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| 垂直钻井系统中直流无刷电机的专家PI控制(zxj) |
| 2012年5月11日 |
摘要：无刷电机控制系统是自动垂直钻井T具的关键部件。简要介绍自动垂直钻井工作原理，以及电机的控制依据，详细阐述转速、电流双闭环数字PI串级控制系统的原理及电路。本文提出专家PI调节算法的软件实现方法。
结果表明，该电机控制系统设计合理可行，能较好满足垂直钻井系统的实际需要。
关键词：垂直钻井；无刷电机；数字信号控制器；专家控制O弓l 言钻深井或超深井时，其直井段井眼的垂直度对于钻井作业的成败至关重要，故普遍要求防斜打快和安全低成本，但由于受到地层倾角大、高陡构造带、山前逆掩推覆体区域等复杂地质条件的影响，常规的防斜钻井技术很难满足垂直钻井要求。
目前，自动垂直钻井则是解决防斜打快最为有效的一种技术，其中的纠斜推力控制系统是重要组成部分。纠斜推力的作用是克服地层造斜力对井眼垂直度的影响，若井斜一旦超过容许范围，系统必须施加准确的推力及时地进行纠斜，否则系统将以相等推力支撑井壁保持其垂直钻进状态。
自动垂直钻井工作原理是：当钻具下钻到井底开始钻进时，自动垂卣钻井系统则进人工作状态，三只纠偏肋板全部伸出并支撑井壁，使活套与井壁保持相对静『I；测斜系统根据检测到的i维正交加速度计信号，计算出井斜、重力高边及三个方向的纠斜推力，其合力指向重力高边，并判断井斜是否超过容许范围。井斜若超过容许范围，则测斜系统将三个推力分别发送到控制系统作为推力给定值，从而控制三台电机以各自的转速运行，经过磁力连轴器带动油泵运转，由液压系统驱动活塞控制三只肋板以相应的推力支撑井壁，调节井眼回到垂直位置。否则，j台电机将等速运行，所有肋板则以相同推力支撑井壁保持垂直钻进状态。当遇到起钻、划眼等：I：况时，测斜系统发出指令，电机停止运行，所有肋板被快速收旧到初始位置，自动垂直钻井系统退出T作状态。
本文以Microchip公司的16位数字信号控制器dsPIc30F4012作为主控制器，并结合直流无刷电机的自身结构，设计了基于转速、电流双闭环数字PI串级控制的电机控制器。DsC将数字信号处理能力与电机高效控制能力集于一体，以实现用软件取代模拟器件，方便地修改控制策略，从而使控制系统硬件电路简单可靠。
1无刷电机特性直流无刷电机的速度和转矩控制主要依据如下方程㈦：
式中，n为电机转速(r／m洫)，M为电机转矩(Nm)，u为电源电压(v)，△u为功率管饱和压降(V)，为平均电枢电流(A)，r…为电枢绕组的平均电阻(n)，K为反电动势系数(V／r·min)，K。为转矩系数(Nm／A)。
从以上方程可知，在同一转速r改变电源电压，就可以容易改变输出转矩，或在同一负载下改变电源电压来改变转速。所以，无刷电机的调速性能较好，可通过改变电源电压实现无级平滑调速。本文采用电源电压恒定，通过改变三相逆变桥PwM驱动信号占空比实现无刷电机的调速。
由图1控制系统电路原理图可见，无刷电机低速下的机械特性较软，堵转扭矩随着电机转速的降低而减小，将直接影响电机的带载能力。电机可以运行在额定范围内任何电压下，空载转速与堵转转矩将随着给定电压的改变而呈线性关系。
2控制原理2．1控制方案电机双闭环控制原理框图如图2所月i，垂直钻井系统中无刷电机控制采用转速、电流双闭环数字PI串级控制，其中主环为转速环，副环为电流环。
根据电机霍尔位置信号计算m转速反馈值，与给定的转速值比较后，进行PI增量式涮节，输出到电流调节环作为电流给定值。
由于垂直钻井系统中用的电机相电感和相电阻均较小，即使提高功率开关频率，相电流仍会存在断续状态，在每一个PwM周期中，电源输出电流呈不连续尖峰状。冈此对电机电流采样前加一个模拟低通滤波器，并在Dsc巾进行数字平均滤波，于是电流环实际上是调节电源输出的平均电流。每一个PwM周期控制器调节Dsc输出的PwM占空比，以达到电流调节的目的。
