盧倩，鄧都都，譚春亮，岳永東

(北京探礦工程研究所，北京 100086)

0 引言

由于電動(dòng)鉆機(jī)具有傳動(dòng)效率較高、性能安全可靠、調(diào)節(jié)幅度較廣、調(diào)節(jié)控制方便、體積小、重量輕、噪音小、費(fèi)用省、布置空闊、整潔美觀、自動(dòng)化程度較高，可以實(shí)現(xiàn)文明作業(yè)等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此電動(dòng)鉆機(jī)不僅從海洋發(fā)展到了陸地，而且從大型鉆機(jī)發(fā)展到了小型鉆機(jī)，同時(shí)還從制造新型鉆機(jī)發(fā)展到了改造舊型鉆機(jī)。從發(fā)展的范圍廣和速度快來(lái)看，實(shí)為鉆井設(shè)備的發(fā)展方向和鉆井操作自動(dòng)化必由之路，值得我們高度重視[1]。未來(lái)，鋰電池將會(huì)朝著低成本、高能量、大功率、長(zhǎng)壽命、微型化的方向發(fā)展。在這個(gè)過(guò)程中，除了制造工藝等的技術(shù)創(chuàng)新，最根本的還在于電池設(shè)計(jì)與電池材料的革新。電池中每一部件的技術(shù)突破都會(huì)帶來(lái)電池性能的飛躍[2, 3]，所以應(yīng)用鋰電池為能源開(kāi)發(fā)便攜式電動(dòng)取樣鉆機(jī)成為可能。

1 控制系統(tǒng)研發(fā)

1.1 電源及控制系統(tǒng)

1.1.1 蓄電池技術(shù)綜述

利用電子元器件控制來(lái)實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)、反接保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)等功能，能替代一般的充電器，延長(zhǎng)蓄電池的生命周期30%以上。主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

①蓄電池狀態(tài)判定與自適應(yīng)；②各種車(chē)輛蓄電池自適應(yīng)；③提供各種檔次的充電電流，準(zhǔn)確控制充電過(guò)程，對(duì)直流充電電流的大量程(從200 mA到40A/75A)取樣、測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整充電機(jī)輸出功率；④一般充電機(jī)除了提供充電電流輸出的大功率主電源外，需要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)一套小功率輔助電源為控制系統(tǒng)供電，增加了成本和復(fù)雜度，本充電機(jī)將輔助電源與主電源融合；⑤自動(dòng)識(shí)別蓄電池正負(fù)電極，使得充電機(jī)的使用更加“傻瓜化”，提高其易用性；⑥根據(jù)蓄電池狀態(tài)和電流檔位，精確控制充電流程，實(shí)現(xiàn)三段式充電，使得充電過(guò)程安全高效。

研究國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車(chē)蓄電池的先進(jìn)技術(shù)，使其應(yīng)用到系列輕便淺層取樣鉆機(jī)中，用蓄電池及配套電機(jī)取代柴油機(jī)和汽油機(jī)作為其動(dòng)力源，需要解決的關(guān)鍵技術(shù)是對(duì)蓄電池及配套部件的研究開(kāi)發(fā)。

1.1.2 鋰電池能量密度

目前高能量密度鋰電池的能量密度從90 Wh/kg提高至250 Wh/kg。過(guò)去20年電池能量密度每年提升7%左右，主要是通過(guò)技術(shù)進(jìn)步，不斷增加活性物質(zhì)在電池中的占有比例來(lái)實(shí)現(xiàn)。高功率密度動(dòng)力電池目前正極采用LiMn2O4、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(或者其他比例的三元正極材料)、LiFePO4，負(fù)極采用石墨。單體電芯的能量密度在120～250 Wh/kg，功率密度最高可達(dá)4000 W/kg。實(shí)際應(yīng)用時(shí)電池組的能量密度可以達(dá)到80～200 Wh/kg[4]。

