一种石油井下耐高温的驱动系统的制作方法

1.本发明涉及石油井下电机驱动技术领域，具体为一种石油井下耐高温的驱动系统。


背景技术：

2.微型电机其功率仅有几十瓦，工作电流低，作业应用为微型柱塞泵、丝杠、电控割刀、锚定扶正器等井下工具，传统的微型电机驱动控制，多采用风冷、水冷，功率略小的采用散热片自然冷却，而井下电动工具，由于其作业深度高达数千米，作业环境温度高，且为密闭环境，自然风冷及水冷等传统方式无法在狭小高温的井下实现。因此我们对此做出改进，提出一种石油井下耐高温的驱动系统。


技术实现要素：

3.为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：本发明一种石油井下耐高温的驱动系统，包括金属壳体和半导体制冷片，所述金属壳体的底部设有金属散热座，所述金属散热座上固定有驱动电路板组件，所述驱动电路板组件与金属散热座之间导热脂层，且所述半导体制冷片固定在金属散热座的外侧，且所述半导体制冷片的冷面与金属散热座的外侧壁相接触，所述半导体制冷片热面上设有用于对半导体制冷片进行散热的散热风扇；驱动电路板组件与电源输入端连接；其中所述驱动电路板组件包括dc/dc转换电路、ldo稳压电路、电源电压采集电路、电机耗能电路、电机霍尔信号采集电路、电机转动控制信号电路、电机电流传输电路、半导体制冷片控制电路、主控单元、三相桥驱动电路、6路mosfet桥电路、电机电流采样电路；所述dc/dc转换电路与电源输入端连接，且dc/dc转换电路经ldo稳压电路与电机霍尔信号采集电路、主控单元连接，并为电机霍尔信号采集电路、主控单元进行供电；所述主控单元经三相桥驱动电路与6路mosfet桥电路连接，用于对6路mosfet桥电路进行控制，所述电机电流采样电路与主控单元连接，且所述电机电流采样电路还与电机电流传输电路连接；所述主控单元经半导体制冷片控制电路与半导体制冷片连接，用于控制半导体制冷片工作；所述的电机耗能电路与电源输入端连接，用于对电机在急停情况下，产生的瞬时高压进行泄放；所述的电源电压采集电路用于对电源输入端上的系统电压进行采集；所述电机转动控制信号电路、电机电流传输电路均与逻辑控制终端连接。
4.作为本发明的一种优选技术方案，所述电机耗能电路包括电压比较器u1；电阻r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7、发热电阻r8、分压电阻r9；电容c1、c2；分流调节器d1、二极管d2；和mosfet开关管q1；所述电阻r2的一端与电压比较器u1的1in-引脚连接，电阻r2的另一端与分流调节
器d1的阴极1引脚、电阻r1的一端的连接，所述电阻r1的另一端与电池组的负极电连接，所述分流调节器d1的阳极3引脚接地，分流调节器d1的2引脚与电阻r1的一端；所述电阻r4的一端同时与电阻r3的一端、电压比较器u1的1in 引脚连接；电阻r3的另一端同时与电压比较器u1的1out引脚、电阻r7的一端连接，所述电阻r7的另一端与电压比较器u1的2in 引脚连接；所述电阻r4的另一端同时与电阻r5的一端、电阻r6的一端连接，所述电阻r5的另一端与二极管d2的阴极、电容c1的一端连接，电容c1的另一端、电阻r6的另一端和电压比较器u1的gnd引脚同时接地，所述二极管d2的阳极与电池组的正极电连接；所述电容c2的一端与电压比较器u1的vcc引脚连接；所述发热电阻r8的一端则分别于电压比较器u1的2out引脚、2in引脚连接，所述发热电阻r8的另一端与mosfet开关管q1的g极、分压电阻r9的一端连接，所述分压电阻r9r9的另一端接地，所述mosfet开关管q1的s极接地，所述述mosfet开关管q1的d极接入加载电压。
