近鉆頭電阻率隨鉆測量系統中電流激勵源的設計

艾維平，鄧 樂，宋延淳

（中國石油集團鉆井工程技術研究院井下控制工程研究所，北京100083）

0 引 言

在高效開發復雜油藏方面，地質導向鉆井技術具有明顯優勢，近鉆頭電阻率隨鉆測量系統是地質導向鉆井技術的關鍵部分，而地層電阻率則是實施綜合地層評價重要的地質參數之一。地層電阻率測量的基本方法是給鉆鋌上的發射天線施加交變激勵電流，經過鉆鋌和地層構成的回路，接收天線上則會產生出與感生電流成比例的電動勢。鉆鋌上所感生的電動勢和接收天線上所感生的電壓刻度即為近鉆頭電阻率。

正弦波電流激勵通常采用線性功率放大電路，因其功耗較大，不宜用于井下高溫環境。本文則以數字信號控制器（DSC）為控制芯片，利用其強大的DMA功能產生高頻SPWM驅動波形，經過全橋逆變后，輸出900 Hz正弦波電流激勵源，將其用于地層電阻率測量中給發射天線施加交變激勵電流，具有諧波含量少、體積小以及效率高等特點。

1 硬件電路設計

由于近鉆頭電阻率隨鉆測量系統受到井下高溫、高壓及強振動等惡劣因素的影響，使得在設計硬件電路時，系統可靠性尤為重要。首先，要選用工作溫度至少在125℃以上的電子器件，并且要對整個電路的發熱進行嚴格控制，以防止電路在高溫下熱損壞。其次，要對焊接好的印制電路板采用減震橡膠封裹，以抵御井下振動和沖擊碰撞對電路板的危害。

1.1 主電路結構

正弦波脈寬調制（SPWM）方式可分為單極性調制、雙極性調制以及單極性倍頻調制［1，2］。本文選擇單極性調制方式，其主電路結構如圖1所示。圖1中功率開關管V1和V2組成的高頻臂以載波頻率工作，而V3和V4組成的低頻臂則以調制頻率工作。

圖1 主電路結構

單極性SPWM調制工作原理是：在一個調制正弦波周期內，前半周期內V1和V3以載波頻率導通，V2和V4截止；后半周期內V2和V4以載波頻率導通，V1和V3則截止。與其它調制方式相比，單極性SPWM調制方式不僅可以減小功率管損耗增強其工作可靠性，而且提高了功率逆變的效率，其工作波形如圖2所示。

圖2 主電路工作波形

1.2 控制及驅動電路

如圖3所示，選用Micr ochip公司具有豐富外設接口功能的數字信號控制器（DSC）ds PIC33F128 M C802作為本系統主控器件，利用其端口自定義功能根據設計需要靈活的配置輸出端口［3］。四只功率管的驅動信號均由數字信號控制器輸出比較模塊產生，需要驅動電路將邏輯電平轉換為10～15 V，加在功率管柵極和源極之間，在功率管開關時提供所需的驅動電流，以克服密勒電容的影響。采用專用的驅動器IR2101設計驅動電路，不需要浮動電源，簡化了硬件電路設計，同分離元件組成的功率驅動電路相比，它的穩定性和可靠性都要更好［4］。由于高端功率管采用自舉電容驅動，要求輸入脈沖寬度大于1.5μs，對于小于1.5μs的脈沖沒有輸出，故存在過零點失真，實際應用中要對正弦表中的值加以修正。

圖3 控制及驅動電路

2 SPWM原理與波形產生

2.1 SPWM基本原理

SPWM控制常用方法有：自然采樣法、規則采樣法和等效面積法［5］。自然采樣法和面積等效法相對于規則采樣法諧波較小，對諧波的抑制能力較強。因為單片機片內無較大空間實現在線運算，自然采樣法不利于軟件實現，綜合考慮后采用等效面積法。其基本原理是按面積相等原則，構成與正弦波等效的一系列等幅不等寬矩形脈沖序列。該算法根據已知數據和正弦數值依次算出每個脈沖的寬度，通過查表方式實時控制，具有輸出波形諧波小、精度高、對稱性好等優點。

圖4 面積等效法原理示意圖

如圖4所示，假設所需的輸出正弦電壓為

式中，Um為正弦波幅值。利用面積等效法正弦波小塊面積S1與對應脈沖面積S2相等的原則，將正弦波的正半周分為N等分，則每一等分的寬度為π／N，計算出半個周期內N個不同的脈寬值。

正弦波S1面積為：

逆變器輸入直流電壓為UD，脈沖面積S1與S2相等，則：

故第k個區間的脈沖寬度δk為：

式中，M為調制度，即Um／UD，N 為半個周期內的脈沖個數。

2.2 SPWM波形的軟件實現

SPWM波形的產生是通過在ROM創建一個正弦表，在程序中每隔一定時間從正弦表讀出正弦值，并將該值換算成所允許的占空比范圍，然后將它寫入比較寄存器。為了減小CPU的工作負荷，采用直接存儲器訪問（DMA）方式進行查表，無需CPU協助即可在CPU及其輸出比較模塊之間方便地傳輸數據。創建產生正弦波的數據表時，表的大小在軟件設計中要統籌考慮，表中點數若太少將導致輸出諧波較大，而表中點數太多則會占用CPU資源。通常將PWM載波頻率除以所需的最大調制頻率作為查找表的點數。綜合考慮載波比、輸出諧波等因素，正弦表點數選擇為32，載波頻率為16 k Hz。

系統軟件分主程序和中斷服務子程序兩部分。主程序主要功能是對系統中變量初始化、裝載正弦表、配置DMA通道和定義比較輸出模塊，開中斷后循環等待中斷到來，中斷到來則執行中斷服務程序。如圖5所示，兩個DMA中斷服務子程序中交替控制輸出端口，以產生SPWM信號。

圖5 中斷服務子程序流程圖

3 實驗測試及結論

根據近鉆頭地層電阻率測量系統對發射天線電流激勵源的要求，將研制的電流激勵源在12 V母線電壓下對發射天線進行了實驗，測試結果見圖6、圖7。其中，圖6為高頻臂的SPWM驅動波形，圖7為本文電流激勵源的電流輸出波形。結果表明，系統控制方案正確，諧波得到有效抑制，電流輸出波形平滑，而且激勵源調制頻率穩定。

圖6 功率管SPWM驅動波形

圖7 電流輸出波形

4 結 論

本文利用ds PIC33F128 MC802數字信號控制器的輸出比較模塊和直接存儲器訪問功能，通過軟件查表方法產生單極性SPWM調制信號，簡化了硬件電路，減小了CPU的開銷。同一橋臂功率管死區時間通過編程控制在5μs左右。此外，該電流激勵源諧波干擾小、電路結構簡單、可靠性高，因而較好地解決了近鉆頭地層電阻率隨鉆測量中發射天線的電流激勵問題。

［1］ 劉鳳君.正弦波逆變器［M］.北京：科學出版社，2002.

［2］ 胡興柳，彭小兵，穆新華.SPWM逆變電源的單極性控制方式實現［J］.機電工程，2004，21（1）：38－41.

［3］ ds PIC33F系列參考手冊高性能數字信號控制器［Z］.2005，Microchip Technology Inc.

［4］ 譚建成.新編電機控制專用集成電路與應用［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［5］ 熊軍華，王亭玲.三種SPWM波形生成算法的分析與實現［J］.微計算機信息，2008，24（7）：307－309.