具有無傳感器角位置確定的傳感器換向電動馬達和方法

專利名稱：具有無傳感器角位置確定的傳感器換向電動馬達和方法
技術領域：
本說明書所公開主題的實施例一般涉及方法和馬達，以及更具體來說，涉及將傳感器用于使馬達換向并且將反電磁力(emf)用于確定馬達的轉子的旋轉位置的機制和技術。
背景技術：
增加的定向油井的鉆井要求與鉆井期間的鉆頭取向相關的信息以及與然后被鉆井的地質地層的類型相關的數據連續地傳送到表面，使得能夠對鉆頭取向進行校正，以便沿期望方向引導井眼，并且接收關于遇到的地質地層的信息。當執行定向鉆井時，隨鉆測量(MWD)泥漿脈沖器通常用于將井下得到的這類各種測量傳送到表面供處理。這些測量作為稱作泥漿脈沖遙測的泥漿脈沖來傳送。泥漿脈沖器通過井下調制沿空心鉆桿向下抽吸的鉆井流體或‘泥漿’的壓力進行操作，以便由此通過鉆井泥漿的調制壓力變化向表面傳送與鉆頭取向和地質地層相關的信息。泥漿脈沖器的許多設計不同程度成功地在井下使用。直流(DC)馬達操作的泥漿脈沖器的一個示例使用可逆電動馬達連同霍耳效應軸傳感器。安裝在馬達的定子上的霍耳效應傳感器確定轉子相對于定子的位置以及實際上使馬達換向(即，管理DC馬達的相應定子繞組的相應激勵以便管理DC馬達的旋轉)的方式(和時間)。但是，這類霍耳效應傳感器不僅用于馬達換向，而且還用于感測轉子轉數，并且隨轉數計數電路用于確定導閥位置，以便調制控制閥以及因而調制傳送到表面的泥漿脈沖。泥漿脈沖器的另一種設計具有無刷電動馬達，其中旋轉線性轉換系統用于管理導閥的位置。但是，這種設計不具有用于電動馬達的換向的任何轉子位置傳感器、例如霍耳效應傳感器。該泥漿脈沖器使用電動馬達的反emf電壓以便⑴使電動馬達換向，以及(ii)進一步確定轉子位置和轉數，并且由此確定閥位置。這樣，避免對霍耳效應傳感器的需要。因此，一種用于操作這種電動馬達的方法使用反emf來確定轉子位置，并且涉及保持給定馬達方向的相轉變的計數，以作為確定導閥相對于全開位置或全閉位置的位置的手段。在反emf用于使馬達換向的情況下，馬達需要以最小速率轉動，以便生成待感測的充分反emf。通過無傳感器換向，在馬達操作開始時以及在每分鐘低馬達旋轉(RPM)時，馬達的反emf較低，這可引起不足完全的馬達換向。相應地，需要以高精度使電動馬達換向并且還確定馬達的轉子的角位置。

發明內容
按照一不范實施例，存在一種將傳感器用于換向并且使用反emf電壓來確定角位置的電動馬達組裝件。電動馬達組裝件包括電動馬達，具有轉子和包括一個或多個繞組的定子；定子上的一個或多個傳感器，配置成確定轉子的角位置；以及馬達控制電路，電連接到電動馬達和一個或多個傳感器，并且配置成基于從一個或多個傳感器所接收的信號來控制電動馬達的換向。馬達控制電路配置成基于一個或多個繞組的反emf電壓并且與來自一個或多個傳感器的信號無關地確定轉子的總角旋轉。按照另一個示范實施例，存在一種泥漿脈沖器，該泥漿脈沖器配置成通過井內流動的液柱中產生的壓力波將數據從井的內部傳送到井的表面。泥漿脈沖器包括殼體，配置成由井壁來支承；電動馬達，位于殼體的馬達座穴中，并且具有轉子和包括一個或多個繞組的定子；定子上的一個或多個傳感器，配置成確定轉子的角位置；導閥，連接到電動馬達，并且配置成在導閥室中移動以用于閉合和開啟閥孔以產生通過液柱傳播到表面的壓力信號；以及馬達控制電路，電連接到電動馬達和一個或多個傳感器，并且配置成基于從一個或多個傳感器所接收的信號來控制電動馬達的換向。馬達控制電路配置成基于一個或多個繞組的反emf電壓并且與來自一個或多個傳感器的信號無關地確定轉子的總角旋轉。按照又另一個示范實施例，存在一種用于控制電動馬達的方法。該方法包括下列步驟基于來自附連到電動馬達的定子的一個或多個傳感器的信號使電動馬達換向；以及采用電連接到電動馬達的馬達控制電路、基于定子的一個或多個繞組的反emf電壓并且與來自一個或多個傳感器的信號無關地確定電動馬達的轉子的總角旋轉。在本發明的又另一方面，一示范實施例可包括諸如EPROM芯片、ASIC、UECM IC或閃速存儲器等的計算機可讀介質，其上編碼有諸如機器可讀代碼之類的指令，以用于指示馬達控制電路中的控制器來執行上述方法的任一個。


附圖示出一個或多個示范實施例而不是被理解為將本發明限制到這些所示實施例，附圖如下
圖1是按照一示范實施例的泥漿脈沖器的側面截面 圖2(a)示出按照一示范實施例的馬達的霍耳效應傳感器輸出、反emf電壓和相電流的圖表；
圖2(b)示出按照一示范實施例的另一電動馬達的霍耳效應傳感器輸出和相電流的放大圖表；
圖3是示出按照一示范實施例、將霍耳效應傳感器用于換向并且將反emf電壓用于角位置的馬達控制電路的示意 圖4是示出電動馬達的繞組激勵序列的示意 圖5是示出按照一示范實施例、使用霍耳效應傳感器來使馬達繞組換向的方式的流程
圖6是示出按照一示范實施例、使用反emf電壓來確定轉子的角位置的方法的流程
圖1是示出按照一示范實施例、使用反emf電壓來確定轉子的角位置的另一種方法的流程 圖8是示出按照一示范實施例、使用反emf電壓來確定轉子的角位置的又另一種方法的流程 圖9是按照一示范實施例、確定反emf電壓的運算放大器的示意圖示；
