CN103051140A

CN103051140A - 具有无传感器角位置确定的传感器换向电动马达和方法

Info

Publication number: CN103051140A
Application number: CN2012103833840A
Authority: CN
Inventors: J.派克
Original assignee: Sondex Ltd
Current assignee: Sondex Ltd
Priority date: 2011-10-11
Filing date: 2012-10-11
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2032-10-11
Also published as: CA2791507A1; US20130088361A1; CN103051140B; EP2595307A2; NO2595307T3; EP2595307B1; US9312798B2; EP2595307A3; CA2791507C

Abstract

本公开涉及具有无传感器角位置确定的传感器换向电动马达和方法。电动马达组装件、泥浆脉冲器以及用于传送数据的方法。电动马达组装件包括：电动马达，具有转子和包括一个或多个绕组的定子；定子上的一个或多个传感器，配置成确定转子的角位置；以及马达控制电路，配置成基于从一个或多个传感器所接收的信号来控制电动马达的换向。马达控制电路配置成基于一个或多个绕组的反emf电压并且与来自一个或多个传感器的信号无关地确定转子的总角旋转。

Description

具有无传感器角位置确定的传感器换向电动马达和方法

技术领域

本说明书所公开主题的实施例一般涉及方法和马达，以及更具体来说，涉及将传感器用于使马达换向并且将反电磁力(emf)用于确定马达的转子的旋转位置的机制和技术。

背景技术

增加的定向油井的钻井要求与钻井期间的钻头取向相关的信息以及与然后被钻井的地质地层的类型相关的数据连续地传送到表面，使得能够对钻头取向进行校正，以便沿期望方向引导井眼，并且接收关于遇到的地质地层的信息。

当执行定向钻井时，随钻测量(MWD)泥浆脉冲器通常用于将井下得到的这类各种测量传送到表面供处理。这些测量作为称作泥浆脉冲遥测的泥浆脉冲来传送。泥浆脉冲器通过井下调制沿空心钻杆向下抽吸的钻井流体或‘泥浆’的压力进行操作，以便由此通过钻井泥浆的调制压力变化向表面传送与钻头取向和地质地层相关的信息。

泥浆脉冲器的许多设计不同程度成功地在井下使用。直流(DC)马达操作的泥浆脉冲器的一个示例使用可逆电动马达连同霍耳效应轴传感器。安装在马达的定子上的霍耳效应传感器确定转子相对于定子的位置以及实际上使马达换向(即，管理DC马达的相应定子绕组的相应激励以便管理DC马达的旋转)的方式(和时间)。但是，这类霍耳效应传感器不仅用于马达换向，而且还用于感测转子转数，并且随转数计数电路用于确定导阀位置，以便调制控制阀以及因而调制传送到表面的泥浆脉冲。

泥浆脉冲器的另一种设计具有无刷电动马达，其中旋转线性转换系统用于管理导阀的位置。但是，这种设计不具有用于电动马达的换向的任何转子位置传感器、例如霍耳效应传感器。该泥浆脉冲器使用电动马达的反emf电压以便(i)使电动马达换向，以及(ii) 进一步确定转子位置和转数，并且由此确定阀位置。这样，避免对霍耳效应传感器的需要。因此，一种用于操作这种电动马达的方法使用反emf来确定转子位置，并且涉及保持给定马达方向的相转变的计数，以作为确定导阀相对于全开位置或全闭位置的位置的手段。

在反emf用于使马达换向的情况下，马达需要以最小速率转动，以便生成待感测的充分反emf。通过无传感器换向，在马达操作开始时以及在每分钟低马达旋转(RPM)时，马达的反emf较低，这可引起不足完全的马达换向。

相应地，需要以高精度使电动马达换向并且还确定马达的转子的角位置。

发明内容

按照一示范实施例，存在一种将传感器用于换向并且使用反emf电压来确定角位置的电动马达组装件。电动马达组装件包括：电动马达，具有转子和包括一个或多个绕组的定子；定子上的一个或多个传感器，配置成确定转子的角位置；以及马达控制电路，电连接到电动马达和一个或多个传感器，并且配置成基于从一个或多个传感器所接收的信号来控制电动马达的换向。马达控制电路配置成基于一个或多个绕组的反emf电压并且与来自一个或多个传感器的信号无关地确定转子的总角旋转。

