近钻头电阻率随钻测量系统中电流激励源的设计

艾维平，邓 乐，宋延淳

（中国石油集团钻井工程技术研究院井下控制工程研究所，北京100083）

0 引 言

在高效开发复杂油藏方面，地质导向钻井技术具有明显优势，近钻头电阻率随钻测量系统是地质导向钻井技术的关键部分，而地层电阻率则是实施综合地层评价重要的地质参数之一。地层电阻率测量的基本方法是给钻铤上的发射天线施加交变激励电流，经过钻铤和地层构成的回路，接收天线上则会产生出与感生电流成比例的电动势。钻铤上所感生的电动势和接收天线上所感生的电压刻度即为近钻头电阻率。

正弦波电流激励通常采用线性功率放大电路，因其功耗较大，不宜用于井下高温环境。本文则以数字信号控制器（DSC）为控制芯片，利用其强大的DMA功能产生高频SPWM驱动波形，经过全桥逆变后，输出900 Hz正弦波电流激励源，将其用于地层电阻率测量中给发射天线施加交变激励电流，具有谐波含量少、体积小以及效率高等特点。

1 硬件电路设计

由于近钻头电阻率随钻测量系统受到井下高温、高压及强振动等恶劣因素的影响，使得在设计硬件电路时，系统可靠性尤为重要。首先，要选用工作温度至少在125℃以上的电子器件，并且要对整个电路的发热进行严格控制，以防止电路在高温下热损坏。其次，要对焊接好的印制电路板采用减震橡胶封裹，以抵御井下振动和冲击碰撞对电路板的危害。

1.1 主电路结构

正弦波脉宽调制（SPWM）方式可分为单极性调制、双极性调制以及单极性倍频调制［1，2］。本文选择单极性调制方式，其主电路结构如图1所示。图1中功率开关管V1和V2组成的高频臂以载波频率工作，而V3和V4组成的低频臂则以调制频率工作。

图1 主电路结构

单极性SPWM调制工作原理是：在一个调制正弦波周期内，前半周期内V1和V3以载波频率导通，V2和V4截止；后半周期内V2和V4以载波频率导通，V1和V3则截止。与其它调制方式相比，单极性SPWM调制方式不仅可以减小功率管损耗增强其工作可靠性，而且提高了功率逆变的效率，其工作波形如图2所示。

图2 主电路工作波形

1.2 控制及驱动电路

如图3所示，选用Micr ochip公司具有丰富外设接口功能的数字信号控制器（DSC）ds PIC33F128 M C802作为本系统主控器件，利用其端口自定义功能根据设计需要灵活的配置输出端口［3］。四只功率管的驱动信号均由数字信号控制器输出比较模块产生，需要驱动电路将逻辑电平转换为10～15 V，加在功率管栅极和源极之间，在功率管开关时提供所需的驱动电流，以克服密勒电容的影响。采用专用的驱动器IR2101设计驱动电路，不需要浮动电源，简化了硬件电路设计，同分离元件组成的功率驱动电路相比，它的稳定性和可靠性都要更好［4］。由于高端功率管采用自举电容驱动，要求输入脉冲宽度大于1.5μs，对于小于1.5μs的脉冲没有输出，故存在过零点失真，实际应用中要对正弦表中的值加以修正。

图3 控制及驱动电路

2 SPWM原理与波形产生

2.1 SPWM基本原理

SPWM控制常用方法有：自然采样法、规则采样法和等效面积法［5］。自然采样法和面积等效法相对于规则采样法谐波较小，对谐波的抑制能力较强。因为单片机片内无较大空间实现在线运算，自然采样法不利于软件实现，综合考虑后采用等效面积法。其基本原理是按面积相等原则，构成与正弦波等效的一系列等幅不等宽矩形脉冲序列。该算法根据已知数据和正弦数值依次算出每个脉冲的宽度，通过查表方式实时控制，具有输出波形谐波小、精度高、对称性好等优点。

图4 面积等效法原理示意图

如图4所示，假设所需的输出正弦电压为

式中，Um为正弦波幅值。利用面积等效法正弦波小块面积S1与对应脉冲面积S2相等的原则，将正弦波的正半周分为N等分，则每一等分的宽度为π／N，计算出半个周期内N个不同的脉宽值。

正弦波S1面积为：

逆变器输入直流电压为UD，脉冲面积S1与S2相等，则：

故第k个区间的脉冲宽度δk为：

式中，M为调制度，即Um／UD，N 为半个周期内的脉冲个数。

2.2 SPWM波形的软件实现

SPWM波形的产生是通过在ROM创建一个正弦表，在程序中每隔一定时间从正弦表读出正弦值，并将该值换算成所允许的占空比范围，然后将它写入比较寄存器。为了减小CPU的工作负荷，采用直接存储器访问（DMA）方式进行查表，无需CPU协助即可在CPU及其输出比较模块之间方便地传输数据。创建产生正弦波的数据表时，表的大小在软件设计中要统筹考虑，表中点数若太少将导致输出谐波较大，而表中点数太多则会占用CPU资源。通常将PWM载波频率除以所需的最大调制频率作为查找表的点数。综合考虑载波比、输出谐波等因素，正弦表点数选择为32，载波频率为16 k Hz。

系统软件分主程序和中断服务子程序两部分。主程序主要功能是对系统中变量初始化、装载正弦表、配置DMA通道和定义比较输出模块，开中断后循环等待中断到来，中断到来则执行中断服务程序。如图5所示，两个DMA中断服务子程序中交替控制输出端口，以产生SPWM信号。

图5 中断服务子程序流程图

3 实验测试及结论

根据近钻头地层电阻率测量系统对发射天线电流激励源的要求，将研制的电流激励源在12 V母线电压下对发射天线进行了实验，测试结果见图6、图7。其中，图6为高频臂的SPWM驱动波形，图7为本文电流激励源的电流输出波形。结果表明，系统控制方案正确，谐波得到有效抑制，电流输出波形平滑，而且激励源调制频率稳定。

图6 功率管SPWM驱动波形

图7 电流输出波形

4 结 论

本文利用ds PIC33F128 MC802数字信号控制器的输出比较模块和直接存储器访问功能，通过软件查表方法产生单极性SPWM调制信号，简化了硬件电路，减小了CPU的开销。同一桥臂功率管死区时间通过编程控制在5μs左右。此外，该电流激励源谐波干扰小、电路结构简单、可靠性高，因而较好地解决了近钻头地层电阻率随钻测量中发射天线的电流激励问题。

［1］ 刘凤君.正弦波逆变器［M］.北京：科学出版社，2002.

［2］ 胡兴柳，彭小兵，穆新华.SPWM逆变电源的单极性控制方式实现［J］.机电工程，2004，21（1）：38－41.

［3］ ds PIC33F系列参考手册高性能数字信号控制器［Z］.2005，Microchip Technology Inc.

［4］ 谭建成.新编电机控制专用集成电路与应用［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［5］ 熊军华，王亭玲.三种SPWM波形生成算法的分析与实现［J］.微计算机信息，2008，24（7）：307－309.