圖10是示出按照一示范實施例、用于確定轉子的總角旋轉的方法的流程圖；以及 圖11是按照一示范實施例、操作電動馬達的方法的流程圖。
具體實施例方式示范實施例的以下描述參照附圖。不同附圖中的相同參考標號標識相同或相似的元件。以下詳細描述并不是限制本發明。本發明的范圍而是由所附權利要求書來限定。為了簡潔起見，針對連接到泥漿脈沖中的導閥的無刷直流(BLDC)電動馬達的術語和結構來論述以下實施例。但是，隨后論述的實施例并不局限于BLDC馬達或者導閥，而是可適用于連接到其它部件的其它DC馬達。本說明書中通篇提到的“一個實施例”或“實施例”表示結合一個實施例所述的具體特征、結構或特性包含在所公開的主旨的至少一個實施例中。因此，詞語“在一個實施例中”或“在實施例中”在本說明書的各個位置中的出現不一定表示同一個實施例。此外，具體特征、結構或特性可按照任何適當方式結合在一個或多個實施例中。按照一示范實施例，BLDC馬達的新混合設計只使用霍耳效應傳感器并且限于使BLDC馬達換向的目的，因而在所有馬達速度下、甚至在馬達啟動時也具有良好馬達換向。但是，BLDC馬達將反emf電壓用于確定導閥位置的目的，其中導閥配置成在馬達的轉子轉動時沿預定方向線性移動。使用反emf電壓來確定馬達的轉子位置的方法可使用(i)例如CA 2738271中公開的反emf電壓的相轉變，或者(ii)馬達電壓、總電流和平均繞組電阻，來計算反emf電壓。后一種方法可如稍后所述對所確定反emf電壓(在首先將其與常數相乘之后)積分以確定在給定時間段上的總角旋轉量d(并且因而對應地確定導閥從已知起始位置的移動量)。可計算反emf，而不是只在給定時間測量反emf。例如，通過已知馬達電壓V、提供給特定激勵繞組A、B或C的電流Ia、Ib或I。，并且使用特定(已知)繞組電阻R，反emf電壓則可使用歐姆定律和下式來計算
反emf = V跨電池_ (I繞組a，b，或c R繞組a，b，或c)
備選地，可在沒有向轉子的單個繞組提供激勵的時間期間跨這種轉子繞組來感測反emf,以便確定馬達的瞬時反emf。例如，對于具有三個轉子繞組A、B和C的轉子，在向其兩個轉子繞組(例如馬達的換向期間的轉子繞組A和B)提供激勵時，一個轉子繞組被保持為去激勵(例如，在轉子旋轉期間，一次僅激勵兩個轉子繞組)。對于這個示例，如果激勵轉子繞組A和B，則其余轉子繞組C可用于測量馬達的反emf。按照另一個示范實施例，基于提供給馬達的總電流并且基于繞組的平均電阻來計算反emf。更具體來說，測量提供給馬達的總電流，并且例如從先前測量來得知對于繞組的平均電阻。然后，將所測量總電流與繞組的平均電阻相乘，并且從提供給馬達的總電壓中減去這個乘積以確定反emf。這樣，上述過程可應用于任何類型的DC馬達，而與繞組的數量和換向的類型無關。要注意，在一個應用中，DC馬達具有兩根導線，通過該兩根導線向馬達提供總電壓。因此，對于這個應用，經過導線的總電流以及跨導線的總電流被測量并且用于確定反emf。要注意,對于這種方法,不需要具有換向信息。與哪一種方式用于確定反emf電壓無關，反emf電壓與由已知常數k相關的馬達軸速度《成比例(即，反emf = k X )。這種常數k可通過測量馬達以已知電源電壓V空載運行時的馬達軸速度來確定。定子繞組的繞組電阻R可在馬達停止時測量。因此，如上所述通過測量提供給馬達的電壓V并且減去電流I和定子繞組電阻R之積，任何給定時間的反emf是可得到的。隨時間的馬達的角旋轉量等于馬達轉子的角速度的時間積分。已知上述方面，并且考慮到馬達的轉子速度《等于在時間dt上的角旋轉變化d 0 (即， m = d&:di )，通過對關系
纖WC#的兩邊積分，并且代入比例關系 = k-[V-(I*R)),產生下式
當前轉子角旋轉 0 +:+++++f k ■ [V - (I R)] dL。上式可用于從所感測的反emf值或者從特定定子繞組的V和I的所感測的值、或者通過感測馬達的總電流和總電壓，通過積分來確定馬達角旋轉量，其中參數k和R是先前已知/測量的。具有確定轉子的角位置的電路的這種馬達可用于各種領域。一個示例是泥漿脈沖器，其中馬達的轉子的旋轉運動用于使導閥線性位移以用于通過泥漿柱發送信息。本領域的技術人員會知道，馬達可在其它環境中用于調制流體流動，例如以便傳送用于完全不同目的的數據。 但是，為了簡潔起見，下面針對具有配置成控制用于控制主節流閥的導閥的BLDC馬達的泥漿脈沖器來描述示范實施例。導閥可以是“提升和孔口”類型導閥(“poppet andorifice”type pilot valve),并且BLDC馬達連接到旋轉線性轉換器,旋轉線性轉換器機械耦合到“提升和孔口”類型閥，由此實現“提升和孔口”類型閥的線性往復運動，以便允許端口的開啟和閉合，流體通過端口流動。閥的這種運動允許控制脈沖器的主節流閥，并且因而控制產生于這種主節流閥的開啟和閉合(或者部分開啟或閉合)的壓力波的脈沖調制。