按照另一个示范实施例，存在一种泥浆脉冲器，该泥浆脉冲器配置成通过井内流动的液柱中产生的压力波将数据从井的内部传送到井的表面。泥浆脉冲器包括：壳体，配置成由井壁来支承；电动马达，位于壳体的马达座穴中，并且具有转子和包括一个或多个绕组的定子；定子上的一个或多个传感器，配置成确定转子的角位置；导阀，连接到电动马达，并且配置成在导阀室中移动以用于闭合和开启阀孔以产生通过液柱传播到表面的压力信号；以及马达控制电路，电连接到电动马达和一个或多个传感器，并且配置成基于从一个或多个传感器所接收的信号来控制电动马达的换向。马达控制电路配置成基于一个或多个绕组的反emf电压并且与来自一个或多个传感器的信号无关地确定转子的总角旋转。

按照又另一个示范实施例，存在一种用于控制电动马达的方法。该方法包括下列步骤：基于来自附连到电动马达的定子的一个或多个传感器的信号使电动马达换向；以及采用电连接到电动马达的马达控制电路、基于定子的一个或多个绕组的反emf电压并且与来自一个或多个传感器的信号无关地确定电动马达的转子的总角旋转。

在本发明的又另一方面，一示范实施例可包括诸如EPROM芯片、ASIC、UECM IC或闪速存储器等的计算机可读介质，其上编码有诸如机器可读代码之类的指令，以用于指示马达控制电路中的控制器来执行上述方法的任一个。

附图说明

附图示出一个或多个示范实施例而不是被理解为将本发明限制到这些所示实施例，附图如下：

图1是按照一示范实施例的泥浆脉冲器的侧面截面图；

图2(a)示出按照一示范实施例的马达的霍耳效应传感器输出、反emf电压和相电流的图表；

图2(b)示出按照一示范实施例的另一电动马达的霍耳效应传感器输出和相电流的放大图表；

图3是示出按照一示范实施例、将霍耳效应传感器用于换向并且将反emf电压用于角位置的马达控制电路的示意图；

图4是示出电动马达的绕组激励序列的示意图；

图5是示出按照一示范实施例、使用霍耳效应传感器来使马达绕组换向的方式的流程图；

图6是示出按照一示范实施例、使用反emf电压来确定转子的角位置的方法的流程图；

图7是示出按照一示范实施例、使用反emf电压来确定转子的角位置的另一种方法的流程图；

图8是示出按照一示范实施例、使用反emf电压来确定转子的角位置的又另一种方法的流程图；

图9是按照一示范实施例、确定反emf电压的运算放大器的示意图示；

图10是示出按照一示范实施例、用于确定转子的总角旋转的方法的流程图；以及

图11是按照一示范实施例、操作电动马达的方法的流程图。

具体实施方式

示范实施例的以下描述参照附图。不同附图中的相同参考标号标识相同或相似的元件。以下详细描述并不是限制本发明。本发明的范围而是由所附权利要求书来限定。为了简洁起见，针对连接到泥浆脉冲中的导阀的无刷直流(BLDC)电动马达的术语和结构来论述以下实施例。但是，随后论述的实施例并不局限于BLDC马达或者导阀，而是可适用于连接到其它部件的其它DC马达。

本说明书中通篇提到的“一个实施例”或“实施例”表示结合一个实施例所述的具体特征、结构或特性包含在所公开的主旨的至少一个实施例中。因此，词语“在一个实施例中”或“在实施例中”在本说明书的各个位置中的出现不一定表示同一个实施例。此外，具体特征、结构或特性可按照任何适当方式结合在一个或多个实施例中。

按照一示范实施例，BLDC马达的新混合设计只使用霍耳效应传感器并且限于使BLDC马达换向的目的，因而在所有马达速度下、甚至在马达启动时也具有良好马达换向。但是，BLDC马达将反emf电压用于确定导阀位置的目的，其中导阀配置成在马达的转子转动时沿预定方向线性移动。使用反emf电压来确定马达的转子位置的方法可使用(i) 例如CA 2738271中公开的反emf电压的相转变，或者(ii) 马达电压、总电流和平均绕组电阻，来计算反emf电压。

