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

發(fā)明內(nèi)容
按照一不范實(shí)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(dòng)馬達(dá)組裝件。電動(dòng)馬達(dá)組裝件包括電動(dòng)馬達(dá)，具有轉(zhuǎn)子和包括一個(gè)或多個(gè)繞組的定子；定子上的一個(gè)或多個(gè)傳感器，配置成確定轉(zhuǎn)子的角位置；以及馬達(dá)控制電路，電連接到電動(dòng)馬達(dá)和一個(gè)或多個(gè)傳感器，并且配置成基于從一個(gè)或多個(gè)傳感器所接收的信號(hào)來控制電動(dòng)馬達(dá)的換向。馬達(dá)控制電路配置成基于一個(gè)或多個(gè)繞組的反emf電壓并且與來自一個(gè)或多個(gè)傳感器的信號(hào)無關(guān)地確定轉(zhuǎn)子的總角旋轉(zhuǎn)。按照另一個(gè)示范實(shí)施例，存在一種泥漿脈沖器，該泥漿脈沖器配置成通過井內(nèi)流動(dòng)的液柱中產(chǎn)生的壓力波將數(shù)據(jù)從井的內(nèi)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(dòng)馬達(dá)，位于殼體的馬達(dá)座穴中，并且具有轉(zhuǎn)子和包括一個(gè)或多個(gè)繞組的定子；定子上的一個(gè)或多個(gè)傳感器，配置成確定轉(zhuǎn)子的角位置；導(dǎo)閥，連接到電動(dòng)馬達(dá)，并且配置成在導(dǎo)閥室中移動(dòng)以用于閉合和開啟閥孔以產(chǎn)生通過液柱傳播到表面的壓力信號(hào)；以及馬達(dá)控制電路，電連接到電動(dòng)馬達(dá)和一個(gè)或多個(gè)傳感器，并且配置成基于從一個(gè)或多個(gè)傳感器所接收的信號(hào)來控制電動(dòng)馬達(dá)的換向。馬達(dá)控制電路配置成基于一個(gè)或多個(gè)繞組的反emf電壓并且與來自一個(gè)或多個(gè)傳感器的信號(hào)無關(guān)地確定轉(zhuǎn)子的總角旋轉(zhuǎn)。按照又另一個(gè)示范實(shí)施例，存在一種用于控制電動(dòng)馬達(dá)的方法。該方法包括下列步驟基于來自附連到電動(dòng)馬達(dá)的定子的一個(gè)或多個(gè)傳感器的信號(hào)使電動(dòng)馬達(dá)換向；以及采用電連接到電動(dòng)馬達(dá)的馬達(dá)控制電路、基于定子的一個(gè)或多個(gè)繞組的反emf電壓并且與來自一個(gè)或多個(gè)傳感器的信號(hào)無關(guān)地確定電動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)子的總角旋轉(zhuǎn)。在本發(fā)明的又另一方面，一示范實(shí)施例可包括諸如EPROM芯片、ASIC、UECM IC或閃速存儲(chǔ)器等的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其上編碼有諸如機(jī)器可讀代碼之類的指令，以用于指示馬達(dá)控制電路中的控制器來執(zhí)行上述方法的任一個(gè)。


附圖示出一個(gè)或多個(gè)示范實(shí)施例而不是被理解為將本發(fā)明限制到這些所示實(shí)施例，附圖如下
圖1是按照一示范實(shí)施例的泥漿脈沖器的側(cè)面截面 圖2(a)示出按照一示范實(shí)施例的馬達(dá)的霍耳效應(yīng)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(shí)施例的另一電動(dòng)馬達(dá)的霍耳效應(yīng)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(shí)施例、將霍耳效應(yīng)傳感器用于換向并且將反emf電壓用于角位置的馬達(dá)控制電路的示意 圖4是示出電動(dòng)馬達(dá)的繞組激勵(lì)序列的示意 圖5是示出按照一示范實(shí)施例、使用霍耳效應(yīng)傳感器來使馬達(dá)繞組換向的方式的流程
圖6是示出按照一示范實(shí)施例、使用反emf電壓來確定轉(zhuǎn)子的角位置的方法的流程
圖1是示出按照一示范實(shí)施例、使用反emf電壓來確定轉(zhuǎn)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(shí)施例、使用反emf電壓來確定轉(zhuǎn)子的角位置的又另一種方法的流程 圖9是按照一示范實(shí)施例、確定反emf電壓的運(yùn)算放大器的示意圖示；
圖10是示出按照一示范實(shí)施例、用于確定轉(zhuǎn)子的總角旋轉(zhuǎn)的方法的流程圖；以及 圖11是按照一示范實(shí)施例、操作電動(dòng)馬達(dá)的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式示范實(shí)施例的以下描述參照附圖。不同附圖中的相同參考標(biāo)號(hào)標(biāo)識(shí)相同或相似的元件。以下詳細(xì)描述并不是限制本發(fā)明。本發(fā)明的范圍而是由所附權(quán)利要求書來限定。為了簡(jiǎn)潔起見，針對(duì)連接到泥漿脈沖中的導(dǎo)閥的無刷直流(BLDC)電動(dòng)馬達(dá)的術(shù)語和結(jié)構(gòu)來論述以下實(shí)施例。但是，隨后論述的實(shí)施例并不局限于BLDC馬達(dá)或者導(dǎo)閥，而是可適用于連接到其它部件的其它DC馬達(dá)。本說明書中通篇提到的“一個(gè)實(shí)施例”或“實(shí)施例”表示結(jié)合一個(gè)實(shí)施例所述的具體特征、結(jié)構(gòu)或特性包含在所公開的主旨的至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，詞語“在一個(gè)實(shí)施例中”或“在實(shí)施例中”在本說明書的各個(gè)位置中的出現(xiàn)不一定表示同一個(gè)實(shí)施例。此外，具體特征、結(jié)構(gòu)或特性可按照任何適當(dāng)方式結(jié)合在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中。按照一示范實(shí)施例，BLDC馬達(dá)的新混合設(shè)計(jì)只使用霍耳效應(yīng)傳感器并且限于使BLDC馬達(dá)換向的目的，因而在所有馬達(dá)速度下、甚至在馬達(dá)啟動(dòng)時(shí)也具有良好馬達(dá)換向。但是，BLDC馬達(dá)將反emf電壓用于確定導(dǎo)閥位置的目的，其中導(dǎo)閥配置成在馬達(dá)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)沿預(yù)定方向線性移動(dòng)。使用反emf電壓來確定馬達(dá)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變，或者(ii)馬達(dá)電壓、總電流和平均繞組電阻，來計(jì)算反emf電壓。后一種方法可如稍后所述對(duì)所確定反emf電壓(在首先將其與常數(shù)相乘之后)積分以確定在給定時(shí)間段上的總角旋轉(zhuǎn)量d(并且因而對(duì)應(yīng)地確定導(dǎo)閥從已知起始位置的移動(dòng)量)?？捎?jì)算反emf，而不是只在給定時(shí)間測(cè)量反emf。