吳濤，楊靖

（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）機(jī)械與電子信息學(xué)院，湖北武漢 430074）

基于MC33035的無刷直流電機(jī)電控糾偏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳濤，楊靖

（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）機(jī)械與電子信息學(xué)院，湖北武漢 430074）

為了對小直徑自動導(dǎo)向鉆具的研制開發(fā)與應(yīng)用，介紹了一種采用無刷直流電機(jī)電控糾偏的控制系統(tǒng)，通過MC33035控制器驅(qū)動無刷直流電機(jī)與鉆井鉆具的導(dǎo)向塊相連，電機(jī)直接控制導(dǎo)向塊的伸縮來糾正鉆具的垂直位置，分析了糾偏控制的基本工作原理，實(shí)現(xiàn)了電控糾偏的故障診斷與重啟，保證鉆頭垂直鉆進(jìn)，電控糾偏在小直徑垂直鉆進(jìn)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用研究價(jià)值。

無刷直流電機(jī)；電控糾偏；故障檢測

1 引言

隨著人類對能源的需求越來越大，人類對能源的勘探和開發(fā)也越來越廣。鉆探工程也不斷拓展，鉆井的垂直度要求越來越高。因?yàn)榇怪钡你@井軌跡是最短的，可以使套管下井更深，降低鉆井過程中的摩擦和轉(zhuǎn)矩，避免粘滑。但是在某種程度上講，井眼的傾斜是不可避免的。在實(shí)際的鉆井過程中，由于不同地質(zhì)條件的因素，導(dǎo)致鉆井的井眼軌跡垂直度達(dá)不到要求［1］。由于垂鉆機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，糾偏機(jī)構(gòu)對驅(qū)動電機(jī)的直徑要求小于33 mm，驅(qū)動力矩約在2 N·m。一般電機(jī)如步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和交流伺服電機(jī)要產(chǎn)生1～2 N·m左右轉(zhuǎn)矩，沒有這么小的徑向結(jié)構(gòu)（直徑在32 mm以下）?；蛘哂械臐M足直徑要求，但達(dá)不到轉(zhuǎn)矩和功率要求。無刷直流電機(jī)采用釹鐵硼磁鋼的永磁定子，具有轉(zhuǎn)速高，耐顛簸震動，超長使用壽命，無電刷無磨損，低噪音，無齒槽效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。散熱好，過載能力強(qiáng)，低電感，電氣時(shí)間常數(shù)小，可與減速箱，反饋部件和驅(qū)動控制器組成各種各樣的伺服系統(tǒng)［2］。

2 電控糾偏的特性與基本工作原理

2.1 電控糾偏的特性

自動垂直鉆井工具是一種帶有井下閉環(huán)控制系統(tǒng)、可實(shí)現(xiàn)井下主動糾斜、保持井壁垂直、具有極高技術(shù)含量的先進(jìn)鉆井工具。目前實(shí)際應(yīng)用中糾偏控制主要采用液壓系統(tǒng)，這里采用一種新的糾偏控制系統(tǒng)——電控糾偏系統(tǒng)。電控糾偏系統(tǒng)通過特定的無刷直流電機(jī)直接與糾斜工具導(dǎo)向塊相連，井下微處理器通過接收的偏移信號自動控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來引導(dǎo)導(dǎo)向塊的伸縮。由于鉆井井孔大小和電機(jī)驅(qū)動力大小的制約，自動垂直鉆井系統(tǒng)主要用于易斜地層的深井段，糾斜控制系統(tǒng)必將受到井下高溫、高壓及強(qiáng)振動等惡劣因素的影響，因此在設(shè)計(jì)糾斜控制系統(tǒng)硬件電路時(shí)，必須要保證系統(tǒng)的可靠性。特定的無刷直流電機(jī)具有抗高溫、高壓、防震特性，轉(zhuǎn)矩特性優(yōu)異，中、低速轉(zhuǎn)矩性能好，啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流??；無級調(diào)速，調(diào)速范圍廣，過載能力強(qiáng)；可靠性高，穩(wěn)定性好，適應(yīng)性強(qiáng)；驅(qū)動器采用數(shù)字控制方式，保證電機(jī)系統(tǒng)特性的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)研究主要應(yīng)用于小直徑導(dǎo)向鉆進(jìn)方向。

