便携式电动取样钻机控制系统研究

卢倩，邓都都，谭春亮，岳永东

(北京探矿工程研究所，北京 100086)

0 引言

由于电动钻机具有传动效率较高、性能安全可靠、调节幅度较广、调节控制方便、体积小、重量轻、噪音小、费用省、布置空阔、整洁美观、自动化程度较高，可以实现文明作业等一系列优点，因此电动钻机不仅从海洋发展到了陆地，而且从大型钻机发展到了小型钻机，同时还从制造新型钻机发展到了改造旧型钻机。从发展的范围广和速度快来看，实为钻井设备的发展方向和钻井操作自动化必由之路，值得我们高度重视[1]。未来，锂电池将会朝着低成本、高能量、大功率、长寿命、微型化的方向发展。在这个过程中，除了制造工艺等的技术创新，最根本的还在于电池设计与电池材料的革新。电池中每一部件的技术突破都会带来电池性能的飞跃[2, 3]，所以应用锂电池为能源开发便携式电动取样钻机成为可能。

1 控制系统研发

1.1 电源及控制系统

1.1.1 蓄电池技术综述

利用电子元器件控制来实现短路保护、反接保护、过热保护等功能，能替代一般的充电器，延长蓄电池的生命周期30%以上。主要实现以下功能：

①蓄电池状态判定与自适应；②各种车辆蓄电池自适应；③提供各种档次的充电电流，准确控制充电过程，对直流充电电流的大量程(从200 mA到40A/75A)取样、测量，并根据测量结果实时调整充电机输出功率；④一般充电机除了提供充电电流输出的大功率主电源外，需要专门设计一套小功率辅助电源为控制系统供电，增加了成本和复杂度，本充电机将辅助电源与主电源融合；⑤自动识别蓄电池正负电极，使得充电机的使用更加“傻瓜化”，提高其易用性；⑥根据蓄电池状态和电流档位，精确控制充电流程，实现三段式充电，使得充电过程安全高效。

研究国内外电动汽车蓄电池的先进技术，使其应用到系列轻便浅层取样钻机中，用蓄电池及配套电机取代柴油机和汽油机作为其动力源，需要解决的关键技术是对蓄电池及配套部件的研究开发。

1.1.2 锂电池能量密度

目前高能量密度锂电池的能量密度从90 Wh/kg提高至250 Wh/kg。过去20年电池能量密度每年提升7%左右，主要是通过技术进步，不断增加活性物质在电池中的占有比例来实现。高功率密度动力电池目前正极采用LiMn2O4、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(或者其他比例的三元正极材料)、LiFePO4，负极采用石墨。单体电芯的能量密度在120～250 Wh/kg，功率密度最高可达4000 W/kg。实际应用时电池组的能量密度可以达到80～200 Wh/kg[4]。

1.1.3 轻便浅层取样钻机对蓄电池的要求

根据浅层取样钻机的工作场景及特点，其蓄电池的性能要求是：①高能量密度，减少工作中换电池的辅助时间，提高工效；②高功率密度，减小其体积与重量，更换与搬迁方便；③较长的使用寿命，降低取样成本；④较好的充放电性能，提高能量的转化率；⑤电池型号与电动汽车的电池型号相符，增强其互换性；⑥性价比高，提高市场的接受力；⑦使用维护方便，降低施工人员的劳动强度。

最终课题组设计的锂电池参数见表1。

表1 轻便浅层取样钻机锂电池参数表

如图1所示，目前锂电池厂家可以通过手机蓝牙通讯，安装BMS芯片监测锂电池包中的每块电池的电量，监测电池的温度和电压。

图1 锂电池监测手机软件

1.2 驱动电机

为满足野外钻探取样的要求，需要选用合适的驱动电机。目前1 kW的永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)具有结构简单、运行可靠、高速运转时转矩脉动较小的特点[5]，1 kW 的永磁同步电机质量约4 kg，可过载200%～300%，能量密度大。

1.3 调速控制器

为了使驱动电机输出的转速与扭矩满足不同取样钻机及工艺的需求，研制了调速控制器。

通过无线实时传输，了解现场钻进工况，还可实现专家远程同时会诊，提出建议意见，优化钻进参数，调整钻井工艺。现场应用效果达到设计目的，可以满足不同科学钻探现场的需求[6]。如图2所示，可以通过485通讯，安装电脑程序后，通过有线连接，可以监测转速、电压和电机温度等。

图2 控制系统布局图

显示屏显示电量、转速和扭矩，显示屏质量小于0.5 kg，分辨率中等。控制器放在电机侧面，质量小于1 kg，体积小。触摸屏调节较慢，转速用手把连续调节，工作电压48/60 V，电机功率1 kW，整体质量小于30 kg，电源电量大于1 kW·h。

2 功能

2.1 系统构成

如图3所示，控制器由底层系统和上层系统构成。

图3 控制系统结构框图

控制器HMI(人机界面)触摸屏可实时显示的内容包括：设备电量、电机运行状态(转速、输出扭矩)、设备工作进程(钻孔深度)；此外，还具备配置功能参数以及其他操作系统常用功能。

2.2 控制功能

图4为轻便电动钻机控制电路原理图。控制系统驱动电机运转，采集电机运行转速、电流等信息，具有一定的堵转保护能力。

图4 轻便电动钻机控制电路原理图

通过监控与分析钻压、钻速、扭矩、泵压等钻进主参数及机具反馈参数，在主机自动控制模式下，最优化地调整钻压、转速、泵量等可控参数，达到钻进工艺与机具参数监测、钻进参数控制与钻进速度效果之间的最优化匹配和实时动态平衡，多快好省地实施快速取心钻进[7-14]。