后一种方法可如稍后所述对所确定反emf电压(在首先将其与常数相乘之后)积分以确定在给定时间段上的总角旋转量d(并且因而对应地确定导阀从已知起始位置的移动量)。可计算反emf，而不是只在给定时间测量反emf。例如，通过已知马达电压V、提供给特定激励绕组A、B或C的电流I_a、I_b或I_c，并且使用特定(已知)绕组电阻R，反emf电压则可使用欧姆定律和下式来计算：

反emf = V_跨电池- (I_{绕组 a ,b, 或 c}·R_{绕组 a ,b,或 c})

备选地，可在没有向转子的单个绕组提供激励的时间期间跨这种转子绕组来感测反emf，以便确定马达的瞬时反emf。例如，对于具有三个转子绕组A、B和C的转子，在向其两个转子绕组(例如马达的换向期间的转子绕组A和B)提供激励时，一个转子绕组被保持为去激励(例如，在转子旋转期间，一次仅激励两个转子绕组)。对于这个示例，如果激励转子绕组A和B，则其余转子绕组C可用于测量马达的反emf。

按照另一个示范实施例，基于提供给马达的总电流并且基于绕组的平均电阻来计算反emf。更具体来说，测量提供给马达的总电流，并且例如从先前测量来得知对于绕组的平均电阻。然后，将所测量总电流与绕组的平均电阻相乘，并且从提供给马达的总电压中减去这个乘积以确定反emf。这样，上述过程可应用于任何类型的DC马达，而与绕组的数量和换向的类型无关。要注意，在一个应用中，DC马达具有两根导线，通过该两根导线向马达提供总电压。因此，对于这个应用，经过导线的总电流以及跨导线的总电流被测量并且用于确定反emf。要注意，对于这种方法，不需要具有换向信息。

与哪一种方式用于确定反emf电压无关，反emf电压与由已知常数k相关的马达轴速度ω成比例(即，反emf = k ×ω)。这种常数k可通过测量马达以已知电源电压V空载运行时的马达轴速度来确定。定子绕组的绕组电阻R可在马达停止时测量。因此，如上所述通过测量提供给马达的电压V并且减去电流I和定子绕组电阻R之积，任何给定时间的反emf是可得到的。随时间的马达的角旋转量等于马达转子的角速度的时间积分。

已知上述方面，并且考虑到马达的转子速度ω等于在时间dt上的角旋转变化dθ(即，

Figure 2012103833840100002DEST_PATH_IMAGE001

)，通过对关系

的两边积分，并且代入比例关系

Figure 2012103833840100002DEST_PATH_IMAGE003

，产生下式：

当前转子角旋转

。

上式可用于从所感测的反emf值或者从特定定子绕组的V和I的所感测的值、或者通过感测马达的总电流和总电压，通过积分来确定马达角旋转量，其中参数k和R是先前已知/测量的。具有确定转子的角位置的电路的这种马达可用于各种领域。一个示例是泥浆脉冲器，其中马达的转子的旋转运动用于使导阀线性位移以用于通过泥浆柱发送信息。本领域的技术人员会知道，马达可在其它环境中用于调制流体流动，例如以便传送用于完全不同目的的数据。

但是，为了简洁起见，下面针对具有配置成控制用于控制主节流阀的导阀的BLDC马达的泥浆脉冲器来描述示范实施例。导阀可以是“提升和孔口”类型导阀（“poppet and orifice”type pilot valve），并且BLDC马达连接到旋转线性转换器，旋转线性转换器机械耦合到“提升和孔口”类型阀，由此实现“提升和孔口”类型阀的线性往复运动，以便允许端口的开启和闭合，流体通过端口流动。阀的这种运动允许控制脉冲器的主节流阀，并且因而控制产生于这种主节流阀的开启和闭合(或者部分开启或闭合)的压力波的脉冲调制。备选地，导阀可以是旋转阀，该阀依靠通过减速齿轮传动或其它方式机械耦合到BLDC马达来旋转。

