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

　　

【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還可以用作定時器 1的振蕩器輸入端或時鐘輸出端 RC1/TIOS1/CCP2 12 16 I/O RC1 還可以用作定時器 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鐘腳 基本功能： RD 端口是一個輸入 /輸出可編程的雙向端口；此外全部引腳有第 2功能 RD0RD7 無 19,22 I/O 可作為從動并行端口與其它微處理總線連接 PSP0PSP7 無 27,30 I/O 可作為從動并行端口與其它微處理總線連接 基本功能：是一個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 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 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 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 單片機的介紹，我們選用 PIC16F877 做主控芯片，該單片機性價比較高。它內(nèi)部帶有 368 字節(jié)的 RAM,其程序存儲器的容量是 8K有三個內(nèi)部定時器和計數(shù)器，一個串行通信接口，看門狗定時器等 。有 256 個字節(jié)的EZPROM 可存儲程序運行時設(shè)置的參數(shù)。本控制器 PIC16F877 單片機的引腳圖 如圖 所示。 蘭州理工大學畢業(yè)設(shè)計說明書 28 圖 PIC16F877 單片機的引腳圖 控制電路的外圍模塊 LM339 集成塊內(nèi)部裝有四個獨立的電壓比較器，該電壓比較器的特點是： （ 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）對比較信號源的內(nèi)阻限制較寬； （ 4）共模范圍很大，為 0（ ） Vo； （ 5）差動輸入電壓范圍較大，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)的運算放大器。每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端一個稱為同相輸入端，用“ +”表示，另一個稱為反相輸入端，用“ ”表示。用作比較兩個電壓時 ，任意一個輸入端加一個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），另一端加一個待比較的信號電壓。當“ +”端電壓高于“ ”端時，輸出管截止，相當于輸出端開路。當“ ”端電壓高于“ +”端時，輸出管飽和，相當于輸出端接低電位。兩個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 用在弱信號檢測等場合是比較理想的。 LM339 的輸出端相當于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時輸出端到正電源 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影響輸出端高電位的值。因為當輸出晶體三極管截止時，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。 圖 。輸入信號 Uin，即待比較電壓，加到同相輸入端，在反相輸入端接一個參考電壓（門限電平） Ur。當輸入電壓 UinUr 時，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)進行移項控制的信號電壓稱為同步電壓。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 (加上各自反相共六相 )。三相交流電壓分別加到 3個過零比較器 ,分別產(chǎn)生三相 50Hz 方波信號。為保證當 A=0 時在自然換流點觸發(fā) ,同步信號必須滯后交流電壓波形 30176。在電路中 ,A相的同步信號采用 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相的同步信號采用 BA相 ,C蘭州理工大學畢業(yè)設(shè)計說明書 30 相的同步信號采用 CB 相。下圖為同步電路 ,同步信號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 ,通過運算放大器 LM339 使得在輸入電壓每次過零時運放輸出一個矩形波 ,輸送到 PIC 單片機 PORTB 端口 RB0口引腳中。利用 RB端口電平變化中斷的特點 ,在 RB0 端口出現(xiàn)上升沿時可產(chǎn)生中斷。在 RB0 端口中斷服務(wù)程序中啟動 PIC單片機內(nèi)部 A/D 采樣移相控制信號 ,根據(jù) A/D 的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)計算觸發(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 分流進入單片機。