5.作为本发明的一种优选技术方案，所述电机耗能电路的工作方式是，通过电压比较器u1对电源输入端中的电压进行采集，并与电压比较器u1设定的电压进行比较，其中通过电压比较器u1上的分别于1in 引脚连接的电路对电源输入端上的电压进行采集，通过1in-引脚对参考电压进行采集，当电机停机时，则电源输入端产生反电动势，当反电动势产生的电压值高于设计的参考电压值时，则控制mosfet的导通，将能量通过发热电阻r8释放。
6.作为本发明的一种优选技术方案，其工作方法是，其工作方法是，电源输入端为系统提供电源，则dc/dc转换电路、ldo稳压电路进行电压转换，转换后的电压给主控单元及电机霍尔信号采集电路供电，主控单元对各个外设电路进行初始化配置后，逻辑控制终端发出电机控制指令，并通过电机转动控制信号电路传输给主控单元，则通过电机霍尔信号采集电路对电机的角度扇区进行采集，在驱动电机转动过程中，通过电机电流采样电路及电源电压采集电路，实时检测电机电流及系统电压，并将电机电流通过电机电流传输电路输出给逻辑控制终端，当电机运行时，主控单元通过半导体制冷片控制电路打开半导体制冷片及散热风扇，进行降温散热。
7.作为本发明的一种优选技术方案，所述半导体制冷片的制冷面与金属散热座之间设有导热硅胶层。
8.作为本发明的一种优选技术方案，所述6路mosfet桥电路由6颗n沟道的mosfet组成，分别连接电机的abc三相，桥电路的供电端由一颗p沟道的mosfet作为开关电路，当桥电路或电机出现问题时，主控单元控制p沟道mosfet断开。
9.作为本发明的一种优选技术方案，所述半导体制冷片控制电路包括三极管t、mosfet开关管q2，电阻r10、r11、r12和r13，电容c3；所述电阻r10的一端分别与电容c3的一端、电阻r11的一端和三极管t的b极连接，所述电容c3的另一端、电阻r11的另一端和三极管t的e极同时接地，所述三极管t的c极与电阻r12的一端、电阻r13的一端连接，所述电阻r12的另一端与mosfet开关管q的s极连接，所述电阻r13的另一端与mosfet开关管q的g极连接，所述mosfet开关管q的d极与半导体制冷片以及散热风扇连接。
10.本发明的有益效果是：该种石油井下耐高温的驱动系统通过电源输入端为系统提供电源，则dc/dc转换
电路、ldo稳压电路进行电压转换，转换后的电压给主控单元及电机霍尔信号采集电路供电，主控单元对各个外设电路进行初始化配置后，逻辑控制终端发出电机控制指令，并通过电机转动控制信号电路传输给主控单元，则通过电机霍尔信号采集电路对电机的运行状态进行采集，在驱动电机转动过程中，通过电机电流采样电路及电源电压采集电路，实时检测电机电流及系统电压，并将电机电流通过电机电流传输电路输出给逻辑控制终端，当电机运行时，主控单元通过半导体制冷片控制电路打开半导体制冷片及散热风扇，进行降温散热，进行主动降温，从而保证在石油井下高温环境下能够长时间工作。
附图说明
11.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：图1是本发明一种石油井下耐高温的驱动系统的结构示意图；图2是本发明一种石油井下耐高温的驱动系统的电机耗能电路的电路示意图；图3是本发明一种石油井下耐高温的驱动系统的半导体制冷片控制电路的电路示意图；图4是本发明一种石油井下耐高温的驱动系统的半导体制冷片的安装示意图。
12.图中：1、金属壳体；2、半导体制冷片；3、金属散热座；4、电路板组件；401、dc/dc转换电路；402、ldo稳压电路；403、电源电压采集电路；404、电机耗能电路；405、电机霍尔信号采集电路；406、电机转动控制信号电路；407、电机电流传输电路；408、半导体制冷片控制电路；409、主控单元；410、三相桥驱动电路；411、6路mosfet桥电路；412、电机电流采样电路；5、散热风扇；6、电源输入端。
具体实施方式
13.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
