驱动电机实时位置获取方法

鲍东升

（中海油田服务股份有限公司，三河 065201）

随钻测井是指测井仪器在钻进时，对井下的工程参数和地质参数进行测量并上传。在钻进过程中，井下测量传感器测得工程参数和地质参数，并将这些测得的参数（通常为模拟信号）通过数字编码器转换为数字信号。数字信号经过控制电路调制传递给驱动电路，驱动电路按照控制信号驱动电机运动，进而带动泥浆脉冲器转子按照相应的轨迹旋转或摆动，从而剪切泥浆流体产生泥浆压力波信号。信号经过钻杆传输到地面立管上，数据采集系统采集立管上压力传感器的数据，通过解调系统解码井下的压力信号获得工程参数和地质参数[1]。

高速泥浆脉冲遥传系统中，电机需要带动脉冲器转子在特定的角度范围内往复摆动或连续转动，因此电机的控制策略对系统设计十分重要。

泥浆脉冲器转子的运动需要控制以下3个指标。第一，帧结构。帧结构主要包括特征信息、同步信息、数据信息、校验等，对波形检测、同步、有效传输效率有较大影响。第二，摆动频率。泥浆脉冲器一般为高频往复摆动或连续旋转，摆动时摆动频率可达40 Hz。高摆动频率带来了高载波频率，而较高的载波频率为丰富调制方式提供了可能性。多频可以使用调频，单频可以使用调相。第三，电机功率和运动轨迹。运动轨迹有方波、三角波、正弦波等。不同的波形，执行功率也不同。比如，方波转矩需求大，消耗功率 也大。

为了不断更新改进控制策略，需要根据现场使用情况跟踪已有仪器。但是，有些高速泥浆脉冲仪器由于设计制造时间久远或人员流动，控制方法和控制策略丢失。为了分析这类脉冲器电机的控制策略，需要监控并记录电机的实时位置。因此，本文设计了一种基于虚拟仪器来获取电机实时位置的方法。

1 系统总体设计

采集系统基于NI的虚拟仪器平台。虚拟仪器是指通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合，用户可通过友好的图形界面来操作这台计算机，如同在操作自己定义、自己设计的一台单个仪器，从而完成对被测量仪器的采集、分析、判断、显示、数据存储等。在虚拟仪器中，硬件只是为了解决信号输入和输出，软件才是核心。用户使用软件进行测量就像操作虚拟的测量仪器，而虚拟仪器因此得名[2-3]。

2 电机位置获取方案

采集系统总体方案如图1所示，主要由NI USB 6531采集卡、工控机及上位机程序3部分组成。采集系统的输入是目标脉冲器自身的激磁信号的幅值、频率以及旋转变压器输出的正余弦信号等，电机运行轨迹显示在工控机的LabVIEW程序上。

图1中脉冲器电机部分结构虚线框内表示未知控制策略的高速泥浆脉冲器自身的部分结构。具体采集过程是脉冲器电机带动旋转变压器，旋转变压器的激励及输出接入到采集卡，采集卡得到的数据经过处理后，经通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）接口传输到工控机上，通过工控机上的程序得到电机的实时位置等信息。

3 软件程序技术实现

上位机程序架构，如图2所示。程序主体分为数据采集、旋变解码和图形显示3个主要模块。数据采集模块实时采集脉冲器电机的位置波形，旋变解码模块处理采集的数据，图形显示模块显示位置波形[4-5]。数据采集模块和旋变解码模块既可以单独使用，也可以作为一个整体采集脉冲器电机的位置波形。

程序包括物理通道的数据采集、解码处理、波形显示及文件存储等。

软件程序前面板如图3所示，包含两个点位精度的角度变化图及拟合后的激励波形、余弦波形、正弦波形等。

4 效果验证

采集系统完成后，用已知控制策略的高速泥浆脉冲器来验证其有效性。本系统采集的位置数据与仪器自带采集电路得到的数据相比，发现两者波形曲线基本重合，如图4所示。因此，可以确认本系统的采集精度满足要求。

5 结语

利用本采集系统可以有效获取脉冲器电机的实时位置，从而实现如下目的：

（1）对于未知控制策略的高速泥浆脉冲器，获取电机的实时位置波形，通过分析得到帧结构及轨迹等信息，进而得到其控制策略；

（2）利用本设计的程序可以有效解析未知脉冲器电机的调制方式、编码及控制效果；

（3）利用本设计也可以监控并记录已知脉冲器电机的控制效果，以便分析其控制效果。