驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)時(shí)位置獲取方法

鮑東升

（中海油田服務(wù)股份有限公司，三河 065201）

隨鉆測(cè)井是指測(cè)井儀器在鉆進(jìn)時(shí)，對(duì)井下的工程參數(shù)和地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量并上傳。在鉆進(jìn)過(guò)程中，井下測(cè)量傳感器測(cè)得工程參數(shù)和地質(zhì)參數(shù)，并將這些測(cè)得的參數(shù)（通常為模擬信號(hào)）通過(guò)數(shù)字編碼器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)控制電路調(diào)制傳遞給驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路按照控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)泥漿脈沖器轉(zhuǎn)子按照相應(yīng)的軌跡旋轉(zhuǎn)或擺動(dòng)，從而剪切泥漿流體產(chǎn)生泥漿壓力波信號(hào)。信號(hào)經(jīng)過(guò)鉆桿傳輸?shù)降孛媪⒐苌?，?shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集立管上壓力傳感器的數(shù)據(jù)，通過(guò)解調(diào)系統(tǒng)解碼井下的壓力信號(hào)獲得工程參數(shù)和地質(zhì)參數(shù)[1]。

高速泥漿脈沖遙傳系統(tǒng)中，電機(jī)需要帶動(dòng)脈沖器轉(zhuǎn)子在特定的角度范圍內(nèi)往復(fù)擺動(dòng)或連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此電機(jī)的控制策略對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)十分重要。

泥漿脈沖器轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)需要控制以下3個(gè)指標(biāo)。第一，幀結(jié)構(gòu)。幀結(jié)構(gòu)主要包括特征信息、同步信息、數(shù)據(jù)信息、校驗(yàn)等，對(duì)波形檢測(cè)、同步、有效傳輸效率有較大影響。第二，擺動(dòng)頻率。泥漿脈沖器一般為高頻往復(fù)擺動(dòng)或連續(xù)旋轉(zhuǎn)，擺動(dòng)時(shí)擺動(dòng)頻率可達(dá)40 Hz。高擺動(dòng)頻率帶來(lái)了高載波頻率，而較高的載波頻率為豐富調(diào)制方式提供了可能性。多頻可以使用調(diào)頻，單頻可以使用調(diào)相。第三，電機(jī)功率和運(yùn)動(dòng)軌跡。運(yùn)動(dòng)軌跡有方波、三角波、正弦波等。不同的波形，執(zhí)行功率也不同。比如，方波轉(zhuǎn)矩需求大，消耗功率 也大。

為了不斷更新改進(jìn)控制策略，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用情況跟蹤已有儀器。但是，有些高速泥漿脈沖儀器由于設(shè)計(jì)制造時(shí)間久遠(yuǎn)或人員流動(dòng)，控制方法和控制策略丟失。為了分析這類脈沖器電機(jī)的控制策略，需要監(jiān)控并記錄電機(jī)的實(shí)時(shí)位置。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于虛擬儀器來(lái)獲取電機(jī)實(shí)時(shí)位置的方法。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)基于NI的虛擬儀器平臺(tái)。虛擬儀器是指通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與功能化硬件結(jié)合，用戶可通過(guò)友好的圖形界面來(lái)操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)，如同在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺(tái)單個(gè)儀器，從而完成對(duì)被測(cè)量?jī)x器的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。在虛擬儀器中，硬件只是為了解決信號(hào)輸入和輸出，軟件才是核心。用戶使用軟件進(jìn)行測(cè)量就像操作虛擬的測(cè)量?jī)x器，而虛擬儀器因此得名[2-3]。

2 電機(jī)位置獲取方案

采集系統(tǒng)總體方案如圖1所示，主要由NI USB 6531采集卡、工控機(jī)及上位機(jī)程序3部分組成。采集系統(tǒng)的輸入是目標(biāo)脈沖器自身的激磁信號(hào)的幅值、頻率以及旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的正余弦信號(hào)等，電機(jī)運(yùn)行軌跡顯示在工控機(jī)的LabVIEW程序上。

圖1中脈沖器電機(jī)部分結(jié)構(gòu)虛線框內(nèi)表示未知控制策略的高速泥漿脈沖器自身的部分結(jié)構(gòu)。具體采集過(guò)程是脈沖器電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)變壓器，旋轉(zhuǎn)變壓器的激勵(lì)及輸出接入到采集卡，采集卡得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后，經(jīng)通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）接口傳輸?shù)焦た貦C(jī)上，通過(guò)工控機(jī)上的程序得到電機(jī)的實(shí)時(shí)位置等信息。

3 軟件程序技術(shù)實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)程序架構(gòu)，如圖2所示。程序主體分為數(shù)據(jù)采集、旋變解碼和圖形顯示3個(gè)主要模塊。數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)采集脈沖器電機(jī)的位置波形，旋變解碼模塊處理采集的數(shù)據(jù)，圖形顯示模塊顯示位置波形[4-5]。數(shù)據(jù)采集模塊和旋變解碼模塊既可以單獨(dú)使用，也可以作為一個(gè)整體采集脈沖器電機(jī)的位置波形。

程序包括物理通道的數(shù)據(jù)采集、解碼處理、波形顯示及文件存儲(chǔ)等。

軟件程序前面板如圖3所示，包含兩個(gè)點(diǎn)位精度的角度變化圖及擬合后的激勵(lì)波形、余弦波形、正弦波形等。

4 效果驗(yàn)證

采集系統(tǒng)完成后，用已知控制策略的高速泥漿脈沖器來(lái)驗(yàn)證其有效性。本系統(tǒng)采集的位置數(shù)據(jù)與儀器自帶采集電路得到的數(shù)據(jù)相比，發(fā)現(xiàn)兩者波形曲線基本重合，如圖4所示。因此，可以確認(rèn)本系統(tǒng)的采集精度滿足要求。

5 結(jié)語(yǔ)

利用本采集系統(tǒng)可以有效獲取脈沖器電機(jī)的實(shí)時(shí)位置，從而實(shí)現(xiàn)如下目的：

（1）對(duì)于未知控制策略的高速泥漿脈沖器，獲取電機(jī)的實(shí)時(shí)位置波形，通過(guò)分析得到幀結(jié)構(gòu)及軌跡等信息，進(jìn)而得到其控制策略；

（2）利用本設(shè)計(jì)的程序可以有效解析未知脈沖器電機(jī)的調(diào)制方式、編碼及控制效果；

（3）利用本設(shè)計(jì)也可以監(jiān)控并記錄已知脈沖器電機(jī)的控制效果，以便分析其控制效果。