2.2 電控糾偏的基本工作原理

自動垂直鉆井工具的電控糾偏系統(tǒng)工作原理如圖1所示。當(dāng)井斜時(shí)（偏移角大于某一設(shè)定角度），通過井下微處理器STM32分析，然后給導(dǎo)向塊電控系統(tǒng)發(fā)出指令，通過3路無刷直流電機(jī)直接控制互成120°的3個(gè)導(dǎo)向塊伸出推向井壁，使井下的鉆具受到一個(gè)反方向力的作用，這一反方向作用力使鉆頭產(chǎn)生一定的降斜力，從而使鉆具回到垂直軌道上來（使偏移角小于設(shè)定的固定角度）。當(dāng)鉆具回到垂直軌道上后，井下微處理器命令控制3路無刷直流電機(jī)驅(qū)動導(dǎo)向塊縮回，使其反向力消失，讓鉆頭垂直鉆進(jìn)。這樣在井下形成一種自動閉環(huán)控制，不僅提高了井眼軌道的控制精度［3］，還節(jié)約了調(diào)整鉆具所用的時(shí)間。

圖1 糾偏控制的工作原理Fig.1 The correction control principle of work

3 電機(jī)驅(qū)動糾偏控制策略

電機(jī)控制驅(qū)動主要采用STM32光電隔離后控制 MC33035［4］與 MC33039［5］控制器構(gòu)成的三相閉環(huán)控制進(jìn)行驅(qū)動無刷直流電機(jī)。能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、制動。通過3個(gè)電機(jī)分別連接3個(gè)導(dǎo)向塊，電機(jī)正反轉(zhuǎn)帶動導(dǎo)向塊的伸縮。各個(gè)導(dǎo)向塊的控制方式與伸縮狀態(tài)如表1所示（以導(dǎo)向塊1的方向?yàn)?°逆時(shí)針）。

表1 3電機(jī)控制導(dǎo)向塊糾斜策略Tab.1 Three motor control strategy of guide block hole straightening

3路電機(jī)獨(dú)立控制3個(gè)導(dǎo)向塊工作。因此可以2個(gè)電機(jī)同時(shí)工作，通過2路電機(jī)控制導(dǎo)向塊產(chǎn)生不同的推力，則可以獲得2個(gè)大小不同的反作用力，2個(gè)大小不同的反作用力的矢量和可以指向2個(gè)對應(yīng)的導(dǎo)向塊之間夾角為120°范圍內(nèi)的任意位置。電機(jī)兩兩組合就可以產(chǎn)生指向360°范圍內(nèi)任意位置的反作用力。例如：φ=200°時(shí)，符合180°＜φ＜300°，屬于F12的范圍內(nèi)，則導(dǎo)向塊1，2伸出形成2個(gè)方向反作用力F1，F(xiàn)2，2個(gè)反作用力形成合力F12進(jìn)行糾斜。糾偏控制過程如圖2所示。

圖2 電機(jī)糾偏控制示意圖Fig.2 The motor correction control schematic

4 電驅(qū)控制與硬件結(jié)構(gòu)

4.1 電驅(qū)控制動力源

電控糾偏系統(tǒng)主要采用電動來糾正井下鉆井工具。由于沒有采用液壓系統(tǒng)，故也不能利用液壓系統(tǒng)的油泵向系統(tǒng)輸出壓力油來為液壓系統(tǒng)提供動力。電控糾偏系統(tǒng)中無刷直流電機(jī)驅(qū)動主要由穩(wěn)定的直流電源進(jìn)行供電。由于電控糾偏系統(tǒng)和鉆井工具一起在深井中進(jìn)行鉆進(jìn)，故獲得井上電源不方便，需要井下動力源供電。這里對于電控糾偏系統(tǒng)提出兩種方案：一種是提供電池進(jìn)行供電，電池供電在環(huán)境和供電時(shí)間上要求很高，故很難達(dá)到預(yù)期的效果；另一種是井下發(fā)電機(jī)供電。鉆井用井下發(fā)電機(jī)屬于地下鉆探裝置的輔助設(shè)備，特別涉及一種自動垂直鉆具的地下電源設(shè)施的技術(shù)領(lǐng)域。井下發(fā)電機(jī)配置在地平面之下的外管與內(nèi)管之間的環(huán)狀腔體中；發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過鍵被固定在內(nèi)管的外壁上，定子經(jīng)外殼被鑲嵌在外管的內(nèi)壁中；內(nèi)管與上部鉆桿相連，下部與鉆頭相連；發(fā)電機(jī)的輸出端經(jīng)整流穩(wěn)壓裝置輸至電子控制裝置。后者的輸出與測斜儀、測深裝置、電磁壓力比例閥、電控糾偏系統(tǒng)的輸入相連。它能為自動垂直鉆具提供足夠容量的穩(wěn)定的直流電源，使鉆具成為一種完整的閉環(huán)自動垂直鉆探的地下系統(tǒng)，它是一種成本低，工作壽命長、安全可靠的地下電源設(shè)備。

