旋转导向工具驱动总成控制器设计

牛海峰 蒋世全 童征 李汉兴 张新强 陈红新

【摘要】根据目前所研制的旋转导向工具驱动总成的矢量位移控制和多机通讯的要求，结合当今测控技术领域的发展趋势，提出了基于Modbus通讯协议的旋转导向工具驱动控制器的设计方案。该控制器采用ARM7核心架构的微控制芯片，能够在井下高温高压工况下，实现数据通讯、电机PID调速和矢量位移闭环控制的功能。实验室测试表明，设计的驱动总成控制器通讯稳定，运行正常，能够满足旋转导向工具导向控制的要求。

【关键词】Modbus 旋转导向 驱动总成 矢量位移控制 闭环控制

旋转导向钻井技术是当今钻井自动化的一项前沿技术，该技术通过钻柱旋转的导向方式，能够在井下根据作业指令，调整井眼轨迹，从而具有显著提高钻井速度和降低钻井成本的优点。随着油田钻井作业对该项技术需求的增加，国内的一些研究院所，已经着手开展旋转导向工具关键技术的研究和样机的研制。中海油研究总院自2001年就已经针对旋转导向技术开展相关研究工作，现已成功研制出旋转导向钻井工具样机，并已经在陆地油田进行了30余井次的现场试验，初步达到了工程化应用的水平。该工具采用旋转芯轴和不旋转外套相结合的设计方案，通过井下微电机驱动安装在不旋转外套上的3个导向滑块，实现导向执行机构的偏心位移矢量控制。为了实现在井下对旋转导向钻井工具精确的偏心位移矢量控制，安装在旋转导向工具不旋转外套上的驱动总成是关键部件之一。本文介绍了针对驱动总成的控制器，以ARM7为核心架构搭建处理器，基于MODBUS通讯协议，通过嵌入式一体化开发和模块化设计，实现了旋转导向工具井下控制、数据采集和数据通讯的功能。

1 驱动总成

驱动总成安装在旋转导向工具的不旋转外套上，是一套机电一体化的液压执行系统。如图 1所示，其主要结构包括：电机、柱塞泵、电磁阀、液压缸、位移传感器和驱动控制器。系统工作时，电机依靠井下发电机提供电源，带动柱塞泵工作，使得驱动总成内部产生液压动力；驱动控制器采集位移传感器数据，得到液压缸的行程位置，通过控制电磁阀的开合状态改变液压油的流向，控制液压缸运动到设定的控制位置。

旋转导向工具需要轴向安装3个驱动总成，相邻的驱动总成之间的夹角为120°。为了达到矢量位移控制的要求，驱动总成之间需要协调控制，同时，对于驱动总成上集成的电机、电磁阀和传感器也要进行实时的控制和信息采集，这样对于控制器的处理性能要求较高，因此，在控制系统的设计方案上采用分层控制的结构，如图2所示，自上而下分为管理层、协调层和应用层。管理层由地面工控机负责整个旋转导向工具驱动控制系统的监控和调试，在地面调试时，地面工控机通过RS232串行接口与井下中控机连接，进行发送指令和采集数据，当旋转导向工具在井下作业时，地面工控機将指令发送给泥浆分流装置，通过改变下行泥浆脉冲完成指令发送，同时，随钻测量工具将井下所采集的数据通过上行泥浆脉冲发送给地面压力采集模块，由其将解析出来的数据发送给地面工控机；协调层通过安装在旋转导向工具电子腔内的井下中控机，实现各个控制层之间的数据交换；应用层能够实现对驱动总成的控制。对于驱动总成控制器的设计在应用层完成。

2 硬件设计

2.1 微控制单元

驱动总成控制器的微控制单元选用ADI公司的ADuC7128处理器芯片。ADuC7128具有一个128kB内存的32位ARM7RISC微控制器核，一个10 bit数模转换器（DAC），一个12 bit 1 MSPS ADC，一个16 bit脉宽调制器（PWM）和正交编码器，输入通道达14路，集成2阶低通滤波器（LPF）和可编逻辑阵列（PLA），有一个32 bit，21 MHz的直接数字频率合成器（DDS）连接到DAC输入端，其中该DAC还包含一个10Ω线路驱动器，可工作在差分和单端输入模式下，具有温度传感器和电压比较器，以LFCSP形式封装，可以通过JTAG接口实现编程和调试。

2.2 电源转换单元

外部输入的直流电压范围为：43V～53V，根据系统中电子元器件对电压的需求，需要通过降压的方式产生5V、3.3V和2.5V的电压，具体的实现方法如下：选用DC/DC电源转换芯片LM5010AMH，将外部直流电压转换为驱动控制板的供电电压5V；MCU芯片ADuC7128需要3.3V的数字和模拟电源进行供电，因此，通过LDO芯片AP122_33将对驱动控制板供电的5V电压转换为3.3V电压，同时，将此数字电源经过一个30μH的电感进行隔离，可以得到所需的3.3V模拟电源；另外，与驱动控制板连接的位移传感器所需的工作电压为2.5V，可以采用LDO电压转换芯片ADR441B-R，将3.3V电压进行转换而得到。