1.1.3 輕便淺層取樣鉆機(jī)對(duì)蓄電池的要求

根據(jù)淺層取樣鉆機(jī)的工作場(chǎng)景及特點(diǎn)，其蓄電池的性能要求是：①高能量密度，減少工作中換電池的輔助時(shí)間，提高工效；②高功率密度，減小其體積與重量，更換與搬遷方便；③較長(zhǎng)的使用壽命，降低取樣成本；④較好的充放電性能，提高能量的轉(zhuǎn)化率；⑤電池型號(hào)與電動(dòng)汽車(chē)的電池型號(hào)相符，增強(qiáng)其互換性；⑥性?xún)r(jià)比高，提高市場(chǎng)的接受力；⑦使用維護(hù)方便，降低施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

最終課題組設(shè)計(jì)的鋰電池參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 輕便淺層取樣鉆機(jī)鋰電池參數(shù)表

如圖1所示，目前鋰電池廠家可以通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙通訊，安裝BMS芯片監(jiān)測(cè)鋰電池包中的每塊電池的電量，監(jiān)測(cè)電池的溫度和電壓。

圖1 鋰電池監(jiān)測(cè)手機(jī)軟件

1.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)

為滿(mǎn)足野外鉆探取樣的要求，需要選用合適的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。目前1 kW的永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小的特點(diǎn)[5]，1 kW 的永磁同步電機(jī)質(zhì)量約4 kg，可過(guò)載200%～300%，能量密度大。

1.3 調(diào)速控制器

為了使驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速與扭矩滿(mǎn)足不同取樣鉆機(jī)及工藝的需求，研制了調(diào)速控制器。

通過(guò)無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸，了解現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)工況，還可實(shí)現(xiàn)專(zhuān)家遠(yuǎn)程同時(shí)會(huì)診，提出建議意見(jiàn)，優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù)，調(diào)整鉆井工藝。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果達(dá)到設(shè)計(jì)目的，可以滿(mǎn)足不同科學(xué)鉆探現(xiàn)場(chǎng)的需求[6]。如圖2所示，可以通過(guò)485通訊，安裝電腦程序后，通過(guò)有線(xiàn)連接，可以監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)速、電壓和電機(jī)溫度等。

圖2 控制系統(tǒng)布局圖

顯示屏顯示電量、轉(zhuǎn)速和扭矩，顯示屏質(zhì)量小于0.5 kg，分辨率中等。控制器放在電機(jī)側(cè)面，質(zhì)量小于1 kg，體積小。觸摸屏調(diào)節(jié)較慢，轉(zhuǎn)速用手把連續(xù)調(diào)節(jié)，工作電壓48/60 V，電機(jī)功率1 kW，整體質(zhì)量小于30 kg，電源電量大于1 kW·h。

2 功能

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

如圖3所示，控制器由底層系統(tǒng)和上層系統(tǒng)構(gòu)成。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

控制器HMI(人機(jī)界面)觸摸屏可實(shí)時(shí)顯示的內(nèi)容包括：設(shè)備電量、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)(轉(zhuǎn)速、輸出扭矩)、設(shè)備工作進(jìn)程(鉆孔深度)；此外，還具備配置功能參數(shù)以及其他操作系統(tǒng)常用功能。

2.2 控制功能

圖4為輕便電動(dòng)鉆機(jī)控制電路原理圖?？刂葡到y(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，采集電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速、電流等信息，具有一定的堵轉(zhuǎn)保護(hù)能力。

圖4 輕便電動(dòng)鉆機(jī)控制電路原理圖

通過(guò)監(jiān)控與分析鉆壓、鉆速、扭矩、泵壓等鉆進(jìn)主參數(shù)及機(jī)具反饋參數(shù)，在主機(jī)自動(dòng)控制模式下，最優(yōu)化地調(diào)整鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量等可控參數(shù)，達(dá)到鉆進(jìn)工藝與機(jī)具參數(shù)監(jiān)測(cè)、鉆進(jìn)參數(shù)控制與鉆進(jìn)速度效果之間的最優(yōu)化匹配和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)平衡，多快好省地實(shí)施快速取心鉆進(jìn)[7-14]。

