无刷直流电机电控纠偏控制系统设计与研究

(郑州城市职业学院 机电工程系，郑州 452370)

垂直钻井可增大套管下井深度，减小钻进时的转矩和摩擦。实际钻进过程中，由于地质条件等因素，井眼难以实现垂直。受钻井结构形式的限制，纠偏机构驱动电机直径应小于33 mm，且驱动力矩约为2 N·m。常用直流电机和步进电机转矩为2 N·m时，其直径远大于33 mm。无刷直流电机具有转速高、寿命长、过载能力强、电气时间常数小、电感低等特点，可与驱动控制器、减速箱和反馈元件等构成多种伺服系统[1-2]。本文通过电控纠偏系统的设计与研究，实现钻井的垂直钻进。

1 电控纠偏特性与工作原理

1.1 电控纠偏特性

自动垂直钻进工具作为先进的钻井设备，具有井下闭环控制系统，可自动纠斜，保持井壁垂直。传统钻井中，通过液压系统实现纠偏控制[3]。电控纠偏系统通过无刷直流电机，与纠偏工具导向块直接连接，井下微处理器对偏移信号进行分析计算，控制电机转动，从而实现对导向块的伸缩控制。钻进过程中，井下为高压、高温且强振动环境，对纠偏系统影响较大，因此，纠偏控制系统需具有较高的可靠性。特定的无刷直流电机具有抗高压、高温、防振等优点，且过载能力强，具有较高的可靠性和稳定性[4]。该系统主要在小直径导向钻井中应用。

1.2 电控纠偏工作原理

垂直钻井中，自动钻进工具的电控纠偏系统原理如图1所示。

图1 电控纠偏系统原理

当钻进过程发生井斜时，井下微处理器STM32采集倾斜信号，并进行分析计算，将控制指令发送于导向块控制系统，3路无刷直流电机对3个互为120°的导向块的伸缩进行控制，使井下钻进工具受井壁反作用力，从而促使钻具沿垂直方向钻进。钻具回归垂直轨道后，控制导向块回缩，消除反作用力。井下闭环自动控制，可有效确保钻井轨道的控制精度及钻井垂直度。

2 纠偏控制方法

电机驱动控制中，通过STM32光电隔离对MC33039和MC33035控制器进行三相闭环控制，从而实现对无刷直流电机的制动与正、反转控制。3个被控电机分别与3个导向块相连接，通过电机正、反转控制导向块的伸缩运动。各导向块控制方式与伸缩状态如表1所示。

表1 电机控制导向块伸缩方案

3个电机独立控制3个导向块。纠偏过程中2个电机可同时运转，通过2个电机分别对导向块运动进行控制，以产生2种不同的反作用力。2种不同的反作用力的矢量和方向可在2个导向块120°夹角范围内的任何位置。由此可知，3个电机两两组合所产生的反作用力方向可为360°范围内的任意位置。纠偏控制过程如图2所示。

图2 电机纠偏控制过程示意

3 电驱控制动力源与硬件结构

3.1 电驱控制动力源

纠偏系统采用电控的方式对钻井工具进行钻进轨迹的纠正，系统采用稳定直流电源对直流电机供电。由于纠偏系统与钻进工具均处于深井工作状态，不便于井上供电，由井下动力源提供直流电源。井下电控纠偏系统供电方式可为电池供电和发电机供电2种方式，因电池供电对供电时间和供电环境等要求高，难以实现持续稳定供电，故选取发电机供电，发电机可持续稳定为垂直钻具提供直流电源，保证钻具处于完整闭环控制中，具有成本低、寿命长、稳定可靠性等特点。钻井用井下发电机作为钻探装置的辅助设备，安装于井下内/外管之间的环形腔中，发电机定子嵌入于外管内壁，转子固定于内管外壁；内管上下分别与钻杆和钻头相连接；发电机与整流稳压装置连接，输出电能经处理输送给电控装置。电控装置的输出与深度测量装置、斜度测量装置、电磁压力比例阀及电控纠偏系统的输入连接。