现在参照附图来论述BLDC马达、阀和泥浆脉冲器的细节。在一示范实施例中，图1示出钻杆底孔组装件(以下简单地称作“钻杆”)19中部署的泥浆脉冲器10。泥浆脉冲器10包括可恢复地位于设置在钻杆19中的肋片21上的主壳体1。与钻杆19的连接还可包括定向靴布置，以便确保泥浆脉冲器10中包含的定向传感器的旋转对齐。主壳体1的直径比钻杆19要小，以使得创建钻井泥浆通过其中能够流动的环形空间20。孔箍18在钻杆19中设置在肋片21下面，用于创建钻杆中的钻井泥浆的流动的孔或节流28。如图1中的箭头所示，钻井泥浆因此能够沿环形空间20流动，经过肋片21，通过孔28离开钻杆19，并且沿着所示箭头经由钻杆19与钻孔壁(未示出)之间的环形空间返回。

主活塞13设置在室12中。活塞13将室12分为上室15a和下室15b。由位于活塞13的顶面32与室12的顶壁之间的压缩弹簧对活塞13起作用，使得活塞13被偏置以向下朝钻杆19中的孔28移动。空心圆筒30从活塞13的底面34并且从下室15b向外朝孔28延伸，使得当主壳体1由钻杆19中的肋片21来定位时，空心圆筒30的开口端充当阀端头22，阀端头22能够通过孔28移入泥浆流中，以便引起环形空间20中的泥浆的压力增加。如下面更详细论述，空心圆筒30和孔28的组合充当主节流阀，其负责产生泥浆中的压力脉冲，该压力脉冲用于与表面进行通信。

空心圆筒30经由主活塞13中设置的控制端口14与上室15a连通。同时，主壳体1中的端口16允许钻井泥浆在活塞13的底面34下面进入下室15b。

导阀室23设置在壳体1中，并且与上室15a的流体连通通过上室15a的端壁顶部的导阀8来调节。在所示实施例中，导阀8采取线性往复运动“提升和孔口”类型阀的形式，但是备选地可使用旋转阀。采取所示形式的导阀8包括在一端具有活动的圆盘35的轴6，使得圆盘35堵塞阀座/孔9，因而防止泥浆通过导阀8从室23流到室15a或者反过来也是一样。导阀8通过马达组装件5、5a来线性地往复运动，下面更详细论述。来自钻杆19的泥浆经由端口17进入导阀室23。

当导阀8开启时，泥浆可通过阀座/孔9从导阀室23流入上室15a。“开启”表示轴6的端部上的圆盘35与阀座/孔9之间存在间隙，泥浆的至少一部分可通过该间隙流动。圆盘可部分但不是完全堵塞阀座/孔9，使得泥浆的流动能够受到限制但是没有停止。相应地，“开启”包括其中泥浆的流动受到限制但是没有停止的部分开启以及其中泥浆不受导阀8或圆盘控制而流经阀座/孔9的完全开启。“闭合”包括其中轴6的端部的圆盘35尽可能深地插入阀座/孔9或者使得泥浆的流动停止的状态。

能够使端口16、17以及阀座/孔9过大而不会被钻井泥浆中的漏失循环材料(“LCM”)和其它微粒堵塞，并且还可倾斜以阻止这类物质积聚。

马达组装件5、5a包含在马达座穴2中。马达组装件5、5a可包括：BLDC马达5；以及旋转线性运动转换器5a，例如螺纹滚珠螺杆装置，其将BLDC马达5的旋转输出转换为轴6的往复线性移动。如上所述，可使用其它类型的DC马达。轴6通过位于马达座穴2的壁中的滑动密封7耦合到马达组装件5、5a，以使得防止马达座穴2受到钻井泥浆污染。马达座穴2可包含洁净流体、例如油。主壳体1中的膜片3与马达座穴2的壁中的端口4连通，使得马达座穴2与环形空间20之间达到压力平衡。在一备选实施例(未示出)中，膜片3能够用适当的膜盒或滑动活塞来取代。马达控制电路300(其一部分通过对马达5的定子绕组进行激励和去激励使马达5换向)包含在压力屏蔽舱(未示出)中，并且通过使马达绕组A、B和C换向来驱动BLDC马达5，如将参照图3进行论述。可驱动BLDC马达5和关联导阀8，以便对数据解码供经由泥浆脉冲遥测传送到表面。