香港大學(xué)岳中琦將多變的瞬時(shí)鉆進(jìn)速度轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)程曲線(xiàn)，通過(guò)時(shí)程曲線(xiàn)的斜率可以看出每段鉆進(jìn)時(shí)間的平均鉆速，經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其與地層可以較好的對(duì)應(yīng)，如圖5所示?；诂F(xiàn)代數(shù)字技術(shù)，發(fā)明了金屬礦床數(shù)字鉆孔過(guò)程力學(xué)強(qiáng)度檢測(cè)方法，鉆孔過(guò)程監(jiān)測(cè)(DPM)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鉆孔過(guò)程參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)字自動(dòng)化采集，創(chuàng)建了一套定量分析鉆孔過(guò)程參數(shù)時(shí)間序列直接算法，發(fā)現(xiàn)了分段線(xiàn)性時(shí)程曲線(xiàn)和對(duì)應(yīng)分段均勻(常)鉆速，攻克了鉆進(jìn)速度極大隨機(jī)變化的國(guó)際性難題，開(kāi)辟了鉆孔過(guò)程監(jiān)測(cè)與時(shí)間序列分析的巖土強(qiáng)度空間分布定量研究方向。比功的測(cè)量只需要給進(jìn)力、轉(zhuǎn)矩、機(jī)械鉆速和轉(zhuǎn)速這些基本鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)， 計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，適宜作為鉆機(jī)自動(dòng)鉆進(jìn)控制系統(tǒng)中識(shí)別地層的模型[15]。

圖5 不同巖土體平均鉆速對(duì)比

對(duì)于電機(jī)的速度控制，使用了一種基于EKF 的PMSM控制系統(tǒng)，利用BP算法計(jì)算誤差協(xié)方差矩陣Q，R的最優(yōu)值，提高優(yōu)化速度與精度。將速度滑?？刂破饕约癲-q軸電流解耦引入控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的魯棒性。仿真結(jié)果表明，此系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子位置測(cè)算精度高，轉(zhuǎn)速偏差值在±5 r/min 左右波動(dòng)，轉(zhuǎn)子位置偏差值在±0.3 rad 左右波動(dòng)，與傳統(tǒng)PI控制相比，轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間縮短了50%，超調(diào)極小，其魯棒性更強(qiáng)，在電機(jī)控制中有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[16-18]。

其PMSM電流方程為

(1)

式中：uα，uβ分別為α，β軸上的定子電壓；iα，iβ分別為α，β軸上的定子電流；ωe為轉(zhuǎn)子角速度；θe為轉(zhuǎn)子電角度；RS為定子電阻；LS為定子電感。

2.3 鉆機(jī)自動(dòng)化智能化研發(fā)系統(tǒng)構(gòu)建

0級(jí)為鉆機(jī)的開(kāi)環(huán)控制和數(shù)據(jù)顯示，操作手把可連續(xù)地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。最基本的顯示包括:①電源電量，②減速箱輸出軸轉(zhuǎn)速，③輸出軸扭矩，④鉆壓，⑤向下鉆進(jìn)的速度以時(shí)程曲線(xiàn)的形式顯示。數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能為后續(xù)的自動(dòng)化智能化鉆進(jìn)做準(zhǔn)備。

1級(jí)為鉆機(jī)的自動(dòng)化閉環(huán)控制:對(duì)前期的鉆探數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合鉆探理論知識(shí)，應(yīng)用西門(mén)子PLC等自動(dòng)控制器和芯片，根據(jù)鉆探步驟，實(shí)行自動(dòng)鉆進(jìn)和數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)。

3 試驗(yàn)