備選地，導閥可以是旋轉閥，該閥依靠通過減速齒輪傳動或其它方式機械耦合到BLDC馬達來旋轉。現在參照附圖來 論述BLDC馬達、閥和泥漿脈沖器的細節。在一示范實施例中，圖1示出鉆桿底孔組裝件(以下簡單地稱作“鉆桿”)19中部署的泥漿脈沖器10。泥漿脈沖器10包括可恢復地位于設置在鉆桿19中的肋片21上的主殼體I。與鉆桿19的連接還可包括定向靴布置，以便確保泥漿脈沖器10中包含的定向傳感器的旋轉對齊。主殼體I的直徑比鉆桿19要小，以使得創建鉆井泥漿通過其中能夠流動的環形空間20。孔箍18在鉆桿19中設置在肋片21下面，用于創建鉆桿中的鉆井泥漿的流動的孔或節流28。如圖1中的箭頭所示，鉆井泥漿因此能夠沿環形空間20流動，經過肋片21，通過孔28離開鉆桿19，并且沿著所示箭頭經由鉆桿19與鉆孔壁(未示出)之間的環形空間返回。主活塞13設置在室12中。活塞13將室12分為上室15a和下室15b。由位于活塞13的頂面32與室12的頂壁之間的壓縮彈簧對活塞13起作用，使得活塞13被偏置以向下朝鉆桿19中的孔28移動。空心圓筒30從活塞13的底面34并且從下室15b向外朝孔28延伸，使得當主殼體I由鉆桿19中的肋片21來定位時，空心圓筒30的開口端充當閥端頭22，閥端頭22能夠通過孔28移入泥漿流中，以便引起環形空間20中的泥漿的壓力增加。如下面更詳細論述，空心圓筒30和孔28的組合充當主節流閥，其負責產生泥漿中的壓力脈沖，該壓力脈沖用于與表面進行通信。空心圓筒30經由主活塞13中設置的控制端口 14與上室15a連通。同時，主殼體I中的端口 16允許鉆井泥漿在活塞13的底面34下面進入下室15b。導閥室23設置在殼體I中，并且與上室15a的流體連通通過上室15a的端壁頂部的導閥8來調節。在所示實施例中，導閥8采取線性往復運動“提升和孔口”類型閥的形式，但是備選地可使用旋轉閥。采取所示形式的導閥8包括在一端具有活動的圓盤35的軸6，使得圓盤35堵塞閥座/孔9，因而防止泥漿通過導閥8從室23流到室15a或者反過來也是一樣。導閥8通過馬達組裝件5、5a來線性地往復運動，下面更詳細論述。來自鉆桿19的泥漿經由端口 17進入導閥室23。當導閥8開啟時，泥漿可通過閥座/孔9從導閥室23流入上室15a。“開啟”表示軸6的端部上的圓盤35與閥座/孔9之間存在間隙，泥漿的至少一部分可通過該間隙流動。圓盤可部分但不是完全堵塞閥座/孔9，使得泥漿的流動能夠受到限制但是沒有停止。相應地，“開啟”包括其中泥漿的流動受到限制但是沒有停止的部分開啟以及其中泥漿不受導閥8或圓盤控制而流經閥座/孔9的完全開啟。“閉合”包括其中軸6的端部的圓盤35盡可能深地插入閥座/孔9或者使得泥漿的流動停止的狀態。能夠使端口 16、17以及閥座/孔9過大而不會被鉆井泥漿中的漏失循環材料(“LCM”)和其它微粒堵塞，并且還可傾斜以阻止這類物質積聚。馬達組裝件5、5a包含在馬達座穴2中。馬達組裝件5、5a可包括BLDC馬達5 ;以及旋轉線性運動轉換器5a，例如螺紋滾珠螺桿裝置，其將BLDC馬達5的旋轉輸出轉換為軸6的往復線性移動。如上所述，可使用其它類型的DC馬達。軸6通過位于馬達座穴2的壁中的滑動密封7耦合到馬達組裝件5、5a，以使得防止馬達座穴2受到鉆井泥漿污染。馬達座穴2可包含潔凈流體、例如油。主殼體I中的膜片3與馬達座穴2的壁中的端口 4連通，使得馬達座穴2與環形空間20之間達到壓力平衡。在一備選實施例(未示出)中，膜片3能夠用適當的膜盒或滑動活塞來取代。馬達控制電路300(其一部分通過對馬達5的定子繞組進行激勵和去激勵使馬達5換向)包含在壓力屏蔽艙(未示出)中，并且通過使馬達繞組A、B和C換向來驅動BLDC馬達5，如將參照圖3進行論述。可驅動BLDC馬達5和關聯導閥8，以便對數據解碼供經由泥漿脈沖遙測傳送到表面。在馬達控制電路300與馬達組裝件5、5a之間的連接之中有將BLDC馬達5電耦合到馬達控制電路300的饋通導線24。饋通導線24經過界定壓力屏蔽艙的壓力屏障26。饋通導線24的每個電耦合到BLDC馬達5的定子繞組之一，以便允許馬達控制電路300向BLDC馬達5供電。本說明書所使用的“換向”表示向BLDC馬達5發送電信號，并且具體來說依次對馬達定子繞組A、B和C進行激勵和去激勵，使得BLDC馬達5的轉子繞其旋轉軸扭轉。有利地，在一個實施例中，測量提供給馬達的總電壓和總電流的方法不需要任何換向信息，傳統方法則需要。下面進一步說明，馬達控制300還提供導閥8的位置(它按照與馬達角旋轉的已知比例關系而改變)的確定，這對于有效泥漿脈沖調制是有用的。繼續參照圖1，作用于活塞13的壓力彈簧11使活塞13偏置，以便向下朝孔28移動。端口 16將下室15b中的壓力保持在與環形空間20中存在的相同壓力，并且這個壓力對活塞13的底面34施加頂住壓縮彈簧11的向上力。如果導閥8閉合，則上室15a中的壓力經由控制端口 14和空心圓筒30與孔箍18下面的較低壓力均衡。彈簧11的動作和上室15a中的壓力比較弱，并且活塞13將因下室15b中的壓力而升高。因此，暴露孔箍18處的節流，并且孔處的壓力降低，直至達到平衡。