阅读说明：本技术 基于石油钻采设备中旋转机构的角度测量方法 (Angle measuring method based on rotating mechanism in petroleum drilling and production equipment ) 是由 辜运富 曾礼平 张贵生 徐霖 申有于 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了基于石油钻采设备中旋转机构的角度测量方法,该方法包括(S1)在石油钻采设备的旋转机构上安装磁铁；(S2)通过AS5045磁传感器接收来自旋转机构上磁铁的磁场变化信息；(S3)与AS5045磁传感器连接的STM32系列单片机接收AS5045磁传感器获取的磁场变化信息,STM32系列单片机对机械零点进行设置后对获取的磁场变化信息进行处理；(S4)STM32系列单片机对处理后的AS5045磁传感器获取的磁场变化信息进行类型转换处理；(S5)STM32系列单片机对类型转换处理后的各类数据进行数据标定处理,然后输出到后端显示设备。通过上述方案,本发明达到了将标准角度给定替代常规电位器速度给定,实际使用操作方便,性能稳定可靠的目的,具有很高的实用价值和推广价值。(The invention discloses an angle measuring method based on a rotating mechanism in oil drilling and production equipment, which comprises the steps of (S1) installing a magnet on the rotating mechanism of the oil drilling and production equipment; (S2) receiving magnetic field variation information from the magnet on the rotating mechanism by the AS5045 magnetic sensor; (S3) the STM32 series single chip microcomputer connected with the AS5045 magnetic sensor receives the magnetic field change information acquired by the AS5045 magnetic sensor, and the STM32 series single chip microcomputer processes the acquired magnetic field change information after setting a mechanical zero point; (S4) the STM32 series single chip microcomputer carries out type conversion processing on the processed magnetic field change information acquired by the AS5045 magnetic sensor; (S5) the STM32 series single chip microcomputer carries out data calibration processing on various types of data after type conversion processing, and then outputs the data to rear-end display equipment. Through the scheme, the purpose that the speed setting of the conventional potentiometer is replaced by the standard angle setting is achieved, the practical use and operation are convenient, and the performance is stable and reliable, so that the method has high practical value and popularization value.)

基于石油钻采设备中旋转机构的角度测量方法

技术领域

本发明属于石油设备测量技术领域，具体地讲，是涉及基于石油钻采设备中旋转机构的角度测量方法。

背景技术

在石油天然气钻采过程中，需要对钻井速度和泥浆泵泵冲实现无极调速控制，在生产过程中要经常的调整不同的转速，以达到钻井工艺要求，常规速度的定电位器由于是采用的电阻丝接触式很磨损，使用寿命短等缺陷，更换起来很不方便，特别是在常规电位器断了零点电位时(速度一下就飙升上去了)，这样是非常危险的，还有由于机械零点的偏移电位器是调不到零点的，始终都会有输出，这也对控制转速不利，另外在有程序零点启动保护的控制程序中，是不能启动的，这样对生产过程也会造成影响(更换时间长)，对维护人员维护也增加了难度。因此如何实现准确的对旋转机构的转速进行准确的判断及对机械零点的有效设置是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供基于石油钻采设备中旋转机构的角度测量方法，主要解决现有技术中存在的由于常规的速度***是采用电阻丝与旋转机构进行接触，由于电阻丝磨损使用寿命短，并且容易导致零点断开造成维护难度大的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于石油钻采设备中旋转机构的角度测量方法，包括如下步骤：

(S1)在石油钻采设备的旋转机构上安装磁铁；

(S2)通过AS5045磁传感器接收来自旋转机构上磁铁的磁场变化信息；

(S3)与AS5045磁传感器连接的STM32系列单片机接收AS5045磁传感器获取的磁场变化信息，STM32系列单片机对机械零点进行设置后对获取的磁场变化信息进行处理；