2.3 位移监测单元

选用霍尼韦尔公司生产的MLT系列线性位移传感器，对驱动总成的位移数据进行实时采集，该传感器电气行程达101.6mm，线性度达1%。位移传感器所采集的位移信号通过由运算放大器AD8603所构成的电压跟随器，进入ADC采样。

2.4 电机驱动控制单元

BLDC驱动器选用A3930，该控制IC集成了整流逻辑控制功能，仅需要少量的外部MOSFET便可工作，既能够减少微处理器的负载，提高系统的可靠性与稳定性，又能够减少电路板面积，有利于安装。在驱动电机时，通过MCU芯片ADuC7128驱动BLDC驱动控制器A3930，A3930经过MOSFET桥式电路驱动直流电机，同时，A3930芯片监测直流电机上面的霍尔传感器信号，最后，经过PID控制算法修正，构成闭环控制系统，使直流电机转速稳定在设定值。

2.5 电磁阀控制单元

根据驱动总成的液压控制系统的具体要求，MCU芯片ADuC7128设计提供3路电磁阀控制信号输出，其所发出的电磁阀控制信号，经过2片并联的UCC27424驱动芯片，对电磁阀进行驱动。UCC27424是一款高速双同相MOSFET驱动器，工作电压范围为4.5V～15V，电流驱动范围可达-4A～4A，通过2个芯片并联，可以得到更高的驱动电流输出。

2.6 通讯单元

由于驱动总成控制器与上层协调层的井下中控机之间的通讯为多机通讯，其中，驱动总成控制器为从机，井下中控机为主句，因此，为了确保数据通讯的可靠性，通讯方案采用RS485物理接口。RS485采用差分方式传输数据信号，具有抗噪声干扰、传输距离长、可以连接多台从机的优点。采用SN65HVD1781作为RS485的接口芯片，工作电压为3.3V，传输速率可达10 Mbps，SOIC封装，具有功耗低，传输速率高，集成度高的特点。

3 软件设计

驱动总成控制器的软件程序采用C语言编写，主要由3个子程序模块构成：电机闭环控制模块、液压缸行程闭环控制模块、Modbus数据解析模块。

3.1 电机闭环控制模块

该模块控制直流电机的运行，以确保驱动总成能够具有充足的动力。软件会根据井下中控机所发送的电机速度设定值与当前电机转速，计算出二者之间的速度差值；如果速度差值大于阈值，电机会根据PID算法进行加速或减速，直至当前电机转速达到电机转速设定值。

所谓PID控制是根据给定值r（t）与实际输出值c（t）所构成的控制偏差： e（t）=r（t）-c（t），将该偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。PID调节的控制规律如下：

式中：

K_P——比例系数；

T_I——积分时间常数；

T_D——微分时间常数。

3.2 液压缸行程闭环控制模块

该模块通过检测位移传感器的数值，获知当前液壓缸的行程数据，通过与井下中控机所发送的液压缸目标位移设定值进行对比，对当前驱动总成中的电磁阀开合进行控制，从而改变液压油的流向，使液压缸能够运行到设定的位置。

3.3 Modbus数据解析模块

该模块用来处理驱动总成控制器与井下中控机之间基于Modbus协议的数据通讯。Modbus协议最初是由Modicon公司于1978年开发的一种通信协议，现已成为适用于电子控制器上的一种通用语言，广泛应用于工业自动化领域，具有开放、简单的优点。Modbus协议是具有主从结构的通讯协议，能够设置1个主机和最多247个从机，从机需要接收到主机所发出的请求，才能够与主机通讯，并且不能主动发起通讯请求，另外，从机之间不能进行通讯。Modbus协议规定，主机可以向多个从机发送请求，每个从机都具有自己的一个8位地址编码（地址编码范围1-247），每个从机的地址码是唯一的。Modbus具有两种信息传送模式，RTU（Remote Terminal Unit）模式和ASCII模式。由于，在相同通讯速率条件下，RTU模式比ASCII模式能够传输更多数据，因此，在控制系统中，选用RTU模式。使用RTU模式，所发送的信息帧之间的时间间隔至少应为3.5个字符时间，波特率为19200bps，信息帧包括4个部分，分别为：从机地址、功能代码、数据和CRC校验。

4 实验结果

为了测试驱动总成控制器的工作性能，试验样机在实验室内进行了功能测试试验，重点考察驱动总成控制器的数据采集、数据通讯和闭环控制性能。试验结果表明，驱动总成控制器能够完成对各执行元件的控制，通讯接口工作正常。

5 结论

针对旋转导向工具驱动总成井下控制和数据采集需要，本文提出了基于ARM7核心架构和Modbus通讯协议的控制器技术解决方案，该方案结构简单，集成度高、通讯稳定，抗干扰能力强，能够适用于现场旋转导向钻井作业的需要。

参考文献

[1] 蒋世全，大位移井技术的发展现状及启示[J].中国海上油气（工程），1999（3）：1-8

[2] 李汉兴、姜伟、蒋世全，等，可控偏心器旋转导向钻井工具研制与现场试验[J].石油机械，2007（9）：71-74

[3] 张美金，宋志忍.基于MODBUS协议的矿井压力监控系统设计[J].微计算机信息，2011（6）：42-44

[4] 陈在平，等.现场总线及工业控制网络技术[M].北京：电子工业出版社，2008：99-1，06