【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于煤矿井下钻孔工程，涉及无线随钻测量装置中的连续波泥浆脉冲发生器，具体为双回路电机式泥浆脉冲发生器及其控制策略。
技术介绍
1、煤矿定向钻进过程中，面对井下高粉尘、高瓦斯和高湿度的爆炸性环境，作业人员通常采用矿用随钻测量装置获取工程参数和地质参数。随钻测量数据传输包括有线、无线两种方式，有线随钻测量信号在长距离传输时可靠性差，传输距离受限，此外对钻具要求较高；无线随钻测量装置的信号传输方式主要包括声波、电磁波、泥浆脉冲和智能钻杆等，其中泥浆脉冲法传输最为稳定可靠。泥浆脉冲法又包括正脉冲、负脉冲和连续波脉冲三种传输方式，目前煤矿井下钻探施工领域以泥浆正脉冲随钻测量方式为主，虽然克服了有线随钻测量系统存在的问题，但是传输速率较低，随着技术的发展，已难以满足远距离大量数据传输的需求。
2、连续波脉冲随钻测量系统具有响应快、数据传输量大的优点，但同时也有技术路线复杂、脉冲信号辨识困难等问题。
3、在连续波传输方式的泥浆脉冲随钻测量系统中，脉冲发生器需要永磁同步电机的转子带动阀门或叶片在泥浆中旋转运动来实现。系统工作时，转子跟随正弦波位置信号做高频摆动来产生泥浆压力脉冲，对控制信号的跟踪精度要求高，而工作时泥浆液的冲击、传动机构机械特性以及电机自身电气特性等方面均存在复杂的非线性因素，实际的数学模型难以精确判断。部分情形下，相关非线性因素对脉冲发生器性能造成了显著的影响。一方面，在泥浆液冲击情形下，电机输出轴带动的旋转阀如不能精确快速地跟踪指令信号，水力转矩将使脉冲发生器输出的连续波形发生畸变，增加地面
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的不足，本专利技术的目的在于，提供一种双回路电机式泥浆脉冲发生器，以减少工作时泥浆液冲击造成脉冲器输出连续波形发生畸变等问题，针对随钻测量中泥浆脉冲发生器用永磁同步电机自身抗扰动结构和与其配套的伺服控制策略，最大限度降低水力转矩带来的扰动，解决不同流量下泥浆液冲击带来的电机跟随精度变差等问题。
2、为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案予以实现：
3、一种双回路电机式泥浆脉冲发生器，包括依次相连的脉冲发生器、驱动短节、电池筒短节和探管短节；
4、所述脉冲发生器包括外管、设在外管内且依次连接的电路转换器、电机箱体、电机减速器、定子和转子以及设在外管内壁的力矩传感器；所述电机箱体内设有电机且该电机为双回路无刷直流电机；所述定子上设有多个定子过流通道，转子上设有多个转子过流通道；
5、所述驱动短节能控制脉冲发生器产生循环泥浆脉冲波动；所述探管短节用于钻孔轨迹参数数据的测量与存储，并根据设定程序向驱动短节发送指令及数据，控制系统工作；所述电池筒短节为整套系统提供直流电源。
6、本专利技术还包括如下技术特征：
7、具体的，所述电路转换器包括外环和内环，外环固定于外管内壁，内环和外环之间连有过线桥，相邻过线桥之间为扇形过流通道，内环前后两端分别装有端盖和中心航插，外环上套设导环，过线桥内的绝缘导线连接导环和中心航插；所述外管侧壁内设有轴向的过线孔且过线孔内的通信电缆连通导环与力矩传感器。
8、具体的，所述定子为盘状结构，定子通过其外壁的多个定位孔和螺栓限位固定于外管内壁；定子中心设有中心通孔，转子能穿过中心通孔，定子上设有呈90°圆周均布的四个定子过流通道，定子过流通道呈扇形。
9、具体的，所述转子包括由外至内布设的转子轴承外环、轴承球和转子轴承内盘，转子轴承内盘上设有多个转子过流通道；转子轴承内盘中心为传动轴，传动轴通过电机减速器连接至电机位置输出轴。