3.2 电驱控制硬件结构

电驱纠偏控制系统硬件结构如图3所示。

图3 纠偏控制系统硬件结构

ARM最小系统由微处理器STM32构成，其I/O口输出经光耦隔离，实现对MC33035的正/反转和制动控制。直流电机转子位置信号经MC33035与MC33039进行转换，外部连接3个IRF540与3个IRF9540功率开关，构成三相逆变器，对永磁无刷直流电机进行控制，控制器电路可反馈转速信号，从而组成转速闭环调节系统。电机转子位置检测器将三相位置检测信号传送与控制器电路，控制器一方面将检测信号传输与MC33035，其内部译码电路对启停控制端、正/反转控制端、电流检测端及制动控制端进行综合分析计算，产生逆变器三相上/下桥臂开关元件的六路原始控制信号，其三相下桥开关信号需根据无刷直流电机调速机理对脉宽进行调制。驱动电路对调制后的PWM三相下桥控制信号进行放大、整形，并加至逆变器六开关，为电机提供正常工作所需的三相方波电流。另一方面，控制器将检测信号传送与MC33039，经f/V转换，所得脉冲信号FB与电机转速为正比关系。FB信号经阻容网络滤波，可得转速反馈信号，通过MC33035的误差放大，形成P调节器，完成电机转速的闭环控制。同时电机电流信号经处理，由STM32进行A/D变换，对电机电流信号进行实时检测，当电流较大引发故障时，MC33035错误输出经光耦隔离，由STM32进行判别。错误时电机制动，故障解除时电机重启[5-7]。

4 软件设计

纠偏控制系统由串口采集测斜仪偏斜角信号，经微处理器STM32进行判断后对钻进工具垂直度进行修正。同时，将偏斜角及方位角等参数传输与地面储存器进行储存，实现地上工作人员对井下钻进状态的实时监控。地面工作人员也可向STM32控制器发送控制指令，完成对纠偏单元的手动控制，以实现最佳垂直钻进。系统中，通过光耦隔离避免STM32微处理器控制板与MC33035电机驱动板之间的相互干扰。纠偏过程繁琐，系统惯性大，被控对象难以精准建模，采用PWM控制技术与PI控制算法实现系统控制[8]。PI控制算法具有综合性强，稳态误差性等特点，且实用简单，鲁棒性好。当系统所需纠偏力较小时，电机转速较低，转矩波动性大，稳定性差，且动态响应缓慢，采用电流内环调节以提高对纠偏力的控制稳定性。电流闭环调节与转速闭环调节构成双闭环调节系统。转速调制器输出电流值与电流实际反馈值进行比较，比较值输入电流PI调节器，周期序列信号与PI调节器输出信号合成为PWM逻辑控制信号，功率开关可依据逻辑换相模块顺序导通，进而对绕组相电流和逆变器的幅值电压进行控制，实现逆变器输出电流跟随给定电流的变化而改变，且具有稳态无静差性。若钻具偏移且偏移角大于既定阈值，则纠偏控制系统通过3路电机对3个导向块进行控制，使偏移角回归设定范围，之后导向块回缩，钻具继续钻进。

电驱控制流程如图4所示。

图4 纠偏系统电驱控制流程

5 试验分析及验证

为适应井下复杂环境，保持系统稳定工作，选取3路无刷直流电机，对钻进钻具进行实时自动纠偏，保持钻具钻进垂直度，且自动传输保存故障数据。试验中，设定无刷直流电机各参数如表2所示。

表2 无刷直流电机试验参数

电机正转时，有负载和无负载状态下电机电流信号与转速矢量曲线如图5所示。由试验可知，当电机转速为15 r/min时，其转矩达到要求的2 N·m。

图5 有/无负载时电机电流信号与转速矢量关系

6 结论

1) 针对复杂的钻井井下环境，研究设计了自动纠偏控制系统，并通过试验对系统进行验证。

2) 与传统液压纠偏系统相比，该系统具有电驱响应迅速，调整定位准确；驱动器具有位置记录与断电保护功能，可提高系统安全性；电机通过正/反转的直接控制，实现对导向块运动状态的控制；结构简单紧凑，控制灵活，能耗低等优点。

3) 电控纠偏控制系统可适应井下恶劣工作环境与空间限制，在小直径导向钻井工作中，具有良好的应用价值。