例如，通過已知馬達(dá)電壓V、提供給特定激勵(lì)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(jì)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(zhuǎn)子的單個(gè)繞組提供激勵(lì)的時(shí)間期間跨這種轉(zhuǎn)子繞組來感測(cè)反emf,以便確定馬達(dá)的瞬時(shí)反emf。例如，對(duì)于具有三個(gè)轉(zhuǎn)子繞組A、B和C的轉(zhuǎn)子，在向其兩個(gè)轉(zhuǎn)子繞組(例如馬達(dá)的換向期間的轉(zhuǎn)子繞組A和B)提供激勵(lì)時(shí)，一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組被保持為去激勵(lì)(例如，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)期間，一次僅激勵(lì)兩個(gè)轉(zhuǎn)子繞組)。對(duì)于這個(gè)示例，如果激勵(lì)轉(zhuǎn)子繞組A和B，則其余轉(zhuǎn)子繞組C可用于測(cè)量馬達(dá)的反emf。按照另一個(gè)示范實(shí)施例，基于提供給馬達(dá)的總電流并且基于繞組的平均電阻來計(jì)算反emf。更具體來說，測(cè)量提供給馬達(dá)的總電流，并且例如從先前測(cè)量來得知對(duì)于繞組的平均電阻。然后，將所測(cè)量總電流與繞組的平均電阻相乘，并且從提供給馬達(dá)的總電壓中減去這個(gè)乘積以確定反emf。這樣，上述過程可應(yīng)用于任何類型的DC馬達(dá)，而與繞組的數(shù)量和換向的類型無關(guān)。要注意，在一個(gè)應(yīng)用中，DC馬達(dá)具有兩根導(dǎo)線，通過該兩根導(dǎo)線向馬達(dá)提供總電壓。因此，對(duì)于這個(gè)應(yīng)用，經(jīng)過導(dǎo)線的總電流以及跨導(dǎo)線的總電流被測(cè)量并且用于確定反emf。要注意,對(duì)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(guān)，反emf電壓與由已知常數(shù)k相關(guān)的馬達(dá)軸速度《成比例(即，反emf = k X )。這種常數(shù)k可通過測(cè)量馬達(dá)以已知電源電壓V空載運(yùn)行時(shí)的馬達(dá)軸速度來確定。定子繞組的繞組電阻R可在馬達(dá)停止時(shí)測(cè)量。因此，如上所述通過測(cè)量提供給馬達(dá)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(shí)間的反emf是可得到的。隨時(shí)間的馬達(dá)的角旋轉(zhuǎn)量等于馬達(dá)轉(zhuǎn)子的角速度的時(shí)間積分。已知上述方面，并且考慮到馬達(dá)的轉(zhuǎn)子速度《等于在時(shí)間dt上的角旋轉(zhuǎn)變化d 0 (即， m = d&:di )，通過對(duì)關(guān)系
纖WC#的兩邊積分，并且代入比例關(guān)系 = k-[V-(I*R)),產(chǎn)生下式
當(dāng)前轉(zhuǎn)子角旋轉(zhuǎn) 0 +:+++++f k ■ [V - (I R)] dL。上式可用于從所感測(cè)的反emf值或者從特定定子繞組的V和I的所感測(cè)的值、或者通過感測(cè)馬達(dá)的總電流和總電壓，通過積分來確定馬達(dá)角旋轉(zhuǎn)量，其中參數(shù)k和R是先前已知/測(cè)量的。具有確定轉(zhuǎn)子的角位置的電路的這種馬達(dá)可用于各種領(lǐng)域。一個(gè)示例是泥漿脈沖器，其中馬達(dá)的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)用于使導(dǎo)閥線性位移以用于通過泥漿柱發(fā)送信息。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)知道，馬達(dá)可在其它環(huán)境中用于調(diào)制流體流動(dòng)，例如以便傳送用于完全不同目的的數(shù)據(jù)。 但是，為了簡(jiǎn)潔起見，下面針對(duì)具有配置成控制用于控制主節(jié)流閥的導(dǎo)閥的BLDC馬達(dá)的泥漿脈沖器來描述示范實(shí)施例。導(dǎo)閥可以是“提升和孔口”類型導(dǎo)閥(“poppet andorifice”type pilot valve),并且BLDC馬達(dá)連接到旋轉(zhuǎn)線性轉(zhuǎn)換器,旋轉(zhuǎn)線性轉(zhuǎn)換器機(jī)械耦合到“提升和孔口”類型閥，由此實(shí)現(xiàn)“提升和孔口”類型閥的線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以便允許端口的開啟和閉合，流體通過端口流動(dòng)。閥的這種運(yùn)動(dòng)允許控制脈沖器的主節(jié)流閥，并且因而控制產(chǎn)生于這種主節(jié)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(diào)制。備選地，導(dǎo)閥可以是旋轉(zhuǎn)閥，該閥依靠通過減速齒輪傳動(dòng)或其它方式機(jī)械耦合到BLDC馬達(dá)來旋轉(zhuǎn)?，F(xiàn)在參照附圖來 論述BLDC馬達(dá)、閥和泥漿脈沖器的細(xì)節(jié)。在一示范實(shí)施例中，圖1示出鉆桿底孔組裝件(以下簡(jiǎn)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(fù)地位于設(shè)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(zhuǎn)對(duì)齊。主殼體I的直徑比鉆桿19要小，以使得創(chuàng)建鉆井泥漿通過其中能夠流動(dòng)的環(huán)形空間20?？坠?8在鉆桿19中設(shè)置在肋片21下面，用于創(chuàng)建鉆桿中的鉆井泥漿的流動(dòng)的孔或節(jié)流28。如圖1中的箭頭所示，鉆井泥漿因此能夠沿環(huán)形空間20流動(dòng)，經(jīng)過肋片21，通過孔28離開鉆桿19，并且沿著所示箭頭經(jīng)由鉆桿19與鉆孔壁(未示出)之間的環(huán)形空間返回。主活塞13設(shè)置在室12中?；钊?3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(duì)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(dòng)。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(dāng)主殼體I由鉆桿19中的肋片21來定位時(shí)，空心圓筒30的開口端充當(dāng)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(huán)形空間20中的泥漿的壓力增加。如下面更詳細(xì)論述，空心圓筒30和孔28的組合充當(dāng)主節(jié)流閥，其負(fù)責(zé)產(chǎn)生泥漿中的壓力脈沖，該壓力脈沖用于與表面進(jìn)行通信。空心圓筒30經(jīng)由主活塞13中設(shè)置的控制端口 14與上室15a連通。同時(shí)，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(jìn)入下室15b。導(dǎo)閥室23設(shè)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(dǎo)閥8來調(diào)節(jié)。