隨鉆地層測試器中電機精密控制系統(tǒng)的設計與應用

郝桂青，馮永仁，余 強，鮑忠利，支宏旭，周艷敏

(中海油田服務股份有限公司油田技術事業(yè)部 河北 三河 605201)

0 引 言

隨鉆地層壓力測試是隨鉆測井最重要的測試方法之一，能有效確定壓力梯度和流體界面，實時調(diào)整泥漿密度等。隨鉆地層測試器與普通的電纜地層壓力測試器相比，在獲取實時信息方面具有明顯的優(yōu)勢。實時地層壓力數(shù)據(jù)能更好地反映地層的真實壓力狀況，可以優(yōu)化鉆井作業(yè)，節(jié)省鉆井時間，特別是在大斜度井和水平井的應用中。國外油田服務公司如斯倫貝謝、哈里伯頓、貝克休斯等相繼開發(fā)使用了隨鉆地層壓力測試的儀器，而我國這方面的研究起步較晚[1]。

在隨鉆地層測試儀中，地層測試器流動數(shù)據(jù)的準確性取決于流量測定(穩(wěn)態(tài)流法)和體積測定(積分法)的準確性[2]，這就要求必須實現(xiàn)隨鉆地層測試中流量調(diào)控、壓力可控、對流量和體積精確測量等關鍵技術，而電動機是動力核心，對電機的高精度控制是整個系統(tǒng)的關鍵，是保證整個液壓動力系統(tǒng)正常平穩(wěn)工作、實現(xiàn)儀器測壓功能和決定作業(yè)質(zhì)量的重要因素。文章詳細闡述了以高性能數(shù)字信號處理器TMS320F2812為控制核心的無刷直流電機精密控制系統(tǒng)的硬件軟件設計，并通過各項試驗驗證了其高精度性能。

1 無刷直流電機精密控制系統(tǒng)的硬件設計

隨鉆地層測試器用的直流電機為高溫、精密、抗震動直流無刷伺服電機。儀器要求預測試電機96 V直流供電，在50～4 000 r/min范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)并能穩(wěn)速運行，特別是在電機負載42 MPa時能夠按照工作制度在不同的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)速運行，并且電機能夠穩(wěn)定地精確定位，具有位置方向記憶功能、自尋零點、過流保護、人機對話和在線編程等功能。

無刷直流電機精密控制系統(tǒng)要求實現(xiàn)寬范圍高精度定位，這就需要降低伺服電機運行過程中的轉(zhuǎn)矩波動并定位鎖死機構，所以采用無刷直流伺服電動機(BLDCM)，該電機采取無槽結構，旋轉(zhuǎn)變壓器位置反饋，控制方式為電壓空間矢量(SVPWM)正弦波驅(qū)動技術[3-4]，實現(xiàn)高精度檢測。無刷直流電機精密控制系統(tǒng)的設計總體框圖如圖1所示。

圖1 隨鉆測井無刷直流電機控制系統(tǒng)總體結構框圖

無刷直流電機精密控制系統(tǒng)主要包括RS485串行通訊，數(shù)字信號處理器TMS320F2812控制模塊、軸角變換電路、溫度測量與電流信號調(diào)理電路、功率驅(qū)動電路等，其中RS485串行通信主要完成上位機與數(shù)字信號處理器(DSP)之間測井命令的執(zhí)行和數(shù)據(jù)實時上傳的功能。

1.1 主控電路設計

控制系統(tǒng)要求電機的定位準確，在一定速度范圍內(nèi)電機必須平穩(wěn)運行，既能處理軸角轉(zhuǎn)換器發(fā)送的位置信號，也要及時響應上位機的通信中斷，所以選用數(shù)字信號處理器DSP-TMS320F2812[5]作為主控制芯片。DSP-TMS320F2812芯片功能強大，具有高達150 MHz的時鐘頻率，4個定時器中斷， 12路標準的脈沖寬度調(diào)制(PWM)輸出，16路AD采樣通道，內(nèi)含128 kB的FLASH存儲器。由TMS320F2812構成的電機位置控制系統(tǒng)主要功能有電動機的正反轉(zhuǎn)、起停的控制，轉(zhuǎn)速、位置測量，電機溫度與電流的檢測與保護、通訊等。電機位置旋轉(zhuǎn)變壓器的兩路正弦余弦輸入信號在勵磁信號的作用下，經(jīng)軸角變換電路后接入DSP的A/D口，得到轉(zhuǎn)子位置和電機轉(zhuǎn)速，測量電機溫度和電機電流信號后，換算成實際的溫度和電流值。DSP輸出電機驅(qū)動控制信號，此外通過485總線接口芯片MAX485與上位機進行通訊，接受上位機的轉(zhuǎn)速、起停、轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)動的角度等命令，并把電機信息發(fā)給上位機。硬件電路簡單可靠。

