随钻地层测试器中电机精密控制系统的设计与应用

郝桂青，冯永仁，余 强，鲍忠利，支宏旭，周艳敏

(中海油田服务股份有限公司油田技术事业部 河北 三河 605201)

0 引 言

随钻地层压力测试是随钻测井最重要的测试方法之一，能有效确定压力梯度和流体界面，实时调整泥浆密度等。随钻地层测试器与普通的电缆地层压力测试器相比，在获取实时信息方面具有明显的优势。实时地层压力数据能更好地反映地层的真实压力状况，可以优化钻井作业，节省钻井时间，特别是在大斜度井和水平井的应用中。国外油田服务公司如斯伦贝谢、哈里伯顿、贝克休斯等相继开发使用了随钻地层压力测试的仪器，而我国这方面的研究起步较晚[1]。

在随钻地层测试仪中，地层测试器流动数据的准确性取决于流量测定(稳态流法)和体积测定(积分法)的准确性[2]，这就要求必须实现随钻地层测试中流量调控、压力可控、对流量和体积精确测量等关键技术，而电动机是动力核心，对电机的高精度控制是整个系统的关键，是保证整个液压动力系统正常平稳工作、实现仪器测压功能和决定作业质量的重要因素。文章详细阐述了以高性能数字信号处理器TMS320F2812为控制核心的无刷直流电机精密控制系统的硬件软件设计，并通过各项试验验证了其高精度性能。

1 无刷直流电机精密控制系统的硬件设计

随钻地层测试器用的直流电机为高温、精密、抗震动直流无刷伺服电机。仪器要求预测试电机96 V直流供电，在50～4 000 r/min范围内连续可调并能稳速运行，特别是在电机负载42 MPa时能够按照工作制度在不同的转速下稳速运行，并且电机能够稳定地精确定位，具有位置方向记忆功能、自寻零点、过流保护、人机对话和在线编程等功能。

无刷直流电机精密控制系统要求实现宽范围高精度定位，这就需要降低伺服电机运行过程中的转矩波动并定位锁死机构，所以采用无刷直流伺服电动机(BLDCM)，该电机采取无槽结构，旋转变压器位置反馈，控制方式为电压空间矢量(SVPWM)正弦波驱动技术[3-4]，实现高精度检测。无刷直流电机精密控制系统的设计总体框图如图1所示。

图1 随钻测井无刷直流电机控制系统总体结构框图

无刷直流电机精密控制系统主要包括RS485串行通讯，数字信号处理器TMS320F2812控制模块、轴角变换电路、温度测量与电流信号调理电路、功率驱动电路等，其中RS485串行通信主要完成上位机与数字信号处理器(DSP)之间测井命令的执行和数据实时上传的功能。

1.1 主控电路设计

控制系统要求电机的定位准确，在一定速度范围内电机必须平稳运行，既能处理轴角转换器发送的位置信号，也要及时响应上位机的通信中断，所以选用数字信号处理器DSP-TMS320F2812[5]作为主控制芯片。DSP-TMS320F2812芯片功能强大，具有高达150 MHz的时钟频率，4个定时器中断， 12路标准的脉冲宽度调制(PWM)输出，16路AD采样通道，内含128 kB的FLASH存储器。由TMS320F2812构成的电机位置控制系统主要功能有电动机的正反转、起停的控制，转速、位置测量，电机温度与电流的检测与保护、通讯等。电机位置旋转变压器的两路正弦余弦输入信号在励磁信号的作用下，经轴角变换电路后接入DSP的A/D口，得到转子位置和电机转速，测量电机温度和电机电流信号后，换算成实际的温度和电流值。DSP输出电机驱动控制信号，此外通过485总线接口芯片MAX485与上位机进行通讯，接受上位机的转速、起停、转向、转动的角度等命令，并把电机信息发给上位机。硬件电路简单可靠。

1.2 功率驱动电路设计

本系统的无刷直流电机功率驱动电路包括驱动电路和逆变电路2个部分。驱动采用传统的三相六态控制方式，驱动芯片采用IR公司的集成驱动芯片IR2133，具有自举浮动电源，只需一路电源即可同时驱动3路上、下桥臂6个开关器件。无刷直流电机功率输出电路[6]如图2所示。