在所示實(shí)施例中，導(dǎo)閥8采取線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)“提升和孔口”類型閥的形式，但是備選地可使用旋轉(zhuǎn)閥。采取所示形式的導(dǎo)閥8包括在一端具有活動(dòng)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(dǎo)閥8從室23流到室15a或者反過來也是一樣。導(dǎo)閥8通過馬達(dá)組裝件5、5a來線性地往復(fù)運(yùn)動(dòng)，下面更詳細(xì)論述。來自鉆桿19的泥漿經(jīng)由端口 17進(jìn)入導(dǎo)閥室23。當(dāng)導(dǎo)閥8開啟時(shí)，泥漿可通過閥座/孔9從導(dǎo)閥室23流入上室15a?！伴_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(dòng)。圓盤可部分但不是完全堵塞閥座/孔9，使得泥漿的流動(dòng)能夠受到限制但是沒有停止。相應(yīng)地，“開啟”包括其中泥漿的流動(dòng)受到限制但是沒有停止的部分開啟以及其中泥漿不受導(dǎo)閥8或圓盤控制而流經(jīng)閥座/孔9的完全開啟?！伴]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(dòng)停止的狀態(tài)。能夠使端口 16、17以及閥座/孔9過大而不會(huì)被鉆井泥漿中的漏失循環(huán)材料(“LCM”)和其它微粒堵塞，并且還可傾斜以阻止這類物質(zhì)積聚。馬達(dá)組裝件5、5a包含在馬達(dá)座穴2中。馬達(dá)組裝件5、5a可包括BLDC馬達(dá)5 ;以及旋轉(zhuǎn)線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換器5a，例如螺紋滾珠螺桿裝置，其將BLDC馬達(dá)5的旋轉(zhuǎn)輸出轉(zhuǎn)換為軸6的往復(fù)線性移動(dòng)。如上所述，可使用其它類型的DC馬達(dá)。軸6通過位于馬達(dá)座穴2的壁中的滑動(dòng)密封7耦合到馬達(dá)組裝件5、5a，以使得防止馬達(dá)座穴2受到鉆井泥漿污染。馬達(dá)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(dá)座穴2的壁中的端口 4連通，使得馬達(dá)座穴2與環(huán)形空間20之間達(dá)到壓力平衡。在一備選實(shí)施例(未示出)中，膜片3能夠用適當(dāng)?shù)哪ず谢蚧瑒?dòng)活塞來取代。馬達(dá)控制電路300(其一部分通過對(duì)馬達(dá)5的定子繞組進(jìn)行激勵(lì)和去激勵(lì)使馬達(dá)5換向)包含在壓力屏蔽艙(未示出)中，并且通過使馬達(dá)繞組A、B和C換向來驅(qū)動(dòng)BLDC馬達(dá)5，如將參照?qǐng)D3進(jìn)行論述?？沈?qū)動(dòng)BLDC馬達(dá)5和關(guān)聯(lián)導(dǎo)閥8，以便對(duì)數(shù)據(jù)解碼供經(jīng)由泥漿脈沖遙測(cè)傳送到表面。在馬達(dá)控制電路300與馬達(dá)組裝件5、5a之間的連接之中有將BLDC馬達(dá)5電耦合到馬達(dá)控制電路300的饋通導(dǎo)線24。饋通導(dǎo)線24經(jīng)過界定壓力屏蔽艙的壓力屏障26。饋通導(dǎo)線24的每個(gè)電耦合到BLDC馬達(dá)5的定子繞組之一，以便允許馬達(dá)控制電路300向BLDC馬達(dá)5供電。本說明書所使用的“換向”表示向BLDC馬達(dá)5發(fā)送電信號(hào)，并且具體來說依次對(duì)馬達(dá)定子繞組A、B和C進(jìn)行激勵(lì)和去激勵(lì)，使得BLDC馬達(dá)5的轉(zhuǎn)子繞其旋轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)。有利地，在一個(gè)實(shí)施例中，測(cè)量提供給馬達(dá)的總電壓和總電流的方法不需要任何換向信息，傳統(tǒng)方法則需要。下面進(jìn)一步說明，馬達(dá)控制300還提供導(dǎo)閥8的位置(它按照與馬達(dá)角旋轉(zhuǎn)的已知比例關(guān)系而改變)的確定，這對(duì)于有效泥漿脈沖調(diào)制是有用的。繼續(xù)參照?qǐng)D1，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(dòng)。端口 16將下室15b中的壓力保持在與環(huán)形空間20中存在的相同壓力，并且這個(gè)壓力對(duì)活塞13的底面34施加頂住壓縮彈簧11的向上力。如果導(dǎo)閥8閉合，則上室15a中的壓力經(jīng)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(dòng)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(jié)流，并且孔處的壓力降低，直至達(dá)到平衡。但是，當(dāng)導(dǎo)閥8開啟時(shí)，泥漿流進(jìn)入上室15a，從而升高活塞13的頂面32上的壓力?；钊?3向下移動(dòng)，從而使閥端頭22朝孔箍18移動(dòng)，并且通過限制鉆井泥漿流經(jīng)孔28，增加鉆桿19和環(huán)形空間20中的壓力。活塞13繼續(xù)向下移動(dòng)，直到與彈簧力相結(jié)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(gè)特征提供負(fù)反饋，并且產(chǎn)生穩(wěn)定的比例控制?；钊?3的這個(gè)向下平衡的位置對(duì)應(yīng)于二進(jìn)制信令系統(tǒng)中的泥漿脈沖器10的導(dǎo)通脈沖狀態(tài)。當(dāng)導(dǎo)閥8閉合時(shí)，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(huán)形空間20中的壓力，使得下室15b中的壓力再次變?yōu)楦哂谏鲜?5a中的壓力?；钊?3則頂著壓縮彈簧11的作用逐漸向上移動(dòng)，直到它采取其初始或斷開脈沖位置?；钊?3向下完全移動(dòng)到其導(dǎo)通脈沖位置時(shí)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(dòng))以及通過導(dǎo)閥8 (其允許泥漿在導(dǎo)閥室23與上室15a之間流動(dòng))的液壓阻抗的比率。能夠?qū)崿F(xiàn)的壓力調(diào)制量取決于控制端口 14和導(dǎo)閥8的液壓阻抗。如果這些的任一個(gè)變?yōu)楸欢氯?，則活塞13將不會(huì)正確操作，并且裝置所提供的遙測(cè)將失敗?，F(xiàn)在參照?qǐng)D2(a)，圖2(a)示出對(duì)于泥漿脈沖器10中安裝的多極BLDC馬達(dá)5的轉(zhuǎn)子的一個(gè)完整(360° )機(jī)械轉(zhuǎn)數(shù)所測(cè)量的霍耳效應(yīng)傳感器的各種輸出的圖表。圖2(a)還示出在BLDC馬達(dá)5的操作期間所產(chǎn)生的反emf信號(hào)以及在馬達(dá)換向期間從馬達(dá)控制電路300提供至BLDC馬達(dá)5的相電流。BLDC馬達(dá)5 (其特性如圖2(a)所示)在其轉(zhuǎn)子上具有兩對(duì)極性，并且因此，機(jī)械旋轉(zhuǎn)的每個(gè)30°對(duì)應(yīng)于電周期的60°。本示范實(shí)施例中的BLDC馬達(dá)5具有三個(gè)定子繞組A、B和C。如圖2(a)所示，三個(gè)定子繞組經(jīng)過電耦合，使得所產(chǎn)生的反emf信號(hào)是梯形的。