香港大学岳中琦将多变的瞬时钻进速度转变为时程曲线，通过时程曲线的斜率可以看出每段钻进时间的平均钻速，经过大量的实践检验发现，其与地层可以较好的对应，如图5所示。基于现代数字技术，发明了金属矿床数字钻孔过程力学强度检测方法，钻孔过程监测(DPM)技术，实现了钻孔过程参数实时数字自动化采集，创建了一套定量分析钻孔过程参数时间序列直接算法，发现了分段线性时程曲线和对应分段均匀(常)钻速，攻克了钻进速度极大随机变化的国际性难题，开辟了钻孔过程监测与时间序列分析的岩土强度空间分布定量研究方向。比功的测量只需要给进力、转矩、机械钻速和转速这些基本钻进规程参数， 计算过程简单，适宜作为钻机自动钻进控制系统中识别地层的模型[15]。

图5 不同岩土体平均钻速对比

对于电机的速度控制，使用了一种基于EKF 的PMSM控制系统，利用BP算法计算误差协方差矩阵Q，R的最优值，提高优化速度与精度。将速度滑模控制器以及d-q轴电流解耦引入控制系统，提高系统的鲁棒性。仿真结果表明，此系统的电机转速及转子位置测算精度高，转速偏差值在±5 r/min 左右波动，转子位置偏差值在±0.3 rad 左右波动，与传统PI控制相比，转速恢复时间缩短了50%，超调极小，其鲁棒性更强，在电机控制中有较强的实际应用价值[16-18]。

其PMSM电流方程为

(1)

式中：uα，uβ分别为α，β轴上的定子电压；iα，iβ分别为α，β轴上的定子电流；ωe为转子角速度；θe为转子电角度；RS为定子电阻；LS为定子电感。

2.3 钻机自动化智能化研发系统构建

0级为钻机的开环控制和数据显示，操作手把可连续地调节转速。最基本的显示包括:①电源电量，②减速箱输出轴转速，③输出轴扭矩，④钻压，⑤向下钻进的速度以时程曲线的形式显示。数据的存储功能为后续的自动化智能化钻进做准备。

1级为钻机的自动化闭环控制:对前期的钻探数据进行分析，结合钻探理论知识，应用西门子PLC等自动控制器和芯片，根据钻探步骤，实行自动钻进和数据的采集和存储。

3 试验

表1为试验过程中对钻探数据进行监测后，通过USB实时采集的结果，导入电脑进行存储和分析，发现1 kW电机的功率尚未完全发挥出来，还有很大的使用空间。钻机转速超过2000 r/min后，转速测量误差较大，电路板还需要继续改进。下一步将钻机放在钻架上，测出钻速后，才能算出比功，进而对地层进行监测。

表1 钻探试验采集的数据

本次试验选用比功作为识别地层的模型。为了验证比功模型识别地层的可靠性，将地层分为土层、岩石和松散层三类。如果试验效果良好，则在后继试验中可扩大岩石类型的数据库，当数据库足够大时，该模型能够判断出每种岩石，这是识别地层模型的最终理想目标。比功公式如下：

(2)

式中：F为给进力，N；u为机械钻速，m/h；w为转矩，N·m；n为转速，r/min；A为孔口面积，m2。

由计算可知，在土层中比功的取值范围在 0～38.3 MPa 之间，在岩层中比功的取值范围在114.0～256.6 MPa之间，在松散层中比功取值范围在33.1～75.0 MPa 之间。

根据以上三种地层比功的取值范围，做如下规定：①比功0～38.3 MPa的地层确定为土层；②比功38.3～75.0 MPa的地层确定为松散层；③由于松散层的最大比功值与岩层的最小比功值不连续。因此，比功75.0～256.6 MPa的地层确定为岩层。

同时规定：①在土层中钻进时，钻压取0.368 N/mm2，转速取140 r/min；②在岩层中钻进时，钻压取0.849 N/mm2，转速取160r /min；③在松散层中钻进时，钻压取0.283 N/mm2，转速取70 r/min。

综上所述，识别地层方案为：自动控制系统根据采集到的钻进参数计算出的比功在0～38.3 MPa之间，地层确定为土层，与其对应的钻压为0.368 N/mm2，转速为140 r/min；当比功在38.3～75.0 MPa之间，地层确定为松散层，钻压为0.283 N/mm2，转速为70 r/min；当比功在75.0～256.6 MPa之间，地层确定为岩层，钻压为0.849 N/mm2，转速为160 r/min。

以上三个地层中规定的钻压与转速，通过使用 PID 控制算法进行闭环反馈控制,使钻机输出的钻压与转速与以上地层设定的钻压与转速相同或相近，达到优化钻进，自动钻进的目的。

4 结语

目前,项目组已经研发了基于锂电池采用永磁同步电机的轻便取样钻机。经过多次试验发现该钻机结构简单，故障率低，过载能力强，能满足交通不便地区的电动化采样工作。研发的技术难点主要集中在电池和控制部分，如何以更小的体积和重量提供更多的电能，实现电气化向电子化的转变，将电气原件开发为电子电路，印刷在PCB版上;减速电机和控制器的发热，更好地利用电能，实现有效控制，顺利完成钻探工作。