4.2 電驅(qū)控制硬件結(jié)構(gòu)

電驅(qū)糾偏控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。由STM32微處理器組成的ARM最小系統(tǒng)，輸出IO口光耦隔離后控制MC33035的正傳、反轉(zhuǎn)與制動。MC33035加上MC33039，將直流無刷電動機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號進(jìn)行f/V轉(zhuǎn)換，外接6個(gè)功率開關(guān)器件（3個(gè)IRF540和3個(gè)IRF9540）組成三相逆變器，驅(qū)動三相永磁直流無刷電機(jī)，控制器電路構(gòu)成轉(zhuǎn)速反饋信號，即可構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)［6］?？刂破麟娐窐?gòu)成從電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測器送來的三相位置檢測信號（SA，SB，SC）一方面送入MC33035，經(jīng)芯片內(nèi)部譯碼電路結(jié)合正反轉(zhuǎn)控制端、起停控制端、制動控制端、電流檢測端等控制邏輯信號狀態(tài)，經(jīng)過運(yùn)算后，產(chǎn)生逆變器三相上、下橋臂開關(guān)器件的6路原始控制信號，其中，三相下橋開關(guān)信號還要按直流無刷電機(jī)調(diào)速機(jī)理進(jìn)行脈寬調(diào)制處理。處理后的三相下橋PWM控制信號（Ar，Br，Cr）經(jīng)過驅(qū)動電路整形、放大后，施加到逆變器的6個(gè)開關(guān)管上，使其產(chǎn)生出供電機(jī)正常運(yùn)行所需的三相方波交流電流。另一方面，轉(zhuǎn)子位置檢測信號還送入MC33039經(jīng)f/V轉(zhuǎn)換，得到一個(gè)頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號FB。FB通過簡單的阻容網(wǎng)絡(luò)濾波后形成轉(zhuǎn)速反饋信號，利用MC33035中的誤差放大器即可構(gòu)成一個(gè)簡單的P調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，以提高電機(jī)的機(jī)械特性硬度［7］。同時(shí)將電機(jī)電流信號處理后輸入到STM32內(nèi)部的ADC進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)時(shí)檢測電機(jī)的電流信號，若電流過大會產(chǎn)生故障，MC33035的錯(cuò)誤輸出信號經(jīng)過光耦隔離后輸出到STM32進(jìn)行判斷（低電平為錯(cuò)誤輸出）。出現(xiàn)錯(cuò)誤信號后能夠制動電機(jī)，當(dāng)故障消除后能夠重新啟動電機(jī)。

圖3 電驅(qū)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The electric drive hardware structure

5 軟件設(shè)計(jì)

電驅(qū)控制系統(tǒng)主要是通過串口接收的測斜儀采集的偏斜角信號，通過地下微處理器STM32判斷后自動修正鉆井工具的垂直度。同時(shí)把井下的傾斜角和方位角等參數(shù)發(fā)送到地面保存，讓地面操作人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)控井下鉆進(jìn)情況。地面操作人員也可以通過發(fā)送指令到STM32控制器，控制和糾正單元的動作，來達(dá)到最佳垂直鉆進(jìn)效果。STM32微處理器核心控制板與MC33035的無刷直流電機(jī)驅(qū)動板分離，通過光耦隔離來降低2個(gè)電路之間的干擾。同時(shí)在硬件抗干擾措施下，采用軟件抗干擾技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)充。一般進(jìn)行數(shù)字濾波，信號傳送接收自動檢驗(yàn)，發(fā)生故障自動保存與恢復(fù)。由于糾斜過程比較復(fù)雜，系統(tǒng)慣性較大，控制對象不易準(zhǔn)確建模，故采用數(shù)字PI控制算法和PWM控制技術(shù)進(jìn)行控制。從理論上分析，PI調(diào)節(jié)算法是綜合性與穩(wěn)態(tài)無差性的控制方法，具有簡單實(shí)用、魯棒性好的優(yōu)點(diǎn)。由于在糾斜力較小時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速會很低，導(dǎo)致電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩波動較大，所以糾斜力較小時(shí)其穩(wěn)定性不好，且動態(tài)響應(yīng)較慢，通過增加一個(gè)電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)提高糾斜力的控制。轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)和電流閉環(huán)調(diào)節(jié)組成雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。速度調(diào)節(jié)器輸出的參考電流信號與實(shí)際電流反饋值比較后，作為電流PI調(diào)節(jié)器的輸入，其輸出與周期序列信號進(jìn)行合成，形成PWM邏輯控制信號，根據(jù)邏輯換相模塊，順序控制功率開關(guān)器件的導(dǎo)通，從而控制逆變器電壓幅值，控制繞組的相電流，這樣逆變器的輸出電流就跟隨給定電流的變化，且穩(wěn)態(tài)無靜差。當(dāng)檢測到鉆具偏移角大于設(shè)定的域值時(shí)，根據(jù)驅(qū)動糾偏策略驅(qū)動3路電機(jī)控制導(dǎo)向塊使鉆具偏移角回到該域值范圍內(nèi)，然后收回導(dǎo)向塊，繼續(xù)鉆進(jìn)。其工作流程如圖4所示。