在備選實(shí)施例(未示出)中，BLDC馬達(dá)5可具有多于三個(gè)定子繞組，并且它們可經(jīng)過電耦合，以便產(chǎn)生不同波形(例如正弦)的反emf信號(hào)。圖2 (a)的上部示出BLDC馬達(dá)5中安裝的三個(gè)霍耳效應(yīng)傳感器的輸出。與定子繞組的每個(gè)相鄰地安裝一個(gè)傳感器。如上所述的機(jī)械旋轉(zhuǎn)的每個(gè)30°對(duì)應(yīng)于電周期的60°，霍耳效應(yīng)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(jī)械旋轉(zhuǎn)的每個(gè)180°，霍耳效應(yīng)傳感器的輸出重復(fù)進(jìn)行。當(dāng)霍耳效應(yīng)傳感器輸出在機(jī)械旋轉(zhuǎn)的每個(gè)30°發(fā)生變化時(shí)，BLDC馬達(dá)5能夠通過識(shí)別換向期間使用的六個(gè)不同電序列(I至6)來換向，如圖2(a)所示。當(dāng)馬達(dá)換向時(shí)經(jīng)過定子繞組的電流在圖2(a)的“相電流”圖表中示出。當(dāng)使用來自霍耳效應(yīng)傳感器霍耳A、霍耳B和霍耳C的讀數(shù)作為反饋來使DC馬達(dá)換向時(shí)，馬達(dá)控制電路300基于霍耳效應(yīng)傳感器的讀數(shù)來檢測(cè)馬達(dá)的電序列，并且通過依次跨馬達(dá)的不同定子繞組A、B或C施加電池電壓來管理馬達(dá)(使其換向)，這取決于是期望順時(shí)針還是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。為了確定轉(zhuǎn)子的角旋轉(zhuǎn)以便驅(qū)動(dòng)導(dǎo)閥8，馬達(dá)控制電路300配置成不使用來自霍耳效應(yīng)傳感器霍耳A、霍耳B或霍耳C的任一個(gè)的轉(zhuǎn)子位置指示來進(jìn)行這種確定。按照一個(gè)實(shí)施例，馬達(dá)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(zhuǎn)子的當(dāng)前角旋轉(zhuǎn)e。如圖2(a)所示，標(biāo)記為“A+/B-”的圖表上的反emf電壓能夠通過跨繞組A對(duì)它進(jìn)行測(cè)量來確定；標(biāo)記為“B+/C-”的圖表上的反emf電壓能夠通過跨繞組B對(duì)它進(jìn)行測(cè)量來確定；以及標(biāo)記為“C+/A-”的曲線上的反emf電壓能夠通過跨繞組C對(duì)它進(jìn)行測(cè)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(jìn)一步描述的方法從提供給單獨(dú)定子繞組A、B和/或C的電流的電流值來計(jì)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(jìn)行測(cè)量。按照一示范實(shí)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(dá)的總電流(I)被測(cè)量，并且然后與繞組的平均電阻(R)相乘。從提供給馬達(dá)的總測(cè)量電壓中減去這個(gè)乘積。然后，將結(jié)果與常數(shù)k相乘，并且轉(zhuǎn)子角旋轉(zhuǎn)可通過對(duì)這個(gè)結(jié)果進(jìn)行時(shí)間積分來確定。如圖2(a)中的“反EMI”信號(hào)的圖表所不,霍耳效應(yīng)傳感器輸出轉(zhuǎn)變的每個(gè)對(duì)應(yīng)于反emf信號(hào)之一的相轉(zhuǎn)變。這種相轉(zhuǎn)變又稱作“零交叉”。在下面所述并且如圖10所示的一實(shí)施例中，通過確定和計(jì)數(shù)這些反emf電壓相轉(zhuǎn)變，馬達(dá)控制電路300能夠確定馬達(dá)5的旋轉(zhuǎn)數(shù)量(或者更具體來說是旋轉(zhuǎn)的分?jǐn)?shù))，而無需依靠來自霍耳效應(yīng)傳感器的讀數(shù)。如上所述，示范BLDC馬達(dá)5 (其特性如圖2(a)所示)在其轉(zhuǎn)子上具有兩對(duì)極性。在備選實(shí)施例中，能夠使用在其轉(zhuǎn)子上具有更多或更少對(duì)極性的BLDC馬達(dá)，并且圖2 (a)所示的圖表將相應(yīng)地變化。例如，圖2(b)的圖表示出在其轉(zhuǎn)子上具有單一對(duì)極性的示范BLDC馬達(dá)的特性。如同圖2(a)中那樣，霍耳效應(yīng)傳感器的輸出與跨定子繞組A、B和C所測(cè)量的反emf信號(hào)形成對(duì)照。與圖2(a)的馬達(dá)相對(duì)照，60°的機(jī)械旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)于60°的電周期。另夕卜，在圖2 (b)的馬達(dá)中，反emf信號(hào)中的相轉(zhuǎn)變/零交叉從來自霍耳效應(yīng)傳感器的信號(hào)的對(duì)應(yīng)邊沿偏移30°。馬達(dá)控制電路300能夠配置成補(bǔ)償這種30°偏移并且補(bǔ)償可存在于備選實(shí)施例的BLDC馬達(dá)中的任何類似偏移，使得反emf信號(hào)仍然能夠用于有效并且適當(dāng)?shù)卮_定轉(zhuǎn)子角旋轉(zhuǎn)。在其它備選實(shí)施例(未示出)中，能夠使用具有任何適當(dāng)數(shù)量的定子或轉(zhuǎn)子極性的BLDC馬達(dá)?，F(xiàn)在參照?qǐng)D3，示出用于使馬達(dá)5換向的馬達(dá)控制電路300的簡(jiǎn)圖，其中具有定位在馬達(dá)5的轉(zhuǎn)子5b的周邊的霍耳效應(yīng)傳感器霍耳A、霍耳B和霍耳C。霍耳效應(yīng)傳感器可放置在位于轉(zhuǎn)子5b周圍的定子5c上。馬達(dá)控制電路300包括微控制器302，微控制器302在所不實(shí)施例中是Microc hip Technology Inc. (Chandler,Arizona, USA)制造的Microchip PIC18F2431微控制器。在備選實(shí)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(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列之類的任何適當(dāng)?shù)目刂破?，或者微控制?02的功能性可使用例如專用集成電路來實(shí)現(xiàn)。微控制器302包括存儲(chǔ)關(guān)于如何使馬達(dá)換向的指令的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)322，例如閃速存儲(chǔ)器。微控制器302通過對(duì)使用例如場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)驅(qū)動(dòng)器304所放大的輸出PWM [(>"5]使用例如脈寬調(diào)制來控制BLDC馬達(dá)5的換向。順時(shí)針馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的活動(dòng)PWM [(>-5]輸出與逆時(shí)針馬達(dá)旋轉(zhuǎn)不同，這是本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道的。IGBT驅(qū)動(dòng)器304向一系列開關(guān)門QO…Q5輸出經(jīng)放大的PWM [(>"5]輸出，一系列開關(guān)門QO…Q5在由IGBT驅(qū)動(dòng)器304經(jīng)由饋通導(dǎo)線24按照?qǐng)D4所示序列來起動(dòng)時(shí)，根據(jù)情況允許繞組A、B或C其中之一被激勵(lì)，而另一個(gè)將被去激勵(lì)。