(S4)STM32系列单片机对处理后的AS5045磁传感器获取的磁场变化信息进行类型转换处理；

(S5)STM32系列单片机对类型转换处理后的各类数据进行数据标定处理，然后输出到后端显示设备。

进一步地，所述步骤(S3)中STM32系列单片机对获取的磁场变化信息进行处理后得到磁铁旋转的角度信息；

具体地，所述步骤(S4)中进行类型转换处理后的类型包括电流、电压、 PWM、SPI。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过将磁铁固定在旋转机械上，通过AS5045磁传感器获取磁场变化信息，通过STM32系列单片机将磁传感器获取的磁场变化信息转换为转速，然后再通过内部的类型转换和数据标定处理后得到符合后端设备需要的数据信息，本发明设计合理，实现简单，可作为标准角度给定替代常规电位器速度给定，实际使用操作方便，性能稳定可靠，不会因温度变化导致给定值的变化，可输出工业标准信号(0-5V-10 0-20mA)和SPI串口通讯，能方便与 PLC控制系统连接。

(2)与传统的电位器相比，常规电位器是通过绕在园型的陶瓷上的电阻丝和机械旋转机构组成，由于电阻丝和机械滑动触点长时间磨损碳触点和电阻丝会磨损，这样会导致速度给定为零或最大，这样在生产工程中是非常危险的，给定值也受温度变化使速度也发生变化，且使用寿命短等弊端，机械零位发生变化，必须拆下来进行机械校对。而本发明转速给定装置采用的磁编码技术，与机械旋转机构是无接触式旋转控制，这样就避免了机械接触磨损，使用寿命大大提高，机械零点发生变化无需拆下来进行机械校对，只需通过按钮或STM32 系列单片机通讯自动校正机械零点，测试精确度高且操作性更强。

(3)速度给定装置就避免了上述问题，因为它是采用的无接触方式转到以磁感应方式传输位置信号，位置信号按比例给出模拟信号或串口通讯数据，无接触就不会损坏检测芯片，即便是磁铁由于强烈震动损坏，输出也为零不会对速度产出飙升；在机械零点变化时，也不需要将该新型速度给定控制器卸下来校正零点，只需在上面按一下校正按钮会自动设置机械零点，芯片板采用PCB 插件式如遇高电压损坏芯片板更换也非常方便

(4)本发明转速给定，在自动化控制领域中有着独特的优势，在系统的运行过程中，旋转角度值与速度给定值可以编程任意输出标定，可设定状态连锁功能，方便自动化系统的信号采集控制执行器等，对自动化系统的运行调试有很好的帮助，大大缩短系统调试时间，并减轻了程序调试人员工作压力。

(5)本发明实际现场应用中，速度给定装置是与STM32单片机脱离的，机械零点校正无需连接单片机，速度给定装置采用PCB插件方式，更换方便快捷无需焊接。

(6)本发明的AS5045磁传感器具有转速高，响应速度块，防尘防油，抗震等级高，调试方便，安装简单，线驱动输出型，抗干扰能力强，适合长线传输等优点。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

图2为本发明LM2596的降压电路原理图。

图3为本发明AS5045磁传感器的连接电路图。

图4为本发明STM32系列单片机的引脚连接电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1至图4所示，基于石油钻采设备中旋转机构的角度测量方法，包括如下步骤：

(S1)在石油钻采设备的旋转机构上安装磁铁；

(S2)通过AS5045磁传感器接收来自旋转机构上永久磁铁角度发生变化， AS5045磁传感器通过芯片内部处理的永久磁磁场变化信息；

(S3)与AS5045磁传感器连接的STM32系列单片机接收AS5045磁传感器获取的磁场变化信息，检测到不同的位置值输出给STM32系列单片机处理量化为速度给定，STM32系列单片机对机械零点进行设置后对获取的磁场变化信息进行处理为角度信息，本发明的编程机械零点，当机械零点发生改变，可通过装置上的按钮或STM32系列单片机程序自动置机械零点；

(S4)STM32系列单片机对处理后的AS5045磁传感器获取的磁场变化信息进行类型转换处理，转换处理后的类型包括电流输出、电压输出、PWM模拟量输出、SPI串口输出；

(S5)由于各个元器件的性能略有不同，STM32系列单片机对转换输出后的电流输出、电压输出、PWM模拟量输出、SPI串口输出做数据标定处理，使得输出的电流、电源、PWM、SPI呈线性变化，并且STM32系列单片机在进行数据标定处理时是进行微调，不会对整体的数据造成偏差，其中，PWM模拟量和串口通讯SPI输出是两种控制输出信号，PWM信号也可输出4-20mA和0-10V 或1-5V的信号来驱动所有支持标准信号源和SPI串口通讯的控制执行机构和变频器。