图2 无刷直流电机功率输出电路

三相逆变电路由T1～T6的6只功率MOSFET构成，电机的控制信号按控制次序从TMS320F2812的PWM口输出，经IR2133驱动后送到6只功率MOSFET构成的逆变器，从而完成对电机的三相绕组的驱动。

1.3 轴角变换电路设计

旋转变压器输出的正、余弦信号经过轴角变换电路后变成数字信号，通过数据总线送入TMS320F2812，构成转子位置检测反馈通道。为了保证该通道的精度，系统采用了AD2S83集成电路。旋转变压器的输出信号送入AD2S83，系统实时读取轴角转换电路的输出的正弦、余弦信号，每个正弦、余弦信号可以采集1 024次，根据旋变和电机的极对数可计算出伺服系统的转速和位置信号，实现系统闭环控制，控制无刷直流电动机的转速，达到实现伺服系统高精度控制的目的。本系统采用1对级的旋变和4对级的直流无刷电机，通过计算可知，理论上电机的控制精度可以达到0.088°。

1.4 电动机的过热过流保护控制

为了保护电机，必须要对电机的温度和电流进行检测。仪器采用铂电阻Pt100作为温度传感器，选用0.05 Ω的电阻采样母线电流，经电路处理后计算出电机的温度和电流。当检测的温度或电流超过预设值时，通过软件控制封锁PWM输出，让电机停转，从而保护电机不致烧毁。

2 无刷直流电机精密控制系统的软件设计

该系统软件设计主要包括电机控制主程序、驱动、位置定位、稳速、自寻零点、过流过热保护、软启动、在线编程等子程序，使系统具有位置方向记忆、精密定位、自寻零点、过流保护、人机对话和在线编程等功能。

在整个软件设计中，采用异步串行(SCI)通信方式，每次电机启动前接收控制指令并执行，并把电机信息上传给上位机。本设计采用了捕捉中断、定时中断、外部中断、串口中断、A/D中断等低功耗软件设计方法，大大降低了系统的静态和动态功耗。

2.1 位置定位控制子程序

本系统实时读取轴角转换电路的输出信号，计算伺服系统的转速和位置，当检测的换相状态数等于要求的整数圈对应的换相状态数时，程序即进入微调PI调节模式，随着反馈的转子位置逐渐逼近给定位置时，PI调节器的输出值逐渐趋于零，最终无PWM输出，电机稳定定位。

2.2 稳速控制子程序

本控制系统采用M/T方法，在固定的时间内读取电机的电角度值，对电角度值进行处理得到电机的速度值，把得到的速度值作为速度的反馈值，调用速度环，通过PI调节，实现稳速要求。

2.3 软启动程序设计

由于该地层测试器采用高容量电池供电，电流太高时会引起电池的过流保护而断电，一旦仪器失去供电，所有电路将不再工作，数据、动力消失，特别是井下作业时会引起仪器的致命损坏。图3是普通电机启动方法的电流波形，启动瞬间会出现高达正常工作6倍的电流尖峰，引起电池的断电保护。而采用软启动程序后，负载电流缓慢增加直到正常工作电流，没有了尖峰，仪器能够可靠稳定工作，如图4所示。

图3 普通启动方法电流波形

图4 软启动方法电流波形

3 无刷直流电机高精度定位应用测试

3.1 电机的运行环境及实现功能

随钻地层测试仪器的电机输出轴通过减速器和丝杠相连，丝杠、减速器和电机同步转动，丝杠另一端和泵抽活塞相连，电机正反转动时，活塞在减速器和丝杠的作用下做直线往返运动，完成泵抽吸地层流体的动作。