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(qū)動(dòng)器304以及使馬達(dá)5換向中使用?？蓪?shí)現(xiàn)馬達(dá)控制電路300的其它配置。接下來參照?qǐng)D5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(shí)針或順時(shí)針旋轉(zhuǎn)來使BLDC馬達(dá)5換向的方法。在步驟500開始，初始化順時(shí)針和逆時(shí)針換向陣列。在步驟501，在使馬達(dá)換向之前執(zhí)行檢查。在步驟502、503和504中，把來自霍耳傳感器的每個(gè)的相應(yīng)感測(cè)值讀入變量“hval”，這允許進(jìn)行關(guān)于轉(zhuǎn)子位置在序列1-6中的位置的確定。如果期望馬達(dá)換向是順時(shí)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(zhuǎn)子在激勵(lì)位置1-6的順時(shí)針序列中的位置，使得順時(shí)針換向序列可在期望激勵(lì)序列1-6 (參閱圖4)開始(步驟508)。備選地，如果期望馬達(dá)換向是逆時(shí)針的，則讀入“hval”的值用作指針(步驟506)，以便確定轉(zhuǎn)子在激勵(lì)位置1-6的逆時(shí)針序列中的位置，使得逆時(shí)針換向序列可在期望激勵(lì)序列1_6(參閱圖4)開始(步驟509)?，F(xiàn)在來看用于確定馬達(dá)的轉(zhuǎn)子的角位置的方法和閥的對(duì)應(yīng)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(hào)，并且計(jì)數(shù)在馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的時(shí)期中發(fā)生的相轉(zhuǎn)變數(shù)量。這些方式包括但不限于(i)將饋通導(dǎo)線24的每個(gè)的電壓與用于驅(qū)動(dòng)BLDC馬達(dá)5的DC電壓的一半(在所示實(shí)施例中為12. 5 V)進(jìn)行比較；(ii)將饋通導(dǎo)線24的每個(gè)的電壓與虛擬地信號(hào)進(jìn)行比較；或者(iii)只對(duì)饋通導(dǎo)線24的每個(gè)的電壓進(jìn)行取樣，并且將該值直接輸入微控制器302供數(shù)字化和使用。在前兩種方式中，比較結(jié)果是方波，其中該波在反emf電壓大于零時(shí)為高而在反emf電壓小于零時(shí)為低。因此，微控制器302能夠依靠邊沿檢測(cè)來確定反emf信號(hào)的相轉(zhuǎn)變發(fā)生的位置。在第三種方式中，整個(gè)梯形反emf信號(hào)的數(shù)字化形式可輸入到微控制器302。為了確定相轉(zhuǎn)變發(fā)生的時(shí)間，微控制器302將數(shù)字化反emf信號(hào)與參考零點(diǎn)進(jìn)行比較。如上所述，在備選實(shí)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(bǔ)充或替代，微控制器中302可利用反emf的整個(gè)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(gè)或多個(gè)，以便確定這類相轉(zhuǎn)變發(fā)生的數(shù)量和時(shí)間。確定不是供使馬達(dá)5換向中使用而是用于確定馬達(dá)5的當(dāng)前角旋轉(zhuǎn)0的反emf■電壓的另一種方式可通過從感測(cè)電流值計(jì)算這類值并且了解定子繞組的每個(gè)的電阻來實(shí)現(xiàn)。如本說明書進(jìn)一步論述，這類方法涉及感測(cè)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(gè)微處理器，未示出)中通過應(yīng)用歐姆定律來計(jì)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(dá)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(shù)，在與(V -1 R)的乘積相乘時(shí)產(chǎn)生馬達(dá)的反emf電壓。上式基于如下原理對(duì)于DC馬達(dá)，反emf 與由某個(gè)已知常數(shù)k相關(guān)的馬達(dá)速度成比例。這種常數(shù)可通過測(cè)量馬達(dá)以已知電源電壓空載運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)子速度來確定。繞組電阻可在馬達(dá)停止時(shí)測(cè)量。反emf通過測(cè)量電源電壓并且減去電流乘以繞組電阻的乘積是可測(cè)量的。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)則等于速度的時(shí)間積分。電流項(xiàng)確保正確地監(jiān)測(cè)會(huì)更慢轉(zhuǎn)動(dòng)的重負(fù)荷馬達(dá)。對(duì)該算法的增強(qiáng)是對(duì)已知電阻校正隨溫度線性提高的溫度效應(yīng)。按照?qǐng)D6所示的一實(shí)施例，現(xiàn)在論述用于確定馬達(dá)5的角旋轉(zhuǎn)“d”的方法。馬達(dá)電路300控制馬達(dá)5，并且具體來說是控制如何避免過驅(qū)動(dòng)泥漿脈沖器10的導(dǎo)閥8超過全開或全閉位置，并且由此浪費(fèi)電池350的有限電力。在步驟600開始，對(duì)于增量時(shí)間段At的當(dāng)前馬達(dá)旋轉(zhuǎn)0的值以及在導(dǎo)閥8處于全開或全閉位置時(shí)的給定時(shí)間段上的馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的總值“d”最初設(shè)置為零。此后，在步驟601，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路300用于在導(dǎo)閥8閉合時(shí)以順時(shí)針方式或者在導(dǎo)閥8從開啟位置移動(dòng)到閉合位置時(shí)以逆時(shí)針方式使馬達(dá)5換向。此后，在步驟603，通過確定是否存在霍耳效應(yīng)傳感器所感測(cè)的值的任何變化，來進(jìn)行關(guān)于是否存在任何馬達(dá)驅(qū)動(dòng)故障的確定。如果不存在變化(馬達(dá)不能移動(dòng))，則指示馬達(dá)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(jù)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(dá)速度通過預(yù)定比例常數(shù)“k”與反emf相關(guān)的關(guān)系，由微處理器通過應(yīng)用下式來確定馬達(dá)5的轉(zhuǎn)子的速度“S”