但是，當導閥8開啟時，泥漿流進入上室15a，從而升高活塞13的頂面32上的壓力。活塞13向下移動，從而使閥端頭22朝孔箍18移動，并且通過限制鉆井泥漿流經孔28，增加鉆桿19和環形空間20中的壓力。活塞13繼續向下移動，直到與彈簧力相結合的上室15a中的壓力通過作用于活塞13的底面34 (暴露于下室15b中的流體)的壓力得到平衡。這個特征提供負反饋，并且產生穩定的比例控制。活塞13的這個向下平衡的位置對應于二進制信令系統中的泥漿脈沖器10的導通脈沖狀態。當導閥8閉合時，停止泥漿流入上室15a。上室15a中的壓力則與閥端頭22處的壓力均衡。閥端頭22處的壓力低于較窄環形空間20中的壓力，使得下室15b中的壓力再次變為高于上室15a中的壓力。活塞13則頂著壓縮彈簧11的作用逐漸向上移動，直到它采取其初始或斷開脈沖位置。活塞13向下完全移動到其導通脈沖位置時的位置將取決于彈簧11的特性和控制端口 14 (其允許泥漿在上室15a與空心圓筒30之間流動)以及通過導閥8 (其允許泥漿在導閥室23與上室15a之間流動)的液壓阻抗的比率。能夠實現的壓力調制量取決于控制端口 14和導閥8的液壓阻抗。如果這些的任一個變為被堵塞，則活塞13將不會正確操作，并且裝置所提供的遙測將失敗。現在參照圖2(a)，圖2(a)示出對于泥漿脈沖器10中安裝的多極BLDC馬達5的轉子的一個完整(360° )機械轉數所測量的霍耳效應傳感器的各種輸出的圖表。圖2(a)還示出在BLDC馬達5的操作期間所產生的反emf信號以及在馬達換向期間從馬達控制電路300提供至BLDC馬達5的相電流。BLDC馬達5 (其特性如圖2(a)所示)在其轉子上具有兩對極性，并且因此，機械旋轉的每個30°對應于電周期的60°。本示范實施例中的BLDC馬達5具有三個定子繞組A、B和C。如圖2(a)所示，三個定子繞組經過電耦合，使得所產生的反emf信號是梯形的。在備選實施例(未示出)中，BLDC馬達5可具有多于三個定子繞組，并且它們可經過電耦合，以便產生不同波形(例如正弦)的反emf信號。圖2 (a)的上部示出BLDC馬達5中安裝的三個霍耳效應傳感器的輸出。與定子繞組的每個相鄰地安裝一個傳感器。如上所述的機械旋轉的每個30°對應于電周期的60°，霍耳效應傳感器霍耳A、霍耳B和霍耳C之一的輸出從高到低改變或者反之。機械旋轉的每個180°，霍耳效應傳感器的輸出重復進行。當霍耳效應傳感器輸出在機械旋轉的每個30°發生變化時，BLDC馬達5能夠通過識別換向期間使用的六個不同電序列(I至6)來換向，如圖2(a)所示。當馬達換向時經過定子繞組的電流在圖2(a)的“相電流”圖表中示出。當使用來自霍耳效應傳感器霍耳A、霍耳B和霍耳C的讀數作為反饋來使DC馬達換向時，馬達控制電路300基于霍耳效應傳感器的讀數來檢測馬達的電序列，并且通過依次跨馬達的不同定子繞組A、B或C施加電池電壓來管理馬達(使其換向)，這取決于是期望順時針還是逆時針旋轉。為了確定轉子的角旋轉以便驅動導閥8，馬達控制電路300配置成不使用來自霍耳效應傳感器霍耳A、霍耳B或霍耳C的任一個的轉子位置指示來進行這種確定。按照一個實施例，馬達控制電路300而是使用后面的附圖示意所示的方法之一來確定轉子的當前角旋轉e。如圖2(a)所示，標記為“A+/B-”的圖表上的反emf電壓能夠通過跨繞組A對它進行測量來確定；標記為“B+/C-”的圖表上的反emf電壓能夠通過跨繞組B對它進行測量來確定；以及標記為“C+/A-”的曲線上的反emf電壓能夠通過跨繞組C對它進行測量來確定。
備選地，反emf電壓可使用例如本說明書中圖6所示并且本說明書進一步描述的方法從提供給單獨定子繞組A、B和/或C的電流的電流值來計算。但是，這一段和上一段中所述的方法要求換向信息，以便進行測量。按照一示范實施例，存在一種不要求換向信息的方法，并且在這種方法中，提供給馬達的總電流(I)被測量，并且然后與繞組的平均電阻(R)相乘。從提供給馬達的總測量電壓中減去這個乘積。然后，將結果與常數k相乘，并且轉子角旋轉可通過對這個結果進行時間積分來確定。如圖2(a)中的“反EMI”信號的圖表所不,霍耳效應傳感器輸出轉變的每個對應于反emf信號之一的相轉變。這種相轉變又稱作“零交叉”。在下面所述并且如圖10所示的一實施例中，通過確定和計數這些反emf電壓相轉變，馬達控制電路300能夠確定馬達5的旋轉數量(或者更具體來說是旋轉的分數)，而無需依靠來自霍耳效應傳感器的讀數。如上所述，示范BLDC馬達5 (其特性如圖2(a)所示)在其轉子上具有兩對極性。在備選實施例中，能夠使用在其轉子上具有更多或更少對極性的BLDC馬達，并且圖2 (a)所示的圖表將相應地變化。例如，圖2(b)的圖表示出在其轉子上具有單一對極性的示范BLDC馬達的特性。如同圖2(a)中那樣，霍耳效應傳感器的輸出與跨定子繞組A、B和C所測量的反emf信號形成對照。與圖2(a)的馬達相對照，60°的機械旋轉對應于60°的電周期。另夕卜，在圖2 (b)的馬達中，反emf信號中的相轉變/零交叉從來自霍耳效應傳感器的信號的對應邊沿偏移30°。