14.实施例：如图1、图2、图3和图4所示，本发明一种石油井下耐高温的驱动系统，包括金属壳体1和半导体制冷片2，所述金属壳体1的底部设有金属散热座3，所述金属散热座3上固定有驱动电路板组件4，所述驱动电路板组件4与金属散热座3之间导热脂层，且所述半导体制冷片2固定在金属散热座3的外侧，且所述半导体制冷片2的冷面与金属散热座3的外侧壁相接触，所述半导体制冷片2热面上设有用于对半导体制冷片2进行散热的散热风扇5；驱动电路板组件4与电源输入端6连接；其中所述驱动电路板组件4包括dc/dc转换电路401、ldo稳压电路402、电源电压采集电路403、电机耗能电路404、电机霍尔信号采集电路405、电机转动控制信号电路406、电机电流传输电路407、半导体制冷片控制电路408、主控单元409、三相桥驱动电路410、6路mosfet桥电路411、电机电流采样电路412；所述dc/dc转换电路与电源输入端6连接，且dc/dc转换电路401经ldo稳压电路402与电机霍尔信号采集电路405、主控单元409连接，并为电机霍尔信号采集电路405、主控单元409进行供电；所述主控单元409经三相桥驱动电路410与6路mosfet桥电路411连接，用于对6路
mosfet桥电路411进行控制，所述电机电流采样电路412与主控单元409连接，且所述电机电流采样电路412还与电机电流传输电路404连接；所述主控单元409经半导体制冷片控制电路408与半导体制冷片2连接，用于控制半导体制冷片2工作；所述的电机耗能电路404与电源输入端6连接，用于对电机在急停情况下，产生的瞬时高压进行泄放；所述的电源电压采集电路403用于对电源输入端6上的系统电压进行采集；所述电机转动控制信号电路406、电机电流传输电路407均与逻辑控制终端连接。
15.所述电机耗能电路404包括电压比较器u1；电阻r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7、发热电阻r8、分压电阻r9；电容c1、c2；分流调节器d1、二极管d2；和mosfet开关管q1；所述电阻r2的一端与电压比较器u1的1in-引脚连接，电阻r2的另一端与分流调节器d1的阴极1引脚、电阻r1的一端的连接，所述电阻r1的另一端与电池组的负极电连接，所述分流调节器d1的阳极3引脚接地，分流调节器d1的2引脚与电阻r1的一端；所述电阻r4的一端同时与电阻r3的一端、电压比较器u1的1in 引脚连接；电阻r3的另一端同时与电压比较器u1的1out引脚、电阻r7的一端连接，所述电阻r7的另一端与电压比较器u1的2in 引脚连接；所述电阻r4的另一端同时与电阻r5的一端、电阻r6的一端连接，所述电阻r5的另一端与二极管d2的阴极、电容c1的一端连接，电容c1的另一端、电阻r6的另一端和电压比较器u1的gnd引脚同时接地，所述二极管d2的阳极与电池组的正极电连接；所述电容c2的一端与电压比较器u1的vcc引脚连接；所述发热电阻r8的一端则分别于电压比较器u1的2out引脚、2in引脚连接，所述发热电阻r8的另一端与mosfet开关管q1的g极、分压电阻r9的一端连接，所述分压电阻r9r9的另一端接地，所述mosfet开关管q1的s极接地，所述述mosfet开关管q1的d极接入加载电压。
16.所述电机耗能电路404的工作方式是，通过电压比较器u1对电源输入端6中的电压进行采集，并与电压比较器u1设定的电压进行比较，其中通过电压比较器u1上的分别于1in 引脚连接的电路对电源输入端6上的电压进行采集，通过1in-引脚对参考电压进行采集，当电机停机时，则电源输入端6产生反电动势，当反电动势产生的电压值高于设计的参考电压值时，则控制mosfet的导通，将能量通过发热电阻r8释放，从而起到了保护电路的作用。