本发明通过LM2596将DC24V工业电源压降到5V或3.3V后为AS5045磁传感器(无接触式磁旋转编码器)和STM32系列单片机供电，具体电路如图2 所示。本发明LM2596系列是德州仪器(TI)生产的3A电流输出降压开关型集成稳压芯片，它内含固定频率振荡器(150KHZ)和基准稳压器(1.23v)，并具有完善的保护电路、电流限制、热关断电路等。利用该器件只需极少的***器件便可构成高效稳压电路。提供的有：3.3V、5V、12V及可调(-ADJ)等多个电压档次产品。该芯片还提供了工作状态的外部控制引脚。LM2596系列开关稳压集成电路的主要特性如下：

1)、输出电压：3.3V、5V、12V及(ADJ)等，最大输出电压37V；

2)、工作模式：低功耗/正常两种模式。可外部控制；

3)、工作模式控制：TTL电平相容；

4)、所需外部组件：仅四个(不可调)；六个(可调)；

5)、器件保护：热关断及电流限制。

本发明中的AS5045是一种无接触式的磁传感器用于精确测量整个360°范围内的角度，此产品是一给片上系统，在单个封装内整合了集成Hall元件，模拟前端和数据信号处理功能，要测量角度时，只需简单地在芯片上方放置1个旋转双极性磁铁即可，磁铁可以布置在本IC的上方或下方，这种绝对值角度测量方式可即时指示磁铁的角度位置，其分辨率达0.0879°每圈＝4096个位置，能够以串行比特流及PWM信号输出的形式给出数字化数据，保证了各检测值的检测精度，整个360°范围内的无接触式、高分辨率、旋转位置编码，2种数字式 12位绝对值输出：串行接口输出以及脉宽调制(PWM)输出，用户可编程零位，用于磁铁位置监测和断电监测的故障检测模式，“红-黄-绿”指示器，显示磁铁在Z轴方向上的位置；具体电路原理图如图3所示。

其中，本发明中的STM32系列单片机选用STM32F103C8T6单片机，STM32 意法半导体(STMicroelectronics)系列专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的ARM

-M0，M0+，M3,M4和M7内核：ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz。单周期乘法和硬件除法。

存储器：片上集成32-512KB的Flash存储器。6-64KB的SRAM存储器。时钟、复位和电源管理：2.0-3.6V的电源供电和I/O接口的驱动电压。上电复位 (POR)、掉电复位(PDR)和可编程的电压探测器(PVD)。4-16MHz的晶振。内嵌出厂前调校的8MHz RC振荡电路。内部40kHz的RC振荡电路。用于CPU 时钟的PLL，带校准用于RTC的32kHz的晶振。

低功耗：3种低功耗模式：休眠，停止，待机模式。为RTC和备份寄存器供电的VBAT，调试模式：串行调试(SWD)和JTAG接口。DMA：12通道 DMA控制器，支持的外设：定时器，ADC，DAC，SPI，IIC和UART。3个12 位的us级的A/D转换器(16通道)：A/D测量范围：0-3.6V，双采样和保持能力。片上集成一个温度传感器，2通道12位D/A转换器：所有的端口都可以映射到16个外部中断向量。除了模拟输入，所有的都可以接受5V以内的输入。最多多达11个定时器：4个16位定时器，每个定时器有4个IC/OC/PWM或者脉冲计数器。2个16位的6通道高级控制定时器：最多6个通道可用于PWM 输出。2个看门狗定时器(独立看门狗和窗口看门狗)。Systick定时器：24位倒计数器。2个16位基本定时器用于驱动DAC。最多多达13个通信接口：2个 IIC接口(SMBus/PMBus)。5个USART接口(ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，调试控制)。3个SPI接口(18Mbit/s)，两个和IIS复用，CAN接口(2.0B)， USB 2.0全速接口，SDIO接口。其芯片的电路结构如图4所示。

本发明中LM2596、AS5045磁传感器和STM32系列单片机之间的具体连接关系及具体的工作原理为本领域技术人员所熟知的，故在本申请文件中不再赘述。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。