馬達控制電路300能夠配置成補償這種30°偏移并且補償可存在于備選實施例的BLDC馬達中的任何類似偏移，使得反emf信號仍然能夠用于有效并且適當地確定轉子角旋轉。在其它備選實施例(未示出)中，能夠使用具有任何適當數量的定子或轉子極性的BLDC馬達。現在參照圖3，示出用于使馬達5換向的馬達控制電路300的簡圖，其中具有定位在馬達5的轉子5b的周邊的霍耳效應傳感器霍耳A、霍耳B和霍耳C。霍耳效應傳感器可放置在位于轉子5b周圍的定子5c上。馬達控制電路300包括微控制器302，微控制器302在所不實施例中是Microc hip Technology Inc. (Chandler,Arizona, USA)制造的Microchip PIC18F2431微控制器。在備選實施例(未示出)中，能夠使用諸如處理器、微控制器、可編程邏輯控制器、現場可編程門陣列之類的任何適當的控制器，或者微控制器302的功能性可使用例如專用集成電路來實現。微控制器302包括存儲關于如何使馬達換向的指令的計算機可讀介質322，例如閃速存儲器。微控制器302通過對使用例如場效應晶體管(FET)驅動器304所放大的輸出PWM [(>"5]使用例如脈寬調制來控制BLDC馬達5的換向。順時針馬達旋轉的活動PWM [(>-5]輸出與逆時針馬達旋轉不同，這是本領域的技術人員知道的。IGBT驅動器304向一系列開關門QO…Q5輸出經放大的PWM [(>"5]輸出，一系列開關門QO…Q5在由IGBT驅動器304經由饋通導線24按照圖4所示序列來起動時，根據情況允許繞組A、B或C其中之一被激勵，而另一個將被去激勵。從圖3看到，電池350提供例如24 V DC電力供操作微處理器302和IGBT驅動器304以及使馬達5換向中使用。可實現馬達控制電路300的其它配置。接下來參照圖5來論述用于使用霍耳傳感器霍耳A、霍耳B和霍耳C按照逆時針或順時針旋轉來使BLDC馬達5換向的方法。在步驟500開始，初始化順時針和逆時針換向陣列。在步驟501，在使馬達換向之前執行檢查。在步驟502、503和504中，把來自霍耳傳感器的每個的相應感測值讀入變量“hval”，這允許進行關于轉子位置在序列1-6中的位置的確定。如果期望馬達換向是順時針的(步驟505 -由微處理器302所確定)，則讀入“hval”的值用作指針(步驟507)，以便確定轉子在激勵位置1-6的順時針序列中的位置，使得順時針換向序列可在期望激勵序列1-6 (參閱圖4)開始(步驟508)。備選地，如果期望馬達換向是逆時針的，則讀入“hval”的值用作指針(步驟506)，以便確定轉子在激勵位置1-6的逆時針序列中的位置，使得逆時針換向序列可在期望激勵序列1_6(參閱圖4)開始(步驟509)。現在來看用于確定馬達的轉子的角位置的方法和閥的對應線性位置，各種方式可用于確定定子繞組A、B和C的反emf信號，并且計數在馬達旋轉的時期中發生的相轉變數量。這些方式包括但不限于(i)將饋通導線24的每個的電壓與用于驅動BLDC馬達5的DC電壓的一半(在所示實施例中為12. 5 V)進行比較；(ii)將饋通導線24的每個的電壓與虛擬地信號進行比較；或者(iii)只對饋通導線24的每個的電壓進行取樣，并且將該值直接輸入微控制器302供數字化和使用。在前兩種方式中，比較結果是方波，其中該波在反emf電壓大于零時為高而在反emf電壓小于零時為低。因此，微控制器302能夠依靠邊沿檢測來確定反emf信號的相轉變發生的位置。在第三種方式中，整個梯形反emf信號的數字化形式可輸入到微控制器302。為了確定相轉變發生的時間，微控制器302將數字化反emf信號與參考零點進行比較。如上所述，在備選實施例(未示出)中，微控制器302可考慮比零交叉更多或者與零交叉不同的信息。例如，作為補充或替代，微控制器中302可利用反emf的整個波形來確定其變化率、最大和最小值和整體形狀中的任何一個或多個，以便確定這類相轉變發生的數量和時間。確定不是供使馬達5換向中使用而是用于確定馬達5的當前角旋轉0的反emf■電壓的另一種方式可通過從感測電流值計算這類值并且了解定子繞組的每個的電阻來實現。如本說明書進一步論述，這類方法涉及感測分別提供給定子繞組A、B和C的電流值IA、IB和IC之一，并且然后在微處理器302 (或者另一個微處理器，未示出)中通過應用歐姆定律來計算反emf ` 反emf = V跨電池-(I繞組a，b，或c R繞組a，b，或c) k，
其中V是提供給馬達的跨電池的電壓；
I是提供給定子繞組A、B或C的電流；
R是定子繞組A、B或C的電阻；以及