2．2控制电路根据垂直钻井纠斜机构对无刷电机控制系统性能的特殊要求，考虑到井下高温、高压、强振动、空间狭小以及低功耗等冈素，采用MicrochIp公司的dsPIc30F4012数字信号控制器(Dsc)作为本系统的核心控制器件。电机控制系统主要包括：母线电流检测电路、模拟低通滤波电路、功率管驱动电路、三相逆变桥等，如图3所示。
Dsc通过三个电平变化通知端u(cN5、cN6、cN7)，捕捉电机上3个相位差120。的霍尔传感器脉冲信号(H allA、HaIlB、Hallc)，通过控制系统译码以确定转子的转动位置，并根据转子位置写相应控制字到McPwM模块的0VDc0N控制寄存器中，以改变无刷电机在全桥逆变电路中MOsFET的导通顺序，从而实现电机的换相。
在转子旋转一周的时间内，霍尔传感器共产生六个换相信号，即在每两个换相信号之间存在60。电角度，故电机的转速为n=△θ/△r。在换相中断程序中根据换相节拍可得到霍尔信号周期。由于一个霍尔传感器位置相对于电机固定不变，在每个霍尔周期中，电动机转过的机械角度固定不变，即可通过测量霍尔传感器脉冲信号周期，可得到电机转速。
为了保证转速检测的准确性，实际系统中测得的电机转速是n，即数个相邻测量值的平均值。
电流环目的是使电机以恒定的电流运转，以对电机转子产生恒定的加速力矩。母线电流检测电路如图4所示。为了精确地检测出电机工作电流，降低共地造成的噪声干扰，提高电流信号的信噪比，本文采用高端电流检测器岍c610l实时检测采样电阻Rs两端的电压，对其按设定增益进行放大，经过滤波降噪、信号调理后送到DSC：的A N0进行数字采样，并由Dsc再进行数字平均滤波，得到电机工作电流作为电流环的反馈值。
3控制软件3．1控制策略自动垂直钻井中纠斜推力的控制精度对井眼质量影响较大，其纠斜过程较为复杂，因系统惯性较大，影响因素多，控制对象不易准确建模。采用数字PI调节算法较为适合，PI调节算法是综合快速性和稳态无差性的控制方法，具有简单实用、鲁棒性好等优点。同时，软件算法应着重考虑的是解决局部小范同精确快速调整，优化软件结构，减少代码量，降低耗cPu时间。
南于电机转速值是基于换相周期通过软件得到，转速的采样率将随着转速而变化，因此在低转速下电机转速环的控制性能会下降，为此，本文将转速外环PI调节器采用专家PI调节算法，电流内环调节器则采用常规PI调节算法。
3．2调节算法专家PI控制算法的实质是基于受控对象和控制规律的各种知识，并以智能的方式利用这些知识来设计控制器。根据误差及其误差变化率，按照以下五种情况进行设计专家PI控制器，具体的控制规则如下：
1)当误差的****值已经很大，不论误差变化趋势如何，控制器则按****或最小值输出，以达到迅速调整误差，使误差****值以****速度减小，此时它相当于实施开环控制。
2)当误差朝误差****值增大方向变化，或误差为某一常数未发生变化。若误差本身较大，则控制器将实施较强的控制作用，以达到扭转误差****值朝减小方向变化，并迅速减小误差****值；若误差朝****值增大方向变化，但误差****值本身并不很大，则控制器将实施一般的控制作用，只要扭转误差的变化趋势，使其朝误差****值减小方向变化。
3)当误差的****值朝减小的方向变化，或者已经达到平衡状态，此时采取保持控制器输出不变。
4)当误差处于极值状态，若误差的****值较大，则实施较强的控制作t}=}j，如果误差的****值较小，可考虑实施较弱的控制作用。
5)当误差的****值已经较小，此时引入积分控制，以减小稳态误差。
号家PI调节算法的软件流程如图5所示。
图5中，e(＆)表示离散化当前采样时刻瀑差值，误差变化率为△e(k)=e(k)一e(k一1)。e。
(k)为第^个误差的极值；u(k)为第k次控制器的输出；Du‘yMax和Du‘yM-n分别为占空比上下限。
本文巾控制周期为1 ms，比例系数K=O．5，积分系数k=0.01，s为10，设定的误差界限M=2000．M=500． |
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