圖4 電驅(qū)控制流程圖Fig.4 The electric drive control flow

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用3路無刷直流電機(jī)能夠在井下復(fù)雜的環(huán)境中穩(wěn)定的工作，自動糾正鉆具的偏移角度，使鉆具時(shí)鐘保持垂直鉆進(jìn)，同時(shí)能夠在故障條件下自動保存偏斜數(shù)據(jù)，自動重啟后繼續(xù)工作。特定無刷直流電機(jī)的額定功率為44 W，額定電壓為24 V，額定轉(zhuǎn)速為13 r/min，額定電流為2.5 A。當(dāng)電機(jī)在正傳中如圖5所示為電機(jī)在無負(fù)載正轉(zhuǎn)狀態(tài)下和有負(fù)載狀態(tài)下的電流信號與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系矢量圖。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在轉(zhuǎn)速為15 r/min時(shí)，到達(dá)要求的轉(zhuǎn)矩2 N·m。

圖5 電流信號與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系矢量圖Fig.5 The relationship vector between current signal and the motor speed

7 結(jié)論

自動控向垂直鉆井系統(tǒng)中糾偏系統(tǒng)主要采用的是液壓糾偏系統(tǒng)，本文提出了一種電控糾偏系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。電控糾偏系統(tǒng)與液壓糾偏系統(tǒng)相比：電控糾偏系統(tǒng)具有快速電驅(qū)可準(zhǔn)確性調(diào)整、定位；由于驅(qū)動器具有斷電保護(hù)功能，所以具有記錄位置的功能；電機(jī)直接正反轉(zhuǎn)控制導(dǎo)向塊伸縮，控制精度高；摒棄了油箱、液壓泵、液壓管路等，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，能耗低、控制靈活等優(yōu)勢。所以適合井下惡劣的工作環(huán)境和苛刻的空間限制，在地質(zhì)勘探小直徑導(dǎo)向鉆進(jìn)中具有很好的應(yīng)用研究價(jià)值［8］。

［1］ 周琴，姚愛國.自動垂直鉆進(jìn)系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.石油機(jī)械，2003，31（12）：12-15.

［2］ 鄒繼斌.無位置傳感器無刷直流電機(jī)驅(qū)動電路的研究［J］.微電機(jī)，1999，32（2）：16-18.

［3］ 石得權(quán).自動控向垂鉆系統(tǒng)性能試驗(yàn)研究［D］.武漢：中國地質(zhì)大學(xué)，2005.

［4］ 安生美半導(dǎo)體.MC33035［EB/OL］.http：//www.onsemi.cn/PowerSolutions/product.do?id=MC33035.

［5］ 安生美半導(dǎo)體.MC33039［EB/OL］.http：//www.cosemi.cn/PowerSolutions/product.do?id=MC33039.

［6］ 何進(jìn)進(jìn).基于MC33035的無刷直流電機(jī)控制器［J］.中國西部科技，2009（27）：27-29.

［7］ 韋敏，季小尹.MC33035在直流無刷電機(jī)控制中的應(yīng)用［J］.電工技術(shù)雜志，2004（11）：83-85.

［8］ 趙秀紹，王延軍，姚愛國，等.微機(jī)自動控向垂鉆系統(tǒng)中測斜技術(shù)研究［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2005，33（3）：78-80.

Electronic Control Corrective Control System Design Based on MC33035 by Brushless DC Motor

WU Tao，YANG Jing
（College of Mechanical&Electronic Information，China University of Geosciences Faculty，Wuhan430074，Hubei，China）

In order to the development and application of the small diameter automatic steering down hole discussed a new method of electronic control corrective control system used by brushless DC motor.Trough controller drive the brushless DC motor connect to guide block of the drilling，and the motor control of the guide block scale to correct drill vertical position.A based working principle of the rectify control are analyzed，realized the fault diagnosis of electronically controlled rectifying and restart to guarantee the drill vertical drilling.Electronically controlled rectifying in small diameter vertical drilling field has important application value.

brushless DC motor；electronic controlled rectifying；fault detection

TM921.1

A

吳濤（1979-）男，博士，副教授，Email：wlhxxx@163.com

2013-07-18修改稿日期：2013-11-27