3.2 精度测试

为了验证本系统电机的定位效果，采用了最先进的德国ZEISS DuraMax在线三坐标测量机精确测试丝杠的位置坐标，通过测试软件设定电机要转动的圈数，然后用三坐标测量给定圈数下丝杠的行程，在每个速度下分别进行丝杠前进和后退的测试。电机在各个转速下每转动100圈，用三坐标测量机记录下丝杠端面的坐标位置，然后计算出每2个坐标间的距离，得到丝杠的行程。根据电机转动圈数和丝杠行程的关系，可以确定在各个速度状态下该电机的抽吸定位精度。电机定位精度测试数据如表1所示。

表1 电机定位精度测试数据

在随钻地层测试器中，由于电机每转1圈，理论上丝杠前进或后退0.167 mm，对应抽吸0.039 7 mL。从表1可以看出，在相同转速下，每次电机运转100圈的均差值在0.065 mm以内。根据电机转动圈数和丝杠运动距离的关系，忽略减速器和丝杠误差，电机在各个速度下每转1圈，系统的定位偏差为0.000 65 mm,根据仪器精密抽吸系统的电机每转1圈(360°)丝杠行程为0.167 mm的设计参数，可以换算出整个系统的定位精度为1.401°，在某个速度下系统的抽吸偏差约为0.000 16 mL。

另外，为了满足随钻测井仪器应用时振动剧烈的特点，进行了在振动脉冲5～15 ms加速度1 000 g条件下的冲击试验，以及在20～2 000 Hz正弦范围内加速度20gXYZ3个方向为时0.5 h的振动测试。该系统还通过了在165 ℃的高温环境下，连续运行20 h的高温测试，系统运行平稳可靠。

3.3 随钻地层测试仪器中的应用

在随钻地层测试仪器中，该电机作为预测试电机来抽吸地层液，它的抽吸精度直接影响着地层压力测量和渗透率计算的准确度。为了确定该仪器的抽吸精度，用带刻度小针管倒置于抽吸转接头上，进行抽吸精度测试,仪器反复抽吸、排出试管中的液体，计算电机转动圈数与抽吸量的实际精确关系。采用10 mL的小针管，电机每次转动51圈，转速500 r/min，理论计算排量2 mL时，测试数据如表2所示。

表2 电机抽吸精度测试数据 mL

对原始数据分析可知：理论计算出的实际排量为1.96 mL，由于针管容量的刻度只能精确到1 mL，致使读数误差较大，但可以确定预测试电机旋转255圈对应抽吸10 mL的关系。根据表1中的数据得知，在不同转速下的电机转100圈的最大位移偏差为0.5 mm，由仪器设计的丝杠行程0.167 mm对应抽吸0.039 7 mL可以推算出随钻地层测试仪器的抽吸精度为0.001 2 mL，这远远高于仪器设计时要求的0.5圈0.02 mL的抽吸精度。

该仪器多次在新疆及海上进行了实钻测试和作业，在新疆CBL16—3 089.13 m点位测试时，该点抽吸13.25 s，预测试流量0.2 mL/s，抽吸体积3 mL/s，计算流度0.09 md/cp。测试曲线如图5所示。

图5 新疆测压曲线

压降开始时的压力为32.71 MPa，抽吸流体后，降至7.04 MPa，最后恢复压力32.76 MPa，恢复时间288.25 s，测前测后泥浆柱压力分别为39.39 MPa和39.50 MPa，测试数据正确。电机精密抽吸使测压效果良好，验证了精密抽吸控制设计的合理性。

4 结束语

经过严格的试验测试和实井验证，随钻地层测试器中电机精密控制系统实现了设计目的和要求，本系统实时性强，仪器整个系统的定位精度为1.401°，仪器测压作业时全速段范围内抽吸精度高达0.001 2 mL,远高于国外斯伦贝谢随钻地层测试器的水平；该控制系统可以稳定工作在165 ℃的高温环境下，满足抗冲击1 000 g、抗振动20 g的技术指标。经过大量的实践验证，本控制驱动系统具有启动运行平稳、启动电流小、控制精度高、硬件简单、稳定性好的特点，很好地实现了随钻地层测井要求的恒流抽吸技术。此外，该技术可移植性好，可以应用到电缆地层测试仪器中来实现精密抽吸和超低渗地层的测试。