牛海峰 蔣世全 童征 李漢興 張新強 陳紅新

【摘要】根據目前所研制的旋轉導向工具驅動總成的矢量位移控制和多機通訊的要求，結合當今測控技術領域的發(fā)展趨勢，提出了基于Modbus通訊協(xié)議的旋轉導向工具驅動控制器的設計方案。該控制器采用ARM7核心架構的微控制芯片，能夠在井下高溫高壓工況下，實現數據通訊、電機PID調速和矢量位移閉環(huán)控制的功能。實驗室測試表明，設計的驅動總成控制器通訊穩(wěn)定，運行正常，能夠滿足旋轉導向工具導向控制的要求。

【關鍵詞】Modbus 旋轉導向 驅動總成 矢量位移控制 閉環(huán)控制

旋轉導向鉆井技術是當今鉆井自動化的一項前沿技術，該技術通過鉆柱旋轉的導向方式，能夠在井下根據作業(yè)指令，調整井眼軌跡，從而具有顯著提高鉆井速度和降低鉆井成本的優(yōu)點。隨著油田鉆井作業(yè)對該項技術需求的增加，國內的一些研究院所，已經著手開展旋轉導向工具關鍵技術的研究和樣機的研制。中海油研究總院自2001年就已經針對旋轉導向技術開展相關研究工作，現已成功研制出旋轉導向鉆井工具樣機，并已經在陸地油田進行了30余井次的現場試驗，初步達到了工程化應用的水平。該工具采用旋轉芯軸和不旋轉外套相結合的設計方案，通過井下微電機驅動安裝在不旋轉外套上的3個導向滑塊，實現導向執(zhí)行機構的偏心位移矢量控制。為了實現在井下對旋轉導向鉆井工具精確的偏心位移矢量控制，安裝在旋轉導向工具不旋轉外套上的驅動總成是關鍵部件之一。本文介紹了針對驅動總成的控制器，以ARM7為核心架構搭建處理器，基于MODBUS通訊協(xié)議，通過嵌入式一體化開發(fā)和模塊化設計，實現了旋轉導向工具井下控制、數據采集和數據通訊的功能。

1 驅動總成

驅動總成安裝在旋轉導向工具的不旋轉外套上，是一套機電一體化的液壓執(zhí)行系統(tǒng)。如圖 1所示，其主要結構包括：電機、柱塞泵、電磁閥、液壓缸、位移傳感器和驅動控制器。系統(tǒng)工作時，電機依靠井下發(fā)電機提供電源，帶動柱塞泵工作，使得驅動總成內部產生液壓動力；驅動控制器采集位移傳感器數據，得到液壓缸的行程位置，通過控制電磁閥的開合狀態(tài)改變液壓油的流向，控制液壓缸運動到設定的控制位置。

旋轉導向工具需要軸向安裝3個驅動總成，相鄰的驅動總成之間的夾角為120°。為了達到矢量位移控制的要求，驅動總成之間需要協(xié)調控制，同時，對于驅動總成上集成的電機、電磁閥和傳感器也要進行實時的控制和信息采集，這樣對于控制器的處理性能要求較高，因此，在控制系統(tǒng)的設計方案上采用分層控制的結構，如圖2所示，自上而下分為管理層、協(xié)調層和應用層。管理層由地面工控機負責整個旋轉導向工具驅動控制系統(tǒng)的監(jiān)控和調試，在地面調試時，地面工控機通過RS232串行接口與井下中控機連接，進行發(fā)送指令和采集數據，當旋轉導向工具在井下作業(yè)時，地面工控機將指令發(fā)送給泥漿分流裝置，通過改變下行泥漿脈沖完成指令發(fā)送，同時，隨鉆測量工具將井下所采集的數據通過上行泥漿脈沖發(fā)送給地面壓力采集模塊，由其將解析出來的數據發(fā)送給地面工控機；協(xié)調層通過安裝在旋轉導向工具電子腔內的井下中控機，實現各個控制層之間的數據交換；應用層能夠實現對驅動總成的控制。對于驅動總成控制器的設計在應用層完成。

2 硬件設計

2.1 微控制單元

驅動總成控制器的微控制單元選用ADI公司的ADuC7128處理器芯片。ADuC7128具有一個128kB內存的32位ARM7RISC微控制器核，一個10 bit數模轉換器（DAC），一個12 bit 1 MSPS ADC，一個16 bit脈寬調制器（PWM）和正交編碼器，輸入通道達14路，集成2階低通濾波器（LPF）和可編邏輯陣列（PLA），有一個32 bit，21 MHz的直接數字頻率合成器（DDS）連接到DAC輸入端，其中該DAC還包含一個10Ω線路驅動器，可工作在差分和單端輸入模式下，具有溫度傳感器和電壓比較器，以LFCSP形式封裝，可以通過JTAG接口實現編程和調試。

2.2 電源轉換單元

外部輸入的直流電壓范圍為：43V～53V，根據系統(tǒng)中電子元器件對電壓的需求，需要通過降壓的方式產生5V、3.3V和2.5V的電壓，具體的實現方法如下：選用DC/DC電源轉換芯片LM5010AMH，將外部直流電壓轉換為驅動控制板的供電電壓5V；MCU芯片ADuC7128需要3.3V的數字和模擬電源進行供電，因此，通過LDO芯片AP122_33將對驅動控制板供電的5V電壓轉換為3.3V電壓，同時，將此數字電源經過一個30μH的電感進行隔離，可以得到所需的3.3V模擬電源；另外，與驅動控制板連接的位移傳感器所需的工作電壓為2.5V，可以采用LDO電壓轉換芯片ADR441B-R，將3.3V電壓進行轉換而得到。