1.2 功率驅(qū)動電路設計

本系統(tǒng)的無刷直流電機功率驅(qū)動電路包括驅(qū)動電路和逆變電路2個部分。驅(qū)動采用傳統(tǒng)的三相六態(tài)控制方式，驅(qū)動芯片采用IR公司的集成驅(qū)動芯片IR2133，具有自舉浮動電源，只需一路電源即可同時驅(qū)動3路上、下橋臂6個開關器件。無刷直流電機功率輸出電路[6]如圖2所示。

圖2 無刷直流電機功率輸出電路

三相逆變電路由T1～T6的6只功率MOSFET構成，電機的控制信號按控制次序從TMS320F2812的PWM口輸出，經(jīng)IR2133驅(qū)動后送到6只功率MOSFET構成的逆變器，從而完成對電機的三相繞組的驅(qū)動。

1.3 軸角變換電路設計

旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的正、余弦信號經(jīng)過軸角變換電路后變成數(shù)字信號，通過數(shù)據(jù)總線送入TMS320F2812，構成轉(zhuǎn)子位置檢測反饋通道。為了保證該通道的精度，系統(tǒng)采用了AD2S83集成電路。旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號送入AD2S83，系統(tǒng)實時讀取軸角轉(zhuǎn)換電路的輸出的正弦、余弦信號，每個正弦、余弦信號可以采集1 024次，根據(jù)旋變和電機的極對數(shù)可計算出伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和位置信號，實現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制，控制無刷直流電動機的轉(zhuǎn)速，達到實現(xiàn)伺服系統(tǒng)高精度控制的目的。本系統(tǒng)采用1對級的旋變和4對級的直流無刷電機，通過計算可知，理論上電機的控制精度可以達到0.088°。

1.4 電動機的過熱過流保護控制

為了保護電機，必須要對電機的溫度和電流進行檢測。儀器采用鉑電阻Pt100作為溫度傳感器，選用0.05 Ω的電阻采樣母線電流，經(jīng)電路處理后計算出電機的溫度和電流。當檢測的溫度或電流超過預設值時，通過軟件控制封鎖PWM輸出，讓電機停轉(zhuǎn)，從而保護電機不致燒毀。

2 無刷直流電機精密控制系統(tǒng)的軟件設計

該系統(tǒng)軟件設計主要包括電機控制主程序、驅(qū)動、位置定位、穩(wěn)速、自尋零點、過流過熱保護、軟啟動、在線編程等子程序，使系統(tǒng)具有位置方向記憶、精密定位、自尋零點、過流保護、人機對話和在線編程等功能。

在整個軟件設計中，采用異步串行(SCI)通信方式，每次電機啟動前接收控制指令并執(zhí)行，并把電機信息上傳給上位機。本設計采用了捕捉中斷、定時中斷、外部中斷、串口中斷、A/D中斷等低功耗軟件設計方法，大大降低了系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)功耗。

2.1 位置定位控制子程序

本系統(tǒng)實時讀取軸角轉(zhuǎn)換電路的輸出信號，計算伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和位置，當檢測的換相狀態(tài)數(shù)等于要求的整數(shù)圈對應的換相狀態(tài)數(shù)時，程序即進入微調(diào)PI調(diào)節(jié)模式，隨著反饋的轉(zhuǎn)子位置逐漸逼近給定位置時，PI調(diào)節(jié)器的輸出值逐漸趨于零，最終無PWM輸出，電機穩(wěn)定定位。

2.2 穩(wěn)速控制子程序

本控制系統(tǒng)采用M/T方法，在固定的時間內(nèi)讀取電機的電角度值，對電角度值進行處理得到電機的速度值，把得到的速度值作為速度的反饋值，調(diào)用速度環(huán)，通過PI調(diào)節(jié)，實現(xiàn)穩(wěn)速要求。

2.3 軟啟動程序設計

由于該地層測試器采用高容量電池供電，電流太高時會引起電池的過流保護而斷電，一旦儀器失去供電，所有電路將不再工作，數(shù)據(jù)、動力消失，特別是井下作業(yè)時會引起儀器的致命損壞。圖3是普通電機啟動方法的電流波形，啟動瞬間會出現(xiàn)高達正常工作6倍的電流尖峰，引起電池的斷電保護。而采用軟啟動程序后，負載電流緩慢增加直到正常工作電流，沒有了尖峰，儀器能夠可靠穩(wěn)定工作，如圖4所示。

圖3 普通啟動方法電流波形

圖4 軟啟動方法電流波形

3 無刷直流電機高精度定位應用測試

3.1 電機的運行環(huán)境及實現(xiàn)功能

隨鉆地層測試儀器的電機輸出軸通過減速器和絲杠相連，絲杠、減速器和電機同步轉(zhuǎn)動，絲杠另一端和泵抽活塞相連，電機正反轉(zhuǎn)動時，活塞在減速器和絲杠的作用下做直線往返運動，完成泵抽吸地層流體的動作。