k是比例常數，在與(V -1 R)的乘積相乘時產生馬達的反emf電壓。上式基于如下原理對于DC馬達，反emf 與由某個已知常數k相關的馬達速度成比例。這種常數可通過測量馬達以已知電源電壓空載運行時的轉子速度來確定。繞組電阻可在馬達停止時測量。反emf通過測量電源電壓并且減去電流乘以繞組電阻的乘積是可測量的。轉子的旋轉則等于速度的時間積分。電流項確保正確地監測會更慢轉動的重負荷馬達。對該算法的增強是對已知電阻校正隨溫度線性提高的溫度效應。按照圖6所示的一實施例，現在論述用于確定馬達5的角旋轉“d”的方法。馬達電路300控制馬達5，并且具體來說是控制如何避免過驅動泥漿脈沖器10的導閥8超過全開或全閉位置，并且由此浪費電池350的有限電力。在步驟600開始，對于增量時間段At的當前馬達旋轉0的值以及在導閥8處于全開或全閉位置時的給定時間段上的馬達旋轉的總值“d”最初設置為零。此后，在步驟601，馬達驅動電路300用于在導閥8閉合時以順時針方式或者在導閥8從開啟位置移動到閉合位置時以逆時針方式使馬達5換向。此后，在步驟603，通過確定是否存在霍耳效應傳感器所感測的值的任何變化，來進行關于是否存在任何馬達驅動故障的確定。如果不存在變化(馬達不能移動)，則指示馬達故障，并且該序列停止(步驟617)。否則，在步驟605，微處理器從電池350獲取(讀取)電壓V，并且根據情況讀取定子繞組的電流IA、IB或1C。此后，在步驟607，使用馬達速度通過預定比例常數“k”與反emf相關的關系，由微處理器通過應用下式來確定馬達5的轉子的速度“S”
速度=(V -1 R) k。步驟609確定速度是否為負(如果是的話，則直接轉到步驟613)。如果不是的話，則在步驟611，通過數值積分近似方法，S卩，將所計算速度與增量小時間段At的值相乘，并且將所得值9與總角旋轉“d”相加，來確定當前角旋轉0。此后，在步驟613，進行關于總角馬達旋轉“d”是否超過預定極限、即將導閥8從全開位置驅動到全閉位置或者反之的所需的馬達旋轉的數量的確定，以及如果是的話，則停止進一步旋轉(步驟617)。在另一個·實施例中，在返回到步驟601并且在沒有達到預定極限時開始進一步馬達旋轉之前，在步驟615，進行第一檢查以確定馬達是否吸取超過預定量的電流。如果是的話，則停止該方向的進一步馬達旋轉。圖6示出電極極限的4 A的示范值。但是，可使用其它值，取決于馬達和其它條件。圖7示出確定泥漿脈沖器10的馬達5的總角旋轉“d”并且使用這種所確定值來控制泥漿脈沖器的操作、具體來說是導閥8的行程范圍的備選方法。在圖7所示的方法中，初始連續步驟700、701和703對應于圖6的初始步驟600、601和603，并且因而將不作贅述。如圖7的步驟704所示，馬達控制電路300可按照上述方式的任一種持續感測(而不是計算)馬達的反emf。在一個實施例中，馬達控制電路300從三個定子繞組中在給定取樣時間沒有被激勵的一個定子繞組來感測反emf電壓。此后，如步驟705所示，馬達控制電路300配置成將所測量的emf值與常數k相乘，以便產生馬達的速度，并且此后在所感測反emf的相轉變之間在時間上對速度連續積分，以便產生當前角旋轉0。將這種所確定量0與任何先前積分相加，由此計算轉子的角旋轉“d”的總量。此后，圖7的步驟713、714和715與圖6的步驟613,615和617相同。圖8示出確定泥漿脈沖器10的馬達5的總角旋轉“d”并且使用這種所確定值來控制泥漿脈沖器的操作、具體來說是控制導閥8的行程范圍的又一種備選方法。在圖8的方法中，初始連續步驟800、801和803再次對應于圖6的初始步驟600、601和603，并且將不作贅述。在步驟805，監測提供給馬達5的總電壓V，如提供給馬達的總電流I那樣。在步驟807，使用這類值，馬達控制電路300經由微處理器部件302或其它微處理器、通過將下式應用于V、I的所監測值并且使用已知平均定子繞組電阻R和已知比例常數k來計算(例如連續地)速度
速度=(V -1 R) k。在一備選實施例中，可插入步驟809以檢查所產生速度不是負值。如果速度為負，則該過程進行到步驟813。此后，在步驟811，假定沒有得到負速度值，則可在時間上對速度的所產生值求積分，以便產生在這種時間間隔期間的轉子的總角旋轉“d”的值。其余步驟813和815與圖7的步驟713和715相似，并且因而在本說明書中不作描述。對值持續積分或不積分的微處理器是本領域的技術人員眾所周知的。例如，至少在模擬電路中如圖7的步驟705以及在圖8的步驟811所計算的那樣對速度的所得值持續積分的一種方式是采用運算放大器。圖9示出運算放大器555，它可在用于對k*[V - (1-R)]的數值乘積進行積分的模擬方法中使用，如同圖7的步驟705所示的方法中以及圖8的步驟811所示的方法中那樣。通過數字部件或其它數值積分部件對所感測/計算值(在本例中是給定時間段期間的速度的值)持續積分的其它手段和方法現在是本領域的技術人員顯而易見的。現在參照圖10，示出用于操作泥漿脈沖器10的另一種方法。這種方法可存儲在微控制器302或其它微處理器(未示出)的計算機可讀介質322中或者在任何其它適當計算機可讀介質上，包括諸如CD-ROM和DVD之類的基于光盤的介質、諸如硬盤驅動器和其它形式的磁盤存儲之類的磁介質、諸如閃速介質、隨機存取存儲器和只讀存儲器之類的基于半導體的介質。按照圖10所示的方法，微控制器開始于步驟1000，并且進入步驟1001，以便通過按照上述方式對定子繞組A、B和C進行激勵和去激勵來使BLDC馬達5換向。