在马达控制电路300与马达组装件5、5a之间的连接之中有将BLDC马达5电耦合到马达控制电路300的馈通导线24。馈通导线24经过界定压力屏蔽舱的压力屏障26。馈通导线24的每个电耦合到BLDC马达5的定子绕组之一，以便允许马达控制电路300向BLDC马达5供电。本说明书所使用的“换向”表示向BLDC马达5发送电信号，并且具体来说依次对马达定子绕组A、B和C进行激励和去激励，使得BLDC马达5的转子绕其旋转轴扭转。

有利地，在一个实施例中，测量提供给马达的总电压和总电流的方法不需要任何换向信息，传统方法则需要。下面进一步说明，马达控制300还提供导阀8的位置(它按照与马达角旋转的已知比例关系而改变)的确定，这对于有效泥浆脉冲调制是有用的。

继续参照图1，作用于活塞13的压力弹簧11使活塞13偏置，以便向下朝孔28移动。端口16将下室15b中的压力保持在与环形空间20中存在的相同压力，并且这个压力对活塞13的底面34施加顶住压缩弹簧11的向上力。

如果导阀8闭合，则上室15a中的压力经由控制端口14和空心圆筒30与孔箍18下面的较低压力均衡。弹簧11的动作和上室15a中的压力比较弱，并且活塞13将因下室15b中的压力而升高。因此，暴露孔箍18处的节流，并且孔处的压力降低，直至达到平衡。

但是，当导阀8开启时，泥浆流进入上室15a，从而升高活塞13的顶面32上的压力。活塞13向下移动，从而使阀端头22朝孔箍18移动，并且通过限制钻井泥浆流经孔28，增加钻杆19和环形空间20中的压力。活塞13继续向下移动，直到与弹簧力相结合的上室15a中的压力通过作用于活塞13的底面34（暴露于下室15b中的流体）的压力得到平衡。这个特征提供负反馈，并且产生稳定的比例控制。活塞13的这个向下平衡的位置对应于二进制信令系统中的泥浆脉冲器10的导通脉冲状态。

当导阀8闭合时，停止泥浆流入上室15a。上室15a中的压力则与阀端头22处的压力均衡。阀端头22处的压力低于较窄环形空间20中的压力，使得下室15b中的压力再次变为高于上室15a中的压力。活塞13则顶着压缩弹簧11的作用逐渐向上移动，直到它采取其初始或断开脉冲位置。

活塞13向下完全移动到其导通脉冲位置时的位置将取决于弹簧11的特性和控制端口14（其允许泥浆在上室15a与空心圆筒30之间流动）以及通过导阀8（其允许泥浆在导阀室23与上室15a之间流动）的液压阻抗的比率。

能够实现的压力调制量取决于控制端口14和导阀8的液压阻抗。如果这些的任一个变为被堵塞，则活塞13将不会正确操作，并且装置所提供的遥测将失败。

现在参照图2(a)，图2(a)示出对于泥浆脉冲器10中安装的多极BLDC马达5的转子的一个完整(360°)机械转数所测量的霍耳效应传感器的各种输出的图表。图2(a)还示出在BLDC马达5的操作期间所产生的反emf信号以及在马达换向期间从马达控制电路300提供至BLDC马达5的相电流。BLDC马达5（其特性如图2(a)所示）在其转子上具有两对极性，并且因此，机械旋转的每个30°对应于电周期的60°。

本示范实施例中的BLDC马达5具有三个定子绕组：A、B和C。如图2(a)所示，三个定子绕组经过电耦合，使得所产生的反emf信号是梯形的。在备选实施例(未示出)中，BLDC马达5可具有多于三个定子绕组，并且它们可经过电耦合，以便产生不同波形(例如正弦)的反emf信号。