3.2 精度測試

為了驗證本系統(tǒng)電機的定位效果，采用了最先進的德國ZEISS DuraMax在線三坐標測量機精確測試絲杠的位置坐標，通過測試軟件設定電機要轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，然后用三坐標測量給定圈數(shù)下絲杠的行程，在每個速度下分別進行絲杠前進和后退的測試。電機在各個轉(zhuǎn)速下每轉(zhuǎn)動100圈，用三坐標測量機記錄下絲杠端面的坐標位置，然后計算出每2個坐標間的距離，得到絲杠的行程。根據(jù)電機轉(zhuǎn)動圈數(shù)和絲杠行程的關系，可以確定在各個速度狀態(tài)下該電機的抽吸定位精度。電機定位精度測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 電機定位精度測試數(shù)據(jù)

在隨鉆地層測試器中，由于電機每轉(zhuǎn)1圈，理論上絲杠前進或后退0.167 mm，對應抽吸0.039 7 mL。從表1可以看出，在相同轉(zhuǎn)速下，每次電機運轉(zhuǎn)100圈的均差值在0.065 mm以內(nèi)。根據(jù)電機轉(zhuǎn)動圈數(shù)和絲杠運動距離的關系，忽略減速器和絲杠誤差，電機在各個速度下每轉(zhuǎn)1圈，系統(tǒng)的定位偏差為0.000 65 mm,根據(jù)儀器精密抽吸系統(tǒng)的電機每轉(zhuǎn)1圈(360°)絲杠行程為0.167 mm的設計參數(shù)，可以換算出整個系統(tǒng)的定位精度為1.401°，在某個速度下系統(tǒng)的抽吸偏差約為0.000 16 mL。

另外，為了滿足隨鉆測井儀器應用時振動劇烈的特點，進行了在振動脈沖5～15 ms加速度1 000 g條件下的沖擊試驗，以及在20～2 000 Hz正弦范圍內(nèi)加速度20gXYZ3個方向為時0.5 h的振動測試。該系統(tǒng)還通過了在165 ℃的高溫環(huán)境下，連續(xù)運行20 h的高溫測試，系統(tǒng)運行平穩(wěn)可靠。

3.3 隨鉆地層測試儀器中的應用

在隨鉆地層測試儀器中，該電機作為預測試電機來抽吸地層液，它的抽吸精度直接影響著地層壓力測量和滲透率計算的準確度。為了確定該儀器的抽吸精度，用帶刻度小針管倒置于抽吸轉(zhuǎn)接頭上，進行抽吸精度測試,儀器反復抽吸、排出試管中的液體，計算電機轉(zhuǎn)動圈數(shù)與抽吸量的實際精確關系。采用10 mL的小針管，電機每次轉(zhuǎn)動51圈，轉(zhuǎn)速500 r/min，理論計算排量2 mL時，測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 電機抽吸精度測試數(shù)據(jù) mL

對原始數(shù)據(jù)分析可知：理論計算出的實際排量為1.96 mL，由于針管容量的刻度只能精確到1 mL，致使讀數(shù)誤差較大，但可以確定預測試電機旋轉(zhuǎn)255圈對應抽吸10 mL的關系。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)得知，在不同轉(zhuǎn)速下的電機轉(zhuǎn)100圈的最大位移偏差為0.5 mm，由儀器設計的絲杠行程0.167 mm對應抽吸0.039 7 mL可以推算出隨鉆地層測試儀器的抽吸精度為0.001 2 mL，這遠遠高于儀器設計時要求的0.5圈0.02 mL的抽吸精度。

該儀器多次在新疆及海上進行了實鉆測試和作業(yè)，在新疆CBL16—3 089.13 m點位測試時，該點抽吸13.25 s，預測試流量0.2 mL/s，抽吸體積3 mL/s，計算流度0.09 md/cp。測試曲線如圖5所示。

圖5 新疆測壓曲線

壓降開始時的壓力為32.71 MPa，抽吸流體后，降至7.04 MPa，最后恢復壓力32.76 MPa，恢復時間288.25 s，測前測后泥漿柱壓力分別為39.39 MPa和39.50 MPa，測試數(shù)據(jù)正確。電機精密抽吸使測壓效果良好，驗證了精密抽吸控制設計的合理性。

4 結束語

經(jīng)過嚴格的試驗測試和實井驗證，隨鉆地層測試器中電機精密控制系統(tǒng)實現(xiàn)了設計目的和要求，本系統(tǒng)實時性強，儀器整個系統(tǒng)的定位精度為1.401°，儀器測壓作業(yè)時全速段范圍內(nèi)抽吸精度高達0.001 2 mL,遠高于國外斯倫貝謝隨鉆地層測試器的水平；該控制系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作在165 ℃的高溫環(huán)境下，滿足抗沖擊1 000 g、抗振動20 g的技術指標。經(jīng)過大量的實踐驗證，本控制驅(qū)動系統(tǒng)具有啟動運行平穩(wěn)、啟動電流小、控制精度高、硬件簡單、穩(wěn)定性好的特點，很好地實現(xiàn)了隨鉆地層測井要求的恒流抽吸技術。此外，該技術可移植性好，可以應用到電纜地層測試儀器中來實現(xiàn)精密抽吸和超低滲地層的測試。