速度=(V -1 R) k。步驟609確定速度是否為負(fù)(如果是的話，則直接轉(zhuǎn)到步驟613)。如果不是的話，則在步驟611，通過數(shù)值積分近似方法，S卩，將所計(jì)算速度與增量小時(shí)間段At的值相乘，并且將所得值9與總角旋轉(zhuǎn)“d”相加，來確定當(dāng)前角旋轉(zhuǎn)0。此后，在步驟613，進(jìn)行關(guān)于總角馬達(dá)旋轉(zhuǎn)“d”是否超過預(yù)定極限、即將導(dǎo)閥8從全開位置驅(qū)動(dòng)到全閉位置或者反之的所需的馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的數(shù)量的確定，以及如果是的話，則停止進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)(步驟617)。在另一個(gè)·實(shí)施例中，在返回到步驟601并且在沒有達(dá)到預(yù)定極限時(shí)開始進(jìn)一步馬達(dá)旋轉(zhuǎn)之前，在步驟615，進(jìn)行第一檢查以確定馬達(dá)是否吸取超過預(yù)定量的電流。如果是的話，則停止該方向的進(jìn)一步馬達(dá)旋轉(zhuǎn)。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(dá)和其它條件。圖7示出確定泥漿脈沖器10的馬達(dá)5的總角旋轉(zhuǎn)“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(dǎo)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(xù)步驟700、701和703對(duì)應(yīng)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(dá)控制電路300可按照上述方式的任一種持續(xù)感測(cè)(而不是計(jì)算)馬達(dá)的反emf。在一個(gè)實(shí)施例中，馬達(dá)控制電路300從三個(gè)定子繞組中在給定取樣時(shí)間沒有被激勵(lì)的一個(gè)定子繞組來感測(cè)反emf電壓。此后，如步驟705所示，馬達(dá)控制電路300配置成將所測(cè)量的emf值與常數(shù)k相乘，以便產(chǎn)生馬達(dá)的速度，并且此后在所感測(cè)反emf的相轉(zhuǎn)變之間在時(shí)間上對(duì)速度連續(xù)積分，以便產(chǎn)生當(dāng)前角旋轉(zhuǎn)0。將這種所確定量0與任何先前積分相加，由此計(jì)算轉(zhuǎn)子的角旋轉(zhuǎn)“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(dá)5的總角旋轉(zhuǎn)“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(dǎo)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(xù)步驟800、801和803再次對(duì)應(yīng)于圖6的初始步驟600、601和603，并且將不作贅述。在步驟805，監(jiān)測(cè)提供給馬達(dá)5的總電壓V，如提供給馬達(dá)的總電流I那樣。在步驟807，使用這類值，馬達(dá)控制電路300經(jīng)由微處理器部件302或其它微處理器、通過將下式應(yīng)用于V、I的所監(jiān)測(cè)值并且使用已知平均定子繞組電阻R和已知比例常數(shù)k來計(jì)算(例如連續(xù)地)速度
速度=(V -1 R) k。在一備選實(shí)施例中，可插入步驟809以檢查所產(chǎn)生速度不是負(fù)值。如果速度為負(fù)，則該過程進(jìn)行到步驟813。此后，在步驟811，假定沒有得到負(fù)速度值，則可在時(shí)間上對(duì)速度的所產(chǎn)生值求積分，以便產(chǎn)生在這種時(shí)間間隔期間的轉(zhuǎn)子的總角旋轉(zhuǎn)“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(duì)值持續(xù)積分或不積分的微處理器是本領(lǐng)域的技術(shù)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(jì)算的那樣對(duì)速度的所得值持續(xù)積分的一種方式是采用運(yùn)算放大器。圖9示出運(yùn)算放大器555，它可在用于對(duì)k*[V - (1-R)]的數(shù)值乘積進(jìn)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(shù)字部件或其它數(shù)值積分部件對(duì)所感測(cè)/計(jì)算值(在本例中是給定時(shí)間段期間的速度的值)持續(xù)積分的其它手段和方法現(xiàn)在是本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的。現(xiàn)在參照?qǐng)D10，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(chǔ)在微控制器302或其它微處理器(未示出)的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)322中或者在任何其它適當(dāng)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上，包括諸如CD-ROM和DVD之類的基于光盤的介質(zhì)、諸如硬盤驅(qū)動(dòng)器和其它形式的磁盤存儲(chǔ)之類的磁介質(zhì)、諸如閃速介質(zhì)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器之類的基于半導(dǎo)體的介質(zhì)。按照?qǐng)D10所示的方法，微控制器開始于步驟1000，并且進(jìn)入步驟1001，以便通過按照上述方式對(duì)定子繞組A、B和C進(jìn)行激勵(lì)和去激勵(lì)來使BLDC馬達(dá)5換向。換向使馬達(dá)的轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針或逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，通常(但不一定)從導(dǎo)閥8處于全開位置的位置旋轉(zhuǎn)，在這種情況下，馬達(dá)旋轉(zhuǎn)是順時(shí)針的，以便使導(dǎo)閥8朝閉合位置移動(dòng)，或者如果處于全閉位置，則轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，以便使導(dǎo)閥8朝全開位置移動(dòng)。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(dá)5正在操作并且正產(chǎn)生反emf信號(hào)，馬達(dá)控制電路300能夠在步驟1006測(cè)量反emf信號(hào)，并且在步驟1008識(shí)別和保持反emf信號(hào)中發(fā)生的相轉(zhuǎn)變的計(jì)數(shù)。一旦對(duì)于馬達(dá)已經(jīng)旋轉(zhuǎn)的給定時(shí)間段期間計(jì)數(shù)相轉(zhuǎn)變，則能夠在步驟1010確定馬達(dá)5的總角旋轉(zhuǎn)“d”。由于馬達(dá)軸的角旋轉(zhuǎn)與導(dǎo)閥8的線性移動(dòng)之間的關(guān)系(由旋轉(zhuǎn)至線性轉(zhuǎn)換器5a創(chuàng)建)，能夠確定對(duì)于馬達(dá)的給定角旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)閥8的移動(dòng)范圍，并且由此能夠確定馬達(dá)的角旋轉(zhuǎn)的極限，以便避免在全開或全閉位置的導(dǎo)閥8的不必要的過驅(qū)動(dòng)。因此，圖10的判定步驟1013使馬達(dá)控制電路300在驅(qū)動(dòng)馬達(dá)5之后確定馬達(dá)的角旋轉(zhuǎn)的極限是否達(dá)到預(yù)定義極限。