表1為試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)鉆探數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)后，通過(guò)USB實(shí)時(shí)采集的結(jié)果，導(dǎo)入電腦進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，發(fā)現(xiàn)1 kW電機(jī)的功率尚未完全發(fā)揮出來(lái)，還有很大的使用空間。鉆機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)2000 r/min后，轉(zhuǎn)速測(cè)量誤差較大，電路板還需要繼續(xù)改進(jìn)。下一步將鉆機(jī)放在鉆架上，測(cè)出鉆速后，才能算出比功，進(jìn)而對(duì)地層進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

表1 鉆探試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)

本次試驗(yàn)選用比功作為識(shí)別地層的模型。為了驗(yàn)證比功模型識(shí)別地層的可靠性，將地層分為土層、巖石和松散層三類(lèi)。如果試驗(yàn)效果良好，則在后繼試驗(yàn)中可擴(kuò)大巖石類(lèi)型的數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)足夠大時(shí)，該模型能夠判斷出每種巖石，這是識(shí)別地層模型的最終理想目標(biāo)。比功公式如下：

(2)

式中：F為給進(jìn)力，N；u為機(jī)械鉆速，m/h；w為轉(zhuǎn)矩，N·m；n為轉(zhuǎn)速，r/min；A為孔口面積，m2。

由計(jì)算可知，在土層中比功的取值范圍在 0～38.3 MPa 之間，在巖層中比功的取值范圍在114.0～256.6 MPa之間，在松散層中比功取值范圍在33.1～75.0 MPa 之間。

根據(jù)以上三種地層比功的取值范圍，做如下規(guī)定：①比功0～38.3 MPa的地層確定為土層；②比功38.3～75.0 MPa的地層確定為松散層；③由于松散層的最大比功值與巖層的最小比功值不連續(xù)。因此，比功75.0～256.6 MPa的地層確定為巖層。

同時(shí)規(guī)定：①在土層中鉆進(jìn)時(shí)，鉆壓取0.368 N/mm2，轉(zhuǎn)速取140 r/min；②在巖層中鉆進(jìn)時(shí)，鉆壓取0.849 N/mm2，轉(zhuǎn)速取160r /min；③在松散層中鉆進(jìn)時(shí)，鉆壓取0.283 N/mm2，轉(zhuǎn)速取70 r/min。

綜上所述，識(shí)別地層方案為：自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)采集到的鉆進(jìn)參數(shù)計(jì)算出的比功在0～38.3 MPa之間，地層確定為土層，與其對(duì)應(yīng)的鉆壓為0.368 N/mm2，轉(zhuǎn)速為140 r/min；當(dāng)比功在38.3～75.0 MPa之間，地層確定為松散層，鉆壓為0.283 N/mm2，轉(zhuǎn)速為70 r/min；當(dāng)比功在75.0～256.6 MPa之間，地層確定為巖層，鉆壓為0.849 N/mm2，轉(zhuǎn)速為160 r/min。

以上三個(gè)地層中規(guī)定的鉆壓與轉(zhuǎn)速，通過(guò)使用 PID 控制算法進(jìn)行閉環(huán)反饋控制,使鉆機(jī)輸出的鉆壓與轉(zhuǎn)速與以上地層設(shè)定的鉆壓與轉(zhuǎn)速相同或相近，達(dá)到優(yōu)化鉆進(jìn)，自動(dòng)鉆進(jìn)的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

目前,項(xiàng)目組已經(jīng)研發(fā)了基于鋰電池采用永磁同步電機(jī)的輕便取樣鉆機(jī)。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該鉆機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故障率低，過(guò)載能力強(qiáng)，能滿(mǎn)足交通不便地區(qū)的電動(dòng)化采樣工作。研發(fā)的技術(shù)難點(diǎn)主要集中在電池和控制部分，如何以更小的體積和重量提供更多的電能，實(shí)現(xiàn)電氣化向電子化的轉(zhuǎn)變，將電氣原件開(kāi)發(fā)為電子電路，印刷在PCB版上;減速電機(jī)和控制器的發(fā)熱，更好地利用電能，實(shí)現(xiàn)有效控制，順利完成鉆探工作。