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） 當司鉆調(diào)到最大 +24V 時，調(diào)節(jié)偏移電位器 RP1，使其輸出為 5V,從而實現(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，達到隔離現(xiàn)場干擾的目的；其次可將兩條信號線隔開，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，以光為自載體進行信號傳輸，具有較高的電氣隔離和干擾抑制能力。 （ 2） 磁隔離：將微弱信號電路予以產(chǎn)生噪聲污染的電路分開布線，信號線與強電控制線、電源線分開走線，相互間要保持一定距離。配線時應(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。輸入信號經(jīng)過運算放大器放大后，被調(diào)制成交流信號，并通過隔離變壓器中的交變磁場由初級耦合到次級。在次級，解調(diào)器把信號解調(diào)出來后通過輸出運算放大器輸出。變壓器耦合隔離放大器，主要用于模擬信號的隔離。 在實際應(yīng)用中，單片機系統(tǒng)通常要接 受一些數(shù)字信號（如計數(shù)脈沖），而在外部進行控制時，也常要送出一些控制脈沖信號（如晶閘管觸發(fā)脈沖）。脈沖信號可通過脈沖變壓器隔離傳送。 脈沖驅(qū)動電路包括脈沖放大器 (場效應(yīng)管 )和脈沖變壓器。當 PORTC 端口輸出脈沖鏈信號時，場效應(yīng)管進入導通狀態(tài)，脈沖變壓器原邊得到 +24V 電源電壓，副邊得到的信號為 +10V 尖峰脈沖，它可以用作晶閘管的強觸發(fā)脈沖，加快其導通速度，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)時晶閘管工作的穩(wěn)定性，同 時可以降低驅(qū)動電路的功率等級。由于采用脈沖鏈形式，避免了脈沖變壓器的直流磁化，同時降低了驅(qū)動電流。脈沖隔離電路如下圖示： 圖 脈沖隔離電路 蘭州理工大學畢業(yè)設(shè)計說明書 32 單片機控制器的軟件設(shè)計 該控制器使用 PIC 的匯編語言編程，整個系統(tǒng)程序設(shè)計分主程序模塊和幾個子程序模塊。它們是 : 主程序模塊 A/D 轉(zhuǎn)換子程序 中斷（ 同步信號檢測）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： 主程序的工作是對各個功能模塊的子程序不斷進行循環(huán)調(diào)用，從而完成整個系統(tǒng)的工作。其各個子程序功能模塊工作過程描述如下： （ 1）系統(tǒng)初始化：對系統(tǒng) I/O 口進行設(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 分頻采用右對齊一個 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)用運行 A/D 轉(zhuǎn)換子程序，首先啟動 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：當輸出電流超過 085A 的范圍以后，主程序判斷為有故障，進行故障處理 （ 4）中斷子程序：當中斷發(fā)生時執(zhí)行該程序。發(fā)生中斷時，啟動定時器 TMR1，定時器 TMR1 溢出時，向晶閘管發(fā)觸發(fā)脈沖。 各子程序流程圖件下頁： A/D 轉(zhuǎn)換子程序 蘭州理工大學畢業(yè)設(shè)計說明書 34 脈沖觸發(fā)子程序返回RC 4，RC 5端口清　零，延時10 176。RC 5，RC 0端口置１，延時50 176。RC 3，RC 4端口置１，延時50 176。RC 2，RC 3端口置１，延時50 176。RC 0，RC 1端口置１，延時50 176。RC 1，RC 2端口置１，延時50 176。RC 0，RC 1端口清　零，延時10 176。RC 1，RC 2端口清　零，延時10 176。RC 2，RC 3端口清　零，延時10 176。RC 3，RC 4端口清　零，延時10 176。RC 4，RC 5端口置１，延時50 176。RC 5，RC 0端口清　零，延時10 176。 初始化子程序返回定時器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)換器能將一個模擬輸入信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的 8 位數(shù)字信號。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)下工作的獨特特性。 A/D 轉(zhuǎn)換器有 3 個寄存器，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，可對端口的引腳功能進行配置。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 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 中斷標志位 ADIF 置 1。 A/D模塊的結(jié) 構(gòu)框圖見圖 221。當配置好 A/D 模塊后，在啟動轉(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。采集時間（ acquisition time）的確定參見“ A/D 采集時間要求”小節(jié)。在這一采集時間過去之后， A/D 轉(zhuǎn)換即可開始。按照以下步驟進行 A/D 轉(zhuǎn)換： （ 1）配置 A/D 模塊 對模擬引腳 /參考電壓 /數(shù)字 I/O(ADCON1)進行配置 （ 2）需要時，設(shè)置 A/D 中斷 ,將