17.该系统的工作方法是，电源输入端6为系统提供电源，则dc/dc转换电路401、ldo稳压电路402进行电压转换，转换后的电压给主控单元及电机霍尔信号采集电路405供电，主控单元409对各个外设电路进行初始化配置后，逻辑控制终端发出电机控制指令，并通过电机转动控制信号电路406传输给主控单元409，则通过电机霍尔信号采集电路405对电机的运行状态进行采集，在驱动电机转动过程中，通过电机电流采样电路412及电源电压采集电路403，实时检测电机电流及系统电压，并将电机电流通过电机电流传输电路407输出给逻辑控制终端，当电机运行时，主控单元409通过半导体制冷片控制电路408打开半导体制冷片2及散热风扇5，进行降温散热。
18.所述半导体制冷片2的制冷面与金属散热座3之间设有导热硅胶层。
19.所述6路mosfet桥电路由6颗n沟道的mosfet组成，分别连接电机的abc三相，桥电路的供电端由一颗p沟道的mosfet作为开关电路，当桥电路或电机出现问题时，主控单元控
制p沟道mosfet断开。
20.所述半导体制冷片控制电路包括三极管t、mosfet开关管q2，电阻r10、r11、r12和r13，电容c3；所述电阻r10的一端分别与电容c3的一端、电阻r11的一端和三极管t的b极连接，所述电容c3的另一端、电阻r11的另一端和三极管t的e极同时接地，所述三极管t的c极与电阻r12的一端、电阻r13的一端连接，所述电阻r12的另一端与mosfet开关管q的s极连接，所述电阻r13的另一端与mosfet开关管q的g极连接，所述mosfet开关管q的d极与半导体制冷片2以及散热风扇5连接。
21.电机运行过程中因mosfet的内部电阻会使mosfet发热，发热量满足焦耳定律，此部分热量会随着电路板的铜箔传输到周围的电子器件，增加电子器件的温度负荷，需要将热量进行转移，当电机运行时，主控单元409通过半导体制冷片控制电路打开半导体制冷片2及制冷片热极的散热风扇，半导体制冷片有电流流过时，会形成热量转移，冷极放热温度降低、热极吸热温度升高，mosfet的热量会通过电路板组件4与金属散热座3、金属壳体1与半导体制冷片2之间的导热脂层将热量传递到温度较低的半导体制冷片的冷极，此时半导体制冷片的热极通过风扇进行散热，提升驱动器的耐温特性。本发明的微电机控制器耗能小、体积小、温度适用性强，纯电气控制，配合井上的控制监控系统，收到电机转动控制指令启动运行，并对驱动器进行散热；接到电机停止指令时低功耗运行，在有限的电池组能量运行环境中，可有效的节约电池容量，在整个油井钻井过程中耐高温、节约能源，真正意义上实现了钻井的节能、降本、高效、可靠。
22.工作原理：电机运行过程中因mosfet的内部电阻会使mosfet发热，发热量满足焦耳定律，此部分热量会随着电路板的铜箔传输到周围的电子器件，增加电子器件的温度负荷，需要将热量进行转移，当电机运行时，主控单元409通过半导体制冷片控制电路打开半导体制冷片2及制冷片热极的散热风扇，半导体制冷片有电流流过时，会形成热量转移，冷极放热温度降低、热极吸热温度升高，mosfet的热量会通过电路板组件4与金属散热座3、金属壳体1与半导体制冷片2之间的导热脂层将热量传递到温度较低的半导体制冷片的冷极，此时半导体制冷片的热极通过风扇进行散热，提升驱动器的耐温特性；当主控单元收到电机停止指令时，主控单元停止方波输出，所有mosfet关闭，电机停止转动。电机在急停的情况下，由于反电势的特性，会存在瞬时高压，此部分电压不进行泄放会对电子元器件造成损伤，电路板组件的电机耗能电路通过电压比较器，在电压达到设计阈值时启动泄放电路，泄放过程中也会产生热量，同样通过半导体制冷片进行转移。电机完全停止转动后，进行1s的短延时后，主控单元通过半导体制冷片控制电路关闭制冷片电流输出，同时关闭制冷片热极的风扇，实现驱动器的低功耗运行，节约电池组电量。
23.最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。