图2(a)的上部示出BLDC马达5中安装的三个霍耳效应传感器的输出。与定子绕组的每个相邻地安装一个传感器。如上所述的机械旋转的每个30°对应于电周期的60°，霍耳效应传感器霍耳A、霍耳B和霍耳C之一的输出从高到低改变或者反之。机械旋转的每个180°，霍耳效应传感器的输出重复进行。当霍耳效应传感器输出在机械旋转的每个30°发生变化时，BLDC马达5能够通过识别换向期间使用的六个不同电序列（1至6）来换向，如图2(a)所示。当马达换向时经过定子绕组的电流在图2(a)的“相电流”图表中示出。

当使用来自霍耳效应传感器霍耳A、霍耳B和霍耳C的读数作为反馈来使DC马达换向时，马达控制电路300基于霍耳效应传感器的读数来检测马达的电序列，并且通过依次跨马达的不同定子绕组A、B或C施加电池电压来管理马达(使其换向)，这取决于是期望顺时针还是逆时针旋转。

为了确定转子的角旋转以便驱动导阀8，马达控制电路300配置成不使用来自霍耳效应传感器霍耳A、霍耳B或霍耳C的任一个的转子位置指示来进行这种确定。按照一个实施例，马达控制电路300而是使用后面的附图示意所示的方法之一来确定转子的当前角旋转θ。

如图2(a)所示，标记为“A+/B-”的图表上的反emf电压能够通过跨绕组A对它进行测量来确定；标记为“B+/C-”的图表上的反emf电压能够通过跨绕组B对它进行测量来确定；以及标记为“C+/A-”的曲线上的反emf电压能够通过跨绕组C对它进行测量来确定。

备选地，反emf电压可使用例如本说明书中图6所示并且本说明书进一步描述的方法从提供给单独定子绕组A、B和/或C的电流的电流值来计算。但是，这一段和上一段中所述的方法要求换向信息，以便进行测量。

按照一示范实施例，存在一种不要求换向信息的方法，并且在这种方法中，提供给马达的总电流(I)被测量，并且然后与绕组的平均电阻(R)相乘。从提供给马达的总测量电压中减去这个乘积。然后，将结果与常数k相乘，并且转子角旋转可通过对这个结果进行时间积分来确定。

如图2(a)中的“反EMI”信号的图表所示，霍耳效应传感器输出转变的每个对应于反emf信号之一的相转变。这种相转变又称作“零交叉”。在下面所述并且如图10所示的一实施例中，通过确定和计数这些反emf电压相转变，马达控制电路300能够确定马达5的旋转数量(或者更具体来说是旋转的分数)，而无需依靠来自霍耳效应传感器的读数。

如上所述，示范BLDC马达5（其特性如图2(a)所示）在其转子上具有两对极性。在备选实施例中，能够使用在其转子上具有更多或更少对极性的BLDC马达，并且图2(a)所示的图表将相应地变化。例如，图2(b)的图表示出在其转子上具有单一对极性的示范BLDC马达的特性。如同图2(a)中那样，霍耳效应传感器的输出与跨定子绕组A、B和C所测量的反emf信号形成对照。与图2(a)的马达相对照，60°的机械旋转对应于60°的电周期。另外，在图2(b)的马达中，反emf信号中的相转变/零交叉从来自霍耳效应传感器的信号的对应边沿偏移30°。马达控制电路300能够配置成补偿这种30°偏移并且补偿可存在于备选实施例的BLDC马达中的任何类似偏移，使得反emf信号仍然能够用于有效并且适当地确定转子角旋转。在其它备选实施例(未示出)中，能够使用具有任何适当数量的定子或转子极性的BLDC马达。

现在参照图3，示出用于使马达5换向的马达控制电路300的简图，其中具有定位在马达5的转子5b的周边的霍耳效应传感器霍耳A、霍耳B和霍耳C。霍耳效应传感器可放置在位于转子5b周围的定子5c上。马达控制电路300包括微控制器302，微控制器302在所示实施例中是Microchip Technology Inc.(Chandler，Arizona，USA)制造的Microchip^TM PIC18F2431微控制器。在备选实施例(未示出)中，能够使用诸如处理器、微控制器、可编程逻辑控制器、现场可编程门阵列之类的任何适当的控制器，或者微控制器302的功能性可使用例如专用集成电路来实现。微控制器302包括存储关于如何使马达换向的指令的计算机可读介质322，例如闪速存储器。微控制器302通过对使用例如场效应晶体管(FET)驱动器304所放大的输出PWM [0…5]使用例如脉宽调制来控制BLDC马达5的换向。顺时针马达旋转的活动PWM [0…5]输出与逆时针马达旋转不同，这是本领域的技术人员知道的。