10、具体的，所述电机箱体左端通过螺钉固定于脉冲发生器外管，且与外管内壁之间有环隙以便泥浆液通过；所述电机箱体包括电机外壳及其内的双回路无刷直流电机；所述双回路无刷直流电机采用同轴连接的补偿回路和位置回路的双回路结构；补偿回路包括补偿回路转子和补偿回路定子，补偿回路转子通过滚珠轴承径向限位于所述电机外壳，补偿回路定子通过螺栓固定于所述电机外壳；位置回路包括位置回路转子和位置回路定子，位置回路转子通过滚珠轴承径向限位，位置回路定子通过螺栓固定于所述电机外壳；补偿回路转子左端连接旋转编码器，位置回路转子右端连接位置输出轴；在补偿回路转子和位置回路转子之间设有同轴的弹簧杆；补偿回路定子和位置回路定子分别产生磁势，其中位置回路定子的磁势与位置回路转子磁场相互作用作为输出端输出位置信号；补偿回路转子随水力转矩周向角位置运动以补偿电机转轴与水利转矩之间的位置差，实现两个回路的位置同步控制；补偿回路转子通过弹簧杆带动位置回路转子随其运动并减小两回路间因耦合作用产生的扰动；旋转编码器作为角度传感装置测量脉冲数量以获得所述位置回路输出的角位置信号。
11、具体的，所述探管短节包括机芯外筒，机芯外筒内设置有定向传感器组件、主控模块，主控模块用于控制脉冲发生器工作，定向传感器组件用于采集姿态参数，并推算出探管短节的空间姿态；主控模块将姿态参数发送给驱动短节，驱动短节控制脉冲发生器产生循环水脉冲波动。
12、一种基于所述的双回路电机式泥浆脉冲发生器的伺服控制策略，包括以下步骤：
13、步骤一、安装在外管内壁的水力转矩传感器测量泥浆流量，根据流量函数解算出当前工作状态下转矩扰动的周向位置信号，将该位置扰动信号发送至补偿回路；
14、步骤二、补偿回路接收位置扰动信号，与自身位置比较并计算之后输出控制量至电机驱动器，根据不断调整的闭环控制运算实现对水力转矩的高精度实时运动跟踪，将补偿信号发送至位置回路；
15、步骤三、补偿回路将位置回路作为负载拖动与之保持同轴同步运动，同时也为位置回路提供反作用力保证其连续运转；
16、步骤四、探管短节测量并计算出姿态参数，根据泥浆脉冲编码算法将采集的数据进行编码，转换为位置回路的指令信号，旋转编码器将系统输出的位置信息反馈至位置回路，通过对比将计算的控制量输出至安装在驱动短节内的电机驱动器，带动位置回路转子控制脉冲发生器产生循环水脉冲波动，泥浆液以压力波形的形式向地面传输数据，地面上位机对数据进行解算。
17、本专利技术与现有技术相比，具有如下技术效果：
18、本专利技术煤矿用双回路电机式泥浆脉冲发生器及其工作原理中，通过电机补偿回路对泥浆液流速进行同步，有效减少泥浆液冲击等导致的非线性因素对脉冲发生器造成的扰动，确保电机位置回路输出轴带动的旋转阀精确快速地跟踪驱动短节发送的指令信号，以抑制脉冲发生器输出波形发生的畸变，显著降低地面解码环节中信号滤本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种双回路电机式泥浆脉冲发生器，其特征在于，包括依次相连的脉冲发生器(1)、驱动短节、电池筒短节和探管短节；
2.如权利要求1所述的双回路电机式泥浆脉冲发生器，其特征在于，所述电路转换器(101)包括外环和内环，外环固定于外管(106)内壁，内环和外环之间连有过线桥，相邻过线桥之间为扇形过流通道，内环前后两端分别装有端盖和中心航插，外环上套设导环，过线桥内的绝缘导线连接导环和中心航插；所述外管(106)侧壁内设有轴向的过线孔且过线孔内的通信电缆连通导环与力矩传感器(105)。
3.如权利要求1所述的双回路电机式泥浆脉冲发生器，其特征在于，所述定子(103)为盘状结构，定子(103)通过其外壁的多个定位孔和螺栓限位固定于外管(106)内壁；定子(103)中心设有中心通孔，转子(104)能穿过中心通孔，定子(103)上设有呈90°圆周均布的四个定子过流通道，定子过流通道呈扇形。