如果是的話，則在步驟1015停止驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。如果不是的話，則在一可選實(shí)施例中，進(jìn)行關(guān)于馬達(dá)電流是否大于預(yù)定義極限的進(jìn)一步查詢(以便防止過驅(qū)動(dòng)馬達(dá))(步驟1014)。如果是的話，則停止馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)(步驟1015)。如果不是的話，馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)返回到步驟1001繼續(xù)進(jìn)行。如上所述，馬達(dá)控制電路300中包含的微控制器能夠使BLDC馬達(dá)5沿順時(shí)針或逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。在本實(shí)施例中，馬達(dá)5的這種運(yùn)動(dòng)可用于傳送“0”和“I”信號(hào)，隨后進(jìn)行論述。在這種二進(jìn)制信令方案中，能夠通過完全開啟導(dǎo)閥8，例如通過逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)BLDC馬達(dá)5以使導(dǎo)閥8從閥座/孔9回收以使得導(dǎo)閥8沒有阻礙通過閥孔9的泥漿流，來發(fā)送高壓或“I”信號(hào)。類似地，能夠通過閉合導(dǎo)閥8，例如通過順時(shí)針旋轉(zhuǎn)BLDC馬達(dá)5以使導(dǎo)閥8的端頭堵塞閥座/孔9，這阻止泥漿流經(jīng)閥孔9，來發(fā)送低壓或“0”信號(hào)。通過井下部署之前的校準(zhǔn)，微控制器302能夠被編程成具有用于將導(dǎo)閥8從全閉位置(即，在使導(dǎo)閥8盡可能深地插入閥座9時(shí))轉(zhuǎn)變成全開位置(即，當(dāng)導(dǎo)閥8盡可能深地從閥座9回收時(shí))的馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的總數(shù)(包括其分?jǐn)?shù)部分或增量)。通過確定相轉(zhuǎn)變數(shù)量并且因而確定BLDC馬達(dá)5相對(duì)于全開或全閉位置已經(jīng)經(jīng)過的當(dāng)前角旋轉(zhuǎn)0，微控制器302能夠確定導(dǎo)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(dǎo)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(fā)送使用非二進(jìn)制調(diào)制方案、例如正交幅度調(diào)制所編碼的消息。現(xiàn)在參照?qǐng)D11來描述用于控制電動(dòng)馬達(dá)的方法。該方法包括步驟1100，基于來自附連到電動(dòng)馬達(dá)的定子的一個(gè)或多個(gè)傳感器的信號(hào)使電動(dòng)馬達(dá)換向；以及步驟1102，采用電連接到電動(dòng)馬達(dá)的馬達(dá)控制電路、基于定子的一個(gè)或多個(gè)繞組的反emf電壓并且與來自一個(gè)或多個(gè)傳感器的信號(hào)無關(guān)地確定電動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)子的總角旋轉(zhuǎn)。上述示范實(shí)施例的一個(gè)或多個(gè)提供電動(dòng)馬達(dá)以及用于基于傳感器測(cè)量使馬達(dá)換向并且用于基于無傳感器方式來確定旋轉(zhuǎn)位置的對(duì)應(yīng)控制器。應(yīng)當(dāng)理解，本描述并不是要限制本發(fā)明。相反，示范實(shí)施例預(yù)計(jì)涵蓋包含在所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)的備選、修改和等效方案。此外，在示范實(shí)施例的詳細(xì)描述中，提出大量具體細(xì)節(jié)，以便提供對(duì)要求保護(hù)的本發(fā)明的綜合理解。但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)理解，即使沒有這類具體細(xì)節(jié)也可實(shí)現(xiàn)各個(gè)實(shí)施例。雖然在采用具體組合的實(shí)施例中描述當(dāng)前示范實(shí)施例的特征和元件，但是各特征或元件能夠單獨(dú)使用而無需實(shí)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(lǐng)域的任何技術(shù)人員能夠?qū)ζ溥M(jìn)行實(shí)施，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何結(jié)合的方法。本主題的專利范圍由權(quán)利要求書來限定，并且可包括本領(lǐng)域的技術(shù)人員想到的其它示例。這類其它示例預(yù)計(jì)落入權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)。
權(quán)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(dòng)馬達(dá)組裝件，所述電動(dòng)馬達(dá)組裝件包括具有轉(zhuǎn)子和包括一個(gè)或多個(gè)繞組的定子的電動(dòng)馬達(dá)；所述定子上的一個(gè)或多個(gè)傳感器，配置成確定所述轉(zhuǎn)子的角位置；以及馬達(dá)控制電路，電連接到所述電動(dòng)馬達(dá)和所述一個(gè)或多個(gè)傳感器，并且配置成基于從所述一個(gè)或多個(gè)傳感器所接收的信號(hào)來控制所述電動(dòng)馬達(dá)的換向，其中所述馬達(dá)控制電路配置成基于所述一個(gè)或多個(gè)繞組的反emf電壓并且與來自所述一個(gè)或多個(gè)傳感器的信號(hào)無關(guān)地確定所述轉(zhuǎn)子的總角旋轉(zhuǎn)。
2.如權(quán)利要求1所述的電動(dòng)馬達(dá)組裝件，其中，所述一個(gè)或多個(gè)傳感器是霍耳傳感器。
3.如權(quán)利要求1所述的電動(dòng)馬達(dá)組裝件，其中，所述馬達(dá)控制電路配置成從提供給所述電動(dòng)馬達(dá)的總電流、提供給所述電動(dòng)馬達(dá)的總電壓和所述一個(gè)或多個(gè)繞組的平均電阻的值來計(jì)算所述反emf電壓。
4.如權(quán)利要求3所述的電動(dòng)馬達(dá)組裝件，其中，所述馬達(dá)控制電路還配置成使用所述反emf電壓、通過在一時(shí)間段上對(duì)所述反emf電壓和常數(shù)k的乘積進(jìn)行積分以產(chǎn)生所述轉(zhuǎn)子在所述時(shí)間段上的總角旋轉(zhuǎn)的值，來計(jì)算所述轉(zhuǎn)子的總角旋轉(zhuǎn)。
5.如權(quán)利要求1所述的電動(dòng)馬達(dá)組裝件，還包括閥構(gòu)件，附連到所述電動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)子，其中所述馬達(dá)控制電路配置成存儲(chǔ)與引起所述閥構(gòu)件從第一全開位置移動(dòng)到第二全閉位置或者反之的所述電動(dòng)馬達(dá)的角旋轉(zhuǎn)的量對(duì)應(yīng)的預(yù)定義角旋轉(zhuǎn)極限。