IGBT驱动器304向一系列开关门Q0…Q5输出经放大的PWM [0…5]输出，一系列开关门Q0…Q5在由IGBT驱动器304经由馈通导线24按照图4所示序列来起动时，根据情况允许绕组A、B或C其中之一被激励，而另一个将被去激励。从图3看到，电池350提供例如24 V DC电力供操作微处理器302和IGBT驱动器304以及使马达5换向中使用。可实现马达控制电路300的其它配置。

接下来参照图5来论述用于使用霍耳传感器霍耳A、霍耳B和霍耳C按照逆时针或顺时针旋转来使BLDC马达5换向的方法。在步骤500开始，初始化顺时针和逆时针换向阵列。在步骤501，在使马达换向之前执行检查。在步骤502、503和504中，把来自霍耳传感器的每个的相应感测值读入变量“hval”，这允许进行关于转子位置在序列1-6中的位置的确定。如果期望马达换向是顺时针的(步骤505 – 由微处理器302所确定)，则读入“hval”的值用作指针(步骤507)，以便确定转子在激励位置1-6的顺时针序列中的位置，使得顺时针换向序列可在期望激励序列1-6（参阅图4）开始（步骤508）。备选地，如果期望马达换向是逆时针的，则读入“hval”的值用作指针(步骤506)，以便确定转子在激励位置1-6的逆时针序列中的位置，使得逆时针换向序列可在期望激励序列1-6(参阅图4)开始(步骤509)。

现在来看用于确定马达的转子的角位置的方法和阀的对应线性位置，各种方式可用于确定定子绕组A、B和C的反emf信号，并且计数在马达旋转的时期中发生的相转变数量。这些方式包括但不限于：(i) 将馈通导线24的每个的电压与用于驱动BLDC马达5的DC电压的一半(在所示实施例中为12.5 V)进行比较；(ii) 将馈通导线24的每个的电压与虚拟地信号进行比较；或者(iii) 只对馈通导线24的每个的电压进行取样，并且将该值直接输入微控制器302供数字化和使用。在前两种方式中，比较结果是方波，其中该波在反emf电压大于零时为高而在反emf电压小于零时为低。因此，微控制器302能够依靠边沿检测来确定反emf信号的相转变发生的位置。在第三种方式中，整个梯形反emf信号的数字化形式可输入到微控制器302。为了确定相转变发生的时间，微控制器302将数字化反emf信号与参考零点进行比较。如上所述，在备选实施例(未示出)中，微控制器302可考虑比零交叉更多或者与零交叉不同的信息。例如，作为补充或替代，微控制器中302可利用反emf的整个波形来确定其变化率、最大和最小值和整体形状中的任何一个或多个，以便确定这类相转变发生的数量和时间。

确定不是供使马达5换向中使用而是用于确定马达5的当前角旋转θ的反emf电压的另一种方式可通过从感测电流值计算这类值并且了解定子绕组的每个的电阻来实现。如本说明书进一步论述，这类方法涉及感测分别提供给定子绕组A、B和C的电流值IA、IB和IC之一，并且然后在微处理器302(或者另一个微处理器，未示出)中通过应用欧姆定律来计算反emf：

反emf = V_跨电池- (I_{绕组 a ,b, 或 c}·R_{绕组 a ,b, 或 c})·k，

其中：V是提供给马达的跨电池的电压；

I是提供给定子绕组A、B或C的电流；

R是定子绕组A、B或C的电阻；以及

k是比例常数，在与(V – I·R)的乘积相乘时产生马达的反emf电压。

上式基于如下原理：对于DC马达，反emf与由某个已知常数k相关的马达速度成比例。这种常数可通过测量马达以已知电源电压空载运行时的转子速度来确定。绕组电阻可在马达停止时测量。反emf通过测量电源电压并且减去电流乘以绕组电阻的乘积是可测量的。转子的旋转则等于速度的时间积分。电流项确保正确地监测会更慢转动的重负荷马达。对该算法的增强是对已知电阻校正随温度线性提高的温度效应。