4.如权利要求1所述的双回路电机式泥浆脉冲发生器，其特征在于，所述转子(104)包括由外至内布设的转子轴承外环、轴承球和转子轴承内盘，转子轴承内盘上设有多个转子过流通道
5.如权利要求1所述的双回路电机式泥浆脉冲发生器，其特征在于，所述电机箱体(102)左端通过螺钉固定于脉冲发生器(1)外管(106)，且与外管(106)内壁之间有环隙以便泥浆液通过；电机箱体(102)包括电机外壳(1028)及其内的双回路无刷直流电机；所述双回路无刷直流电机采用同轴连接的补偿回路和位置回路的双回路结构；补偿回路包括补偿回路转子(1022)和补偿回路定子(1023)，补偿回路转子(1022)通过滚珠轴承径向限位于所述电机外壳(1028)，补偿回路定子(1023)通过螺栓固定于所述电机外壳(1028)；位置回路包括位置回路转子(1025)和位置回路定子(1026)，位置回路转子(1025)通过滚珠轴承径向限位，位置回路定子(1026)通过螺栓固定于所述电机外壳(1028)；补偿回路转子(1022)左端连接旋转编码器(1021)，位置回路转子(1025)右端连接位置输出轴(1027)；在补偿回路转子(1022)和位置回路转子(1025)之间设有同轴的弹簧杆(1024)；
6.如权利要求1所述的双回路电机式泥浆脉冲发生器，其特征在于，所述探管短节包括机芯外筒，机芯外筒内设置有定向传感器组件、主控模块，主控模块用于控制脉冲发生器(1)工作，定向传感器组件用于采集姿态参数，并推算出探管短节的空间姿态；主控模块将姿态参数发送给驱动短节，驱动短节控制脉冲发生器(1)产生循环水脉冲波动。
7.一种基于权利要求5所述的双回路电机式泥浆脉冲发生器的伺服控制策略，其特征在于，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种双回路电机式泥浆脉冲发生器，其特征在于，包括依次相连的脉冲发生器(1)、驱动短节、电池筒短节和探管短节；
2.如权利要求1所述的双回路电机式泥浆脉冲发生器，其特征在于，所述电路转换器(101)包括外环和内环，外环固定于外管(106)内壁，内环和外环之间连有过线桥，相邻过线桥之间为扇形过流通道，内环前后两端分别装有端盖和中心航插，外环上套设导环，过线桥内的绝缘导线连接导环和中心航插；所述外管(106)侧壁内设有轴向的过线孔且过线孔内的通信电缆连通导环与力矩传感器(105)。
3.如权利要求1所述的双回路电机式泥浆脉冲发生器，其特征在于，所述定子(103)为盘状结构，定子(103)通过其外壁的多个定位孔和螺栓限位固定于外管(106)内壁；定子(103)中心设有中心通孔，转子(104)能穿过中心通孔，定子(103)上设有呈90°圆周均布的四个定子过流通道，定子过流通道呈扇形。
4.如权利要求1所述的双回路电机式泥浆脉冲发生器，其特征在于，所述转子(104)包括由外至内布设的转子轴承外环、轴承球和转子轴承内盘，转子轴承内盘上设有多个转子过流通道；转子轴承内盘中心为传动轴，传动轴通过电机减速器(107)连接至电机位置输出轴。
5.如权利要求1所述的双回路电机式泥浆脉冲发生器，其特征在于，所述电机箱体(102)左端通过螺钉固定于脉冲发生器(1)外...
【专利技术属性】
技术研发人员：税洋，杨冬冬，陈龙，陈翔，张冀冠，陈刚，张意，
申请(专利权)人：中煤科工西安研究院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：
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