換向使馬達的轉子沿順時針或逆時針方向旋轉，通常(但不一定)從導閥8處于全開位置的位置旋轉，在這種情況下，馬達旋轉是順時針的，以便使導閥8朝閉合位置移動，或者如果處于全閉位置，則轉子逆時針旋轉，以便使導閥8朝全開位置移動。步驟1001和1003與圖7所示方法的步驟701和703相似，并且因而這些步驟在本文中不作論述。一旦BLDC馬達5正在操作并且正產生反emf信號，馬達控制電路300能夠在步驟1006測量反emf信號，并且在步驟1008識別和保持反emf信號中發生的相轉變的計數。一旦對于馬達已經旋轉的給定時間段期間計數相轉變，則能夠在步驟1010確定馬達5的總角旋轉“d”。由于馬達軸的角旋轉與導閥8的線性移動之間的關系(由旋轉至線性轉換器5a創建)，能夠確定對于馬達的給定角旋轉的導閥8的移動范圍，并且由此能夠確定馬達的角旋轉的極限，以便避免在全開或全閉位置的導閥8的不必要的過驅動。因此，圖10的判定步驟1013使馬達控制電路300在驅動馬達5之后確定馬達的角旋轉的極限是否達到預定義極限。如果是的話，則在步驟1015停止驅動馬達。如果不是的話，則在一可選實施例中，進行關于馬達電流是否大于預定義極限的進一步查詢(以便防止過驅動馬達)(步驟1014)。如果是的話，則停止馬達的驅動(步驟1015)。如果不是的話，馬達的驅動返回到步驟1001繼續進行。如上所述，馬達控制電路300中包含的微控制器能夠使BLDC馬達5沿順時針或逆時針方向旋轉。在本實施例中，馬達5的這種運動可用于傳送“0”和“I”信號，隨后進行論述。在這種二進制信令方案中，能夠通過完全開啟導閥8，例如通過逆時針旋轉BLDC馬達5以使導閥8從閥座/孔9回收以使得導閥8沒有阻礙通過閥孔9的泥漿流，來發送高壓或“I”信號。類似地，能夠通過閉合導閥8，例如通過順時針旋轉BLDC馬達5以使導閥8的端頭堵塞閥座/孔9，這阻止泥漿流經閥孔9，來發送低壓或“0”信號。通過井下部署之前的校準，微控制器302能夠被編程成具有用于將導閥8從全閉位置(即，在使導閥8盡可能深地插入閥座9時)轉變成全開位置(即，當導閥8盡可能深地從閥座9回收時)的馬達旋轉的總數(包括其分數部分或增量)。通過確定相轉變數量并且因而確定BLDC馬達5相對于全開或全閉位置已經經過的當前角旋轉0，微控制器302能夠確定導閥8的端頭在全開與全閉位置之間的位置。因此，微控制器302能夠改變通過導閥8的泥漿的流率。這樣，微控制器302能夠控制泥漿脈沖器10傳送的壓力脈沖的高度，并且發送使用非二進制調制方案、例如正交幅度調制所編碼的消息。現在參照圖11來描述用于控制電動馬達的方法。該方法包括步驟1100，基于來自附連到電動馬達的定子的一個或多個傳感器的信號使電動馬達換向；以及步驟1102，采用電連接到電動馬達的馬達控制電路、基于定子的一個或多個繞組的反emf電壓并且與來自一個或多個傳感器的信號無關地確定電動馬達的轉子的總角旋轉。上述示范實施例的一個或多個提供電動馬達以及用于基于傳感器測量使馬達換向并且用于基于無傳感器方式來確定旋轉位置的對應控制器。應當理解，本描述并不是要限制本發明。相反，示范實施例預計涵蓋包含在所附權利要求書所限定的本發明的精神和范圍之內的備選、修改和等效方案。此外，在示范實施例的詳細描述中，提出大量具體細節，以便提供對要求保護的本發明的綜合理解。但是，本領域的技術人員會理解，即使沒有這類具體細節也可實現各個實施例。雖然在采用具體組合的實施例中描述當前示范實施例的特征和元件，但是各特征或元件能夠單獨使用而無需實施例的其它特征和元件，或者在具有或沒有本說明書所公開的其它特征和元件的各種組合中使用。本書面描述使用所公開主題的示例以使本領域的任何技術人員能夠對其進行實施，包括制作和使用任何裝置或系統以及執行任何結合的方法。本主題的專利范圍由權利要求書來限定，并且可包括本領域的技術人員想到的其它示例。這類其它示例預計落入權利要求書的范圍之內。
權利要求
1.一種將傳感器用于換向并且使用反emf電壓來確定角位置的電動馬達組裝件，所述電動馬達組裝件包括具有轉子和包括一個或多個繞組的定子的電動馬達；所述定子上的一個或多個傳感器，配置成確定所述轉子的角位置；以及馬達控制電路，電連接到所述電動馬達和所述一個或多個傳感器，并且配置成基于從所述一個或多個傳感器所接收的信號來控制所述電動馬達的換向，其中所述馬達控制電路配置成基于所述一個或多個繞組的反emf電壓并且與來自所述一個或多個傳感器的信號無關地確定所述轉子的總角旋轉。
2.如權利要求1所述的電動馬達組裝件，其中，所述一個或多個傳感器是霍耳傳感器。
3.如權利要求1所述的電動馬達組裝件，其中，所述馬達控制電路配置成從提供給所述電動馬達的總電流、提供給所述電動馬達的總電壓和所述一個或多個繞組的平均電阻的值來計算所述反emf電壓。
4.如權利要求3所述的電動馬達組裝件，其中，所述馬達控制電路還配置成使用所述反emf電壓、通過在一時間段上對所述反emf電壓和常數k的乘積進行積分以產生所述轉子在所述時間段上的總角旋轉的值，來計算所述轉子的總角旋轉。