6.如權(quán)利要求5所述的電動(dòng)馬達(dá)組裝件，其中，所述馬達(dá)控制電路還配置成在所述總角旋轉(zhuǎn)達(dá)到所述預(yù)定義角旋轉(zhuǎn)極限時(shí)停止所述電動(dòng)馬達(dá)以避免進(jìn)一步使所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
7.如權(quán)利要求1所述的電動(dòng)馬達(dá)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(jì)算值，其中V是提供給所述馬達(dá)的電壓，I是提供給所述繞組的電流，R是所述一個(gè)或多個(gè)繞組的電阻，以及k是比例常數(shù)。
8.如權(quán)利要求1所述的電動(dòng)馬達(dá)組裝件，其中，所述電動(dòng)馬達(dá)是無刷直流馬達(dá)。
9.一種泥漿脈沖器，配置成通過在井內(nèi)流動(dòng)的液柱中產(chǎn)生的壓力波將數(shù)據(jù)從所述井的內(nèi)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(dòng)馬達(dá)，位于所述殼體的馬達(dá)座穴中并且具有轉(zhuǎn)子和包括一個(gè)或多個(gè)繞組的定子；所述定子上的一個(gè)或多個(gè)傳感器，配置成確定所述轉(zhuǎn)子的角位置；導(dǎo)閥，連接到所述電動(dòng)馬達(dá)，并且配置成在導(dǎo)閥室中移動(dòng)以用于閉合和開啟閥孔以產(chǎn)生通過所述液柱傳播到所述表面的壓力信號(hào)；以及馬達(dá)控制電路，電連接到所述電動(dòng)馬達(dá)和所述一個(gè)或多個(gè)傳感器，并且配置成基于從所述一個(gè)或多個(gè)傳感器所接收的信號(hào)來控制所述電動(dòng)馬達(dá)的換向，其中所述馬達(dá)控制電路配置成基于所述一個(gè)或多個(gè)繞組的反emf電壓并且與來自所述一個(gè)或多個(gè)傳感器的信號(hào)無關(guān)地確定所述轉(zhuǎn)子的總角旋轉(zhuǎn)。
10.如權(quán)利要求9所述的泥漿脈沖器，還包括旋轉(zhuǎn)至線性轉(zhuǎn)換器，機(jī)械耦合在所述電動(dòng)馬達(dá)與所述導(dǎo)閥之間，以便在所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)實(shí)現(xiàn)所述導(dǎo)閥的線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其中所述一個(gè)或多個(gè)傳感器是霍耳傳感器。
11.如權(quán)利要求9所述的泥漿脈沖器，其中，所述馬達(dá)控制電路配置成從提供給所述電動(dòng)馬達(dá)的總電流、提供給所述電動(dòng)馬達(dá)的總電壓和所述一個(gè)或多個(gè)繞組的平均電阻的值來計(jì)算所述反emf電壓。
12.如權(quán)利要求11所述的泥漿脈沖器，其中，所述馬達(dá)控制電路還配置成使用所述反emf電壓、通過在一時(shí)間段上對(duì)所述反emf電壓和已知常數(shù)k的乘積進(jìn)行積分以產(chǎn)生所述轉(zhuǎn)子在所述時(shí)間段上的總角旋轉(zhuǎn)的值，來計(jì)算所述轉(zhuǎn)子的總角旋轉(zhuǎn)。
13.如權(quán)利要求9所述的泥漿脈沖器，其中，所述馬達(dá)控制電路配置成存儲(chǔ)與引起所述導(dǎo)閥從第一全開位置移動(dòng)到第二全閉位置或者反之的所述電動(dòng)馬達(dá)的角旋轉(zhuǎn)的量對(duì)應(yīng)的預(yù)定義角旋轉(zhuǎn)極限。
14.如權(quán)利要求13所述的泥漿脈沖器，其中，所述馬達(dá)控制電路還配置成在所述總角旋轉(zhuǎn)達(dá)到所述預(yù)定義角旋轉(zhuǎn)極限時(shí)停止所述電動(dòng)馬達(dá)以避免進(jìn)一步使所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
15.如權(quán)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(jì)算值，其中V是提供給所述電動(dòng)馬達(dá)的電壓，I是提供給所述一個(gè)或多個(gè)繞組的電流，R是所述一個(gè)或多個(gè)繞組的電阻，以及k是比例常數(shù)。
16.如權(quán)利要求9所述的泥漿脈沖器，其中，所述電動(dòng)馬達(dá)是無刷直流馬達(dá)。
17.如權(quán)利要求9所述的泥漿脈沖器，其中，所述馬達(dá)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(gè)或多個(gè)傳感器的信號(hào)來定位所述導(dǎo)閥。
18.如權(quán)利要求9所述的泥漿脈沖器，其中，所述馬達(dá)控制電路還配置成通過計(jì)數(shù)相對(duì)于所述全閉位置或所述全開位置的相轉(zhuǎn)變的數(shù)量來跟蹤所述導(dǎo)閥的位置，并且將相轉(zhuǎn)變的數(shù)量轉(zhuǎn)換成所述電動(dòng)馬達(dá)的總角旋轉(zhuǎn)。
19.一種用于控制電動(dòng)馬達(dá)的方法，所述方法包括基于來自附連到所述電動(dòng)馬達(dá)的定子的一個(gè)或多個(gè)傳感器的信號(hào)來使所述電動(dòng)馬達(dá)換向；以及采用電連接到所述電動(dòng)馬達(dá)的馬達(dá)控制電路、基于所述定子的一個(gè)或多個(gè)繞組的反emf電壓而與來自所述一個(gè)或多個(gè)傳感器的信號(hào)無關(guān)地確定所述電動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)子的總角旋轉(zhuǎn)。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其還包括從電流、電壓和所述一個(gè)或多個(gè)繞組的電阻的值來計(jì)算所述反emf電壓。
21.如權(quán)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(shí)間段上對(duì)所述反emf電壓和已知常數(shù)k的乘積求積分以產(chǎn)生指定所述轉(zhuǎn)子在所述時(shí)間段上的總角旋轉(zhuǎn)量的值，來計(jì)算所述轉(zhuǎn)子的總角旋轉(zhuǎn)。
22.如權(quán)利要求19所述的方法，其還包括測(cè)量所述電動(dòng)馬達(dá)的換向期間在給定時(shí)間沒有被激勵(lì)的所述一個(gè)或多個(gè)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(dòng)馬達(dá)和方法。電動(dòng)馬達(dá)組裝件、泥漿脈沖器以及用于傳送數(shù)據(jù)的方法。電動(dòng)馬達(dá)組裝件包括電動(dòng)馬達(dá)，具有轉(zhuǎn)子和包括一個(gè)或多個(gè)繞組的定子；定子上的一個(gè)或多個(gè)傳感器，配置成確定轉(zhuǎn)子的角位置；以及馬達(dá)控制電路，配置成基于從一個(gè)或多個(gè)傳感器所接收的信號(hào)來控制電動(dòng)馬達(dá)的換向。馬達(dá)控制電路配置成基于一個(gè)或多個(gè)繞組的反emf電壓并且與來自一個(gè)或多個(gè)傳感器的信號(hào)無關(guān)地確定轉(zhuǎn)子的總角旋轉(zhuǎn)。
文檔編號(hào)E21B47/20GK103051140SQ20121038338
公開日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月11日
發(fā)明者J.派克 申請(qǐng)人:桑德克斯有限公司