較高的電氣隔離和干擾抑制能力。 （ 2） 磁隔離：將微弱信號(hào)電路予以產(chǎn)生噪聲污染的電路分開布線，信號(hào)線與強(qiáng)電控制線、電源線分開走線，相互間要保持一定距離。配線時(shí)應(yīng)以數(shù)字、模擬、功率等區(qū)域劃分，以減小彼此之間的電磁干擾 。 為了避免由于系統(tǒng)和外電路直接連接而造成的干擾，單片機(jī)系統(tǒng)一般要和外電路彼此隔離開。隔離的方法采用常規(guī)的磁隔離方法。 線性信號(hào)的磁隔離主要是利用隔離變壓器構(gòu)成的。放大器的輸入端和輸出端之間用變壓器隔開，它們有各自的供電回路，因此彼此之間是隔離的。輸入信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算放大器放大后，被調(diào)制成交流信號(hào)，并通過隔離變壓器中的交變磁場(chǎng)由初級(jí)耦合到次級(jí)。在次級(jí)，解調(diào)器把信號(hào)解調(diào)出來后通過輸出運(yùn)算放大器輸出。變壓器耦合隔離放大器，主要用于模擬信號(hào)的隔離。 在實(shí)際應(yīng)用中，單片機(jī)系統(tǒng)通常要接 受一些數(shù)字信號(hào)（如計(jì)數(shù)脈沖），而在外部進(jìn)行控制時(shí)，也常要送出一些控制脈沖信號(hào)（如晶閘管觸發(fā)脈沖）。脈沖信號(hào)可通過脈沖變壓器隔離傳送。 脈沖驅(qū)動(dòng)電路包括脈沖放大器 (場(chǎng)效應(yīng)管 )和脈沖變壓器。當(dāng) PORTC 端口輸出脈沖鏈信號(hào)時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，脈沖變壓器原邊得到 +24V 電源電壓，副邊得到的信號(hào)為 +10V 尖峰脈沖，它可以用作晶閘管的強(qiáng)觸發(fā)脈沖，加快其導(dǎo)通速度，從而提高了觸發(fā)的可靠性。而后脈沖變壓器的副邊得到持續(xù)的幅度較低 (+)的高頻調(diào)制脈沖，繼續(xù)給晶閘管提供觸發(fā)脈沖，以提高電流斷續(xù)時(shí)晶閘管工作的穩(wěn)定性，同 時(shí)可以降低驅(qū)動(dòng)電路的功率等級(jí)。由于采用脈沖鏈形式，避免了脈沖變壓器的直流磁化，同時(shí)降低了驅(qū)動(dòng)電流。脈沖隔離電路如下圖示： 圖 脈沖隔離電路 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 32 單片機(jī)控制器的軟件設(shè)計(jì) 該控制器使用 PIC 的匯編語(yǔ)言編程，整個(gè)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)分主程序模塊和幾個(gè)子程序模塊。它們是 : 主程序模塊 A/D 轉(zhuǎn)換子程序 中斷（ 同步信號(hào)檢測(cè)）子程序 觸發(fā)脈沖子程序 故障處理子程序 主程序流程框圖所示： 主程序的工作是對(duì)各個(gè)功能模塊的子程序不斷進(jìn)行循環(huán)調(diào)用，從而完成整個(gè)系統(tǒng)的工作。其各個(gè)子程序功能模塊工作過程描述如下： （ 1）系統(tǒng)初始化：對(duì)系統(tǒng) I/O 口進(jìn)行設(shè)置，將 PORTC、 PORTD 設(shè)置為輸出口，將PORTA、 PORTB、 PORTE 端口設(shè)為輸入口。設(shè)置 A/D 轉(zhuǎn)換為 8 分頻采用右對(duì)齊一個(gè) A/D 輸 33 入通道，允許外部引腳產(chǎn)生中斷，開放中斷使能位，將內(nèi)部定時(shí)器 TMR1 設(shè)置為關(guān)閉，不采用分頻。 （ 2） A/D 轉(zhuǎn)換子程序：主程序調(diào)用運(yùn)行 A/D 轉(zhuǎn)換子程序，首先啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換，為了使轉(zhuǎn)換結(jié)果精確，等待 A/D 轉(zhuǎn)換 8 次以后 ，求平均值作為 A/D 結(jié)果。 （ 3）故障處理子程序：當(dāng)輸出電流超過 085A 的范圍以后，主程序判斷為有故障，進(jìn)行故障處理 （ 4）中斷子程序：當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)執(zhí)行該程序。發(fā)生中斷時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)器 TMR1，定時(shí)器 TMR1 溢出時(shí)，向晶閘管發(fā)觸發(fā)脈沖。 各子程序流程圖件下頁(yè)： A/D 轉(zhuǎn)換子程序 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 34 脈沖觸發(fā)子程序返回RC 4，RC 5端口清　零，延時(shí)10 176。RC 5，RC 0端口置１，延時(shí)50 176。RC 3，RC 4端口置１，延時(shí)50 176。RC 2，RC 3端口置１，延時(shí)50 176。RC 0，RC 1端口置１，延時(shí)50 176。RC 1，RC 2端口置１，延時(shí)50 176。RC 0，RC 1端口清　零，延時(shí)10 176。RC 1，RC 2端口清　零，延時(shí)10 176。RC 2，RC 3端口清　零，延時(shí)10 176。RC 3，RC 4端口清　零，延時(shí)10 176。RC 4，RC 5端口置１，延時(shí)50 176。RC 5，RC 0端口清　零，延時(shí)10 176。 初始化子程序返回定時(shí)器ＴＭＲ１　初始化RＢ0端口上升沿　中斷初始化初始化Ｉ／Ｏ口初始化Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換 A/D 轉(zhuǎn)換器能將一個(gè)模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的 8 位數(shù)字信號(hào)。采樣保持輸出是轉(zhuǎn)換器的輸入， A/D 轉(zhuǎn)換器采用逐次逼近法產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)果。通過軟件設(shè)置，模擬參考電壓可以選擇為器件的正向電源電壓 (VDD)或 AN3/VREF 引腳上的電平。 A/D 轉(zhuǎn)換器具備可在休眠狀態(tài)下工作的獨(dú)特特性。 A/D 轉(zhuǎn)換器有 3 個(gè)寄存器，它們是： 35 A/D 結(jié)果寄 存器 (ADRES) A/D 控制寄存器 0(ADCON0) A/D 控制寄存器 1(ADCON1) ADCON0 寄存器，如圖 36 所示，控制 A/D 模塊的操作。 ADCON1 寄存器，如圖 37所示，可對(duì)端口的引腳功能進(jìn)行配置。這些端口可被配置成模擬輸入 (或作為參考電壓 )或數(shù)字 I/O 口。 圖 3— 6 基本型 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖 ADRES 寄存器中保存了 A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果。當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換完成之后，轉(zhuǎn)換結(jié)果被載入ADRES 寄存器， GO/DONE(ADCON02)位被清零，且 A/D 中斷標(biāo)志位 ADIF 置 1。 A/D模塊的結(jié) 構(gòu)框圖見圖 221。當(dāng)配置好 A/D 模塊后，在啟動(dòng)轉(zhuǎn)換前必須先選擇 A/D 轉(zhuǎn)換的通道。模擬輸入通道的相應(yīng) TRIS 位必須設(shè)置為輸入。采集時(shí)間（ acquisition time）的確定參見“ A/D 采集時(shí)間要求”小節(jié)。在這一采集時(shí)間過去之后， A/D 轉(zhuǎn)換即可開始。按照以下步驟進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換： （ 1）配置 A/D 模塊 對(duì)模擬引腳 /參考電壓 /數(shù)字 I/O(ADCON1)進(jìn)行配置 （ 2）需要時(shí)，設(shè)置 A/D 中斷 ,將