5.如權利要求1所述的電動馬達組裝件，還包括閥構件，附連到所述電動馬達的轉子，其中所述馬達控制電路配置成存儲與引起所述閥構件從第一全開位置移動到第二全閉位置或者反之的所述電動馬達的角旋轉的量對應的預定義角旋轉極限。
6.如權利要求5所述的電動馬達組裝件，其中，所述馬達控制電路還配置成在所述總角旋轉達到所述預定義角旋轉極限時停止所述電動馬達以避免進一步使所述轉子旋轉。
7.如權利要求1所述的電動馬達組裝件，其中，所述反emf電壓是基于公式反emf=(V -1 · R) · k所確定的計算值，其中V是提供給所述馬達的電壓，I是提供給所述繞組的電流，R是所述一個或多個繞組的電阻，以及k是比例常數。
8.如權利要求1所述的電動馬達組裝件，其中，所述電動馬達是無刷直流馬達。
9.一種泥漿脈沖器，配置成通過在井內流動的液柱中產生的壓力波將數據從所述井的內部傳送到所述井的表面，所述泥漿脈沖器包括殼體，配置成由所述井的壁來支承；電動馬達，位于所述殼體的馬達座穴中并且具有轉子和包括一個或多個繞組的定子；所述定子上的一個或多個傳感器，配置成確定所述轉子的角位置；導閥，連接到所述電動馬達，并且配置成在導閥室中移動以用于閉合和開啟閥孔以產生通過所述液柱傳播到所述表面的壓力信號；以及馬達控制電路，電連接到所述電動馬達和所述一個或多個傳感器，并且配置成基于從所述一個或多個傳感器所接收的信號來控制所述電動馬達的換向，其中所述馬達控制電路配置成基于所述一個或多個繞組的反emf電壓并且與來自所述一個或多個傳感器的信號無關地確定所述轉子的總角旋轉。
10.如權利要求9所述的泥漿脈沖器，還包括旋轉至線性轉換器，機械耦合在所述電動馬達與所述導閥之間，以便在所述轉子旋轉時實現所述導閥的線性往復運動，其中所述一個或多個傳感器是霍耳傳感器。
11.如權利要求9所述的泥漿脈沖器，其中，所述馬達控制電路配置成從提供給所述電動馬達的總電流、提供給所述電動馬達的總電壓和所述一個或多個繞組的平均電阻的值來計算所述反emf電壓。
12.如權利要求11所述的泥漿脈沖器，其中，所述馬達控制電路還配置成使用所述反emf電壓、通過在一時間段上對所述反emf電壓和已知常數k的乘積進行積分以產生所述轉子在所述時間段上的總角旋轉的值，來計算所述轉子的總角旋轉。
13.如權利要求9所述的泥漿脈沖器，其中，所述馬達控制電路配置成存儲與引起所述導閥從第一全開位置移動到第二全閉位置或者反之的所述電動馬達的角旋轉的量對應的預定義角旋轉極限。
14.如權利要求13所述的泥漿脈沖器，其中，所述馬達控制電路還配置成在所述總角旋轉達到所述預定義角旋轉極限時停止所述電動馬達以避免進一步使所述轉子旋轉。
15.如權利要求9所述的泥漿脈沖器，其中，所述反emf電壓是基于公式反emf= (V-1*R) *k所確定的計算值，其中V是提供給所述電動馬達的電壓，I是提供給所述一個或多個繞組的電流，R是所述一個或多個繞組的電阻，以及k是比例常數。
16.如權利要求9所述的泥漿脈沖器，其中，所述電動馬達是無刷直流馬達。
17.如權利要求9所述的泥漿脈沖器，其中，所述馬達控制電路配置成基于所述反emf電壓而不基于來自所述一個或多個傳感器的信號來定位所述導閥。
18.如權利要求9所述的泥漿脈沖器，其中，所述馬達控制電路還配置成通過計數相對于所述全閉位置或所述全開位置的相轉變的數量來跟蹤所述導閥的位置，并且將相轉變的數量轉換成所述電動馬達的總角旋轉。
19.一種用于控制電動馬達的方法，所述方法包括基于來自附連到所述電動馬達的定子的一個或多個傳感器的信號來使所述電動馬達換向；以及采用電連接到所述電動馬達的馬達控制電路、基于所述定子的一個或多個繞組的反emf電壓而與來自所述一個或多個傳感器的信號無關地確定所述電動馬達的轉子的總角旋轉。
20.如權利要求19所述的方法，其還包括從電流、電壓和所述一個或多個繞組的電阻的值來計算所述反emf電壓。
21.如權利要求20所述的方法，其還包括使用所述反emf電壓、通過在一時間段上對所述反emf電壓和已知常數k的乘積求積分以產生指定所述轉子在所述時間段上的總角旋轉量的值，來計算所述轉子的總角旋轉。
22.如權利要求19所述的方法，其還包括測量所述電動馬達的換向期間在給定時間沒有被激勵的所述一個或多個繞組的反emf電壓。
全文摘要
本公開涉及具有無傳感器角位置確定的傳感器換向電動馬達和方法。電動馬達組裝件、泥漿脈沖器以及用于傳送數據的方法。電動馬達組裝件包括電動馬達，具有轉子和包括一個或多個繞組的定子；定子上的一個或多個傳感器，配置成確定轉子的角位置；以及馬達控制電路，配置成基于從一個或多個傳感器所接收的信號來控制電動馬達的換向。馬達控制電路配置成基于一個或多個繞組的反emf電壓并且與來自一個或多個傳感器的信號無關地確定轉子的總角旋轉。
文檔編號E21B47/20GK103051140SQ20121038338
公開日2013年4月17日 申請日期2012年10月11日 優先權日2011年10月11日
發明者J.派克 申請人:桑德克斯有限公司