2.3 位移監(jiān)測單元

選用霍尼韋爾公司生產的MLT系列線性位移傳感器，對驅動總成的位移數據進行實時采集，該傳感器電氣行程達101.6mm，線性度達1%。位移傳感器所采集的位移信號通過由運算放大器AD8603所構成的電壓跟隨器，進入ADC采樣。

2.4 電機驅動控制單元

BLDC驅動器選用A3930，該控制IC集成了整流邏輯控制功能，僅需要少量的外部MOSFET便可工作，既能夠減少微處理器的負載，提高系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，又能夠減少電路板面積，有利于安裝。在驅動電機時，通過MCU芯片ADuC7128驅動BLDC驅動控制器A3930，A3930經過MOSFET橋式電路驅動直流電機，同時，A3930芯片監(jiān)測直流電機上面的霍爾傳感器信號，最后，經過PID控制算法修正，構成閉環(huán)控制系統(tǒng)，使直流電機轉速穩(wěn)定在設定值。

2.5 電磁閥控制單元

根據驅動總成的液壓控制系統(tǒng)的具體要求，MCU芯片ADuC7128設計提供3路電磁閥控制信號輸出，其所發(fā)出的電磁閥控制信號，經過2片并聯(lián)的UCC27424驅動芯片，對電磁閥進行驅動。UCC27424是一款高速雙同相MOSFET驅動器，工作電壓范圍為4.5V～15V，電流驅動范圍可達-4A～4A，通過2個芯片并聯(lián)，可以得到更高的驅動電流輸出。

2.6 通訊單元

由于驅動總成控制器與上層協(xié)調層的井下中控機之間的通訊為多機通訊，其中，驅動總成控制器為從機，井下中控機為主句，因此，為了確保數據通訊的可靠性，通訊方案采用RS485物理接口。RS485采用差分方式傳輸數據信號，具有抗噪聲干擾、傳輸距離長、可以連接多臺從機的優(yōu)點。采用SN65HVD1781作為RS485的接口芯片，工作電壓為3.3V，傳輸速率可達10 Mbps，SOIC封裝，具有功耗低，傳輸速率高，集成度高的特點。

3 軟件設計

驅動總成控制器的軟件程序采用C語言編寫，主要由3個子程序模塊構成：電機閉環(huán)控制模塊、液壓缸行程閉環(huán)控制模塊、Modbus數據解析模塊。

3.1 電機閉環(huán)控制模塊

該模塊控制直流電機的運行，以確保驅動總成能夠具有充足的動力。軟件會根據井下中控機所發(fā)送的電機速度設定值與當前電機轉速，計算出二者之間的速度差值；如果速度差值大于閾值，電機會根據PID算法進行加速或減速，直至當前電機轉速達到電機轉速設定值。

所謂PID控制是根據給定值r（t）與實際輸出值c（t）所構成的控制偏差： e（t）=r（t）-c（t），將該偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。PID調節(jié)的控制規(guī)律如下：

式中：

K_P——比例系數；

T_I——積分時間常數；

T_D——微分時間常數。

3.2 液壓缸行程閉環(huán)控制模塊

該模塊通過檢測位移傳感器的數值，獲知當前液壓缸的行程數據，通過與井下中控機所發(fā)送的液壓缸目標位移設定值進行對比，對當前驅動總成中的電磁閥開合進行控制，從而改變液壓油的流向，使液壓缸能夠運行到設定的位置。

3.3 Modbus數據解析模塊

該模塊用來處理驅動總成控制器與井下中控機之間基于Modbus協(xié)議的數據通訊。Modbus協(xié)議最初是由Modicon公司于1978年開發(fā)的一種通信協(xié)議，現已成為適用于電子控制器上的一種通用語言，廣泛應用于工業(yè)自動化領域，具有開放、簡單的優(yōu)點。Modbus協(xié)議是具有主從結構的通訊協(xié)議，能夠設置1個主機和最多247個從機，從機需要接收到主機所發(fā)出的請求，才能夠與主機通訊，并且不能主動發(fā)起通訊請求，另外，從機之間不能進行通訊。Modbus協(xié)議規(guī)定，主機可以向多個從機發(fā)送請求，每個從機都具有自己的一個8位地址編碼（地址編碼范圍1-247），每個從機的地址碼是唯一的。Modbus具有兩種信息傳送模式，RTU（Remote Terminal Unit）模式和ASCII模式。由于，在相同通訊速率條件下，RTU模式比ASCII模式能夠傳輸更多數據，因此，在控制系統(tǒng)中，選用RTU模式。使用RTU模式，所發(fā)送的信息幀之間的時間間隔至少應為3.5個字符時間，波特率為19200bps，信息幀包括4個部分，分別為：從機地址、功能代碼、數據和CRC校驗。

4 實驗結果

為了測試驅動總成控制器的工作性能，試驗樣機在實驗室內進行了功能測試試驗，重點考察驅動總成控制器的數據采集、數據通訊和閉環(huán)控制性能。試驗結果表明，驅動總成控制器能夠完成對各執(zhí)行元件的控制，通訊接口工作正常。

5 結論

針對旋轉導向工具驅動總成井下控制和數據采集需要，本文提出了基于ARM7核心架構和Modbus通訊協(xié)議的控制器技術解決方案，該方案結構簡單，集成度高、通訊穩(wěn)定，抗干擾能力強，能夠適用于現場旋轉導向鉆井作業(yè)的需要。

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