按照图6所示的一实施例，现在论述用于确定马达5的角旋转“d”的方法。马达电路300控制马达5，并且具体来说是控制如何避免过驱动泥浆脉冲器10的导阀8超过全开或全闭位置，并且由此浪费电池350的有限电力。

在步骤600开始，对于增量时间段Δt的当前马达旋转θ的值以及在导阀8处于全开或全闭位置时的给定时间段上的马达旋转的总值“d”最初设置为零。此后，在步骤601，马达驱动电路300用于在导阀8闭合时以顺时针方式或者在导阀8从开启位置移动到闭合位置时以逆时针方式使马达5换向。此后，在步骤603，通过确定是否存在霍耳效应传感器所感测的值的任何变化，来进行关于是否存在任何马达驱动故障的确定。如果不存在变化(马达不能移动)，则指示马达故障，并且该序列停止(步骤617)。否则，在步骤605，微处理器从电池350获取(读取)电压V，并且根据情况读取定子绕组的电流IA、IB或IC。

此后，在步骤607，使用马达速度通过预定比例常数“k”与反emf相关的关系，由微处理器通过应用下式来确定马达5的转子的速度“S”：

速度 = (V – I·R)·k。

步骤609确定速度是否为负(如果是的话，则直接转到步骤613)。如果不是的话，则在步骤611，通过数值积分近似方法，即，将所计算速度与增量小时间段Δt的值相乘，并且将所得值θ与总角旋转“d”相加，来确定当前角旋转θ。此后，在步骤613，进行关于总角马达旋转“d”是否超过预定极限、即将导阀8从全开位置驱动到全闭位置或者反之的所需的马达旋转的数量的确定，以及如果是的话，则停止进一步旋转(步骤617)。

在另一个实施例中，在返回到步骤601并且在没有达到预定极限时开始进一步马达旋转之前，在步骤615，进行第一检查以确定马达是否吸取超过预定量的电流。如果是的话，则停止该方向的进一步马达旋转。图6示出电极极限的4 A的示范值。但是，可使用其它值，取决于马达和其它条件。

图7示出确定泥浆脉冲器10的马达5的总角旋转“d”并且使用这种所确定值来控制泥浆脉冲器的操作、具体来说是导阀8的行程范围的备选方法。

在图7所示的方法中，初始连续步骤700、701和703对应于图6的初始步骤600、601和603，并且因而将不作赘述。

如图7的步骤704所示，马达控制电路300可按照上述方式的任一种持续感测(而不是计算)马达的反emf。在一个实施例中，马达控制电路300从三个定子绕组中在给定取样时间没有被激励的一个定子绕组来感测反emf电压。此后，如步骤705所示，马达控制电路300配置成将所测量的emf值与常数k相乘，以便产生马达的速度，并且此后在所感测反emf的相转变之间在时间上对速度连续积分，以便产生当前角旋转θ。将这种所确定量θ与任何先前积分相加，由此计算转子的角旋转“d”的总量。此后，图7的步骤713、714和715与图6的步骤613、615和617相同。

图8示出确定泥浆脉冲器10的马达5的总角旋转“d”并且使用这种所确定值来控制泥浆脉冲器的操作、具体来说是控制导阀8的行程范围的又一种备选方法。

在图8的方法中，初始连续步骤800、801和803再次对应于图6的初始步骤600、601和603，并且将不作赘述。

在步骤805，监测提供给马达5的总电压V，如提供给马达的总电流I那样。在步骤807，使用这类值，马达控制电路300经由微处理器部件302或其它微处理器、通过将下式应用于V、I的所监测值并且使用已知平均定子绕组电阻R和已知比例常数k来计算(例如连续地)速度：

速度 = (V – I·R) ·k。

在一备选实施例中，可插入步骤809以检查所产生速度不是负值。如果速度为负，则该过程进行到步骤813。

此后，在步骤811，假定没有得到负速度值，则可在时间上对速度的所产生值求积分，以便产生在这种时间间隔期间的转子的总角旋转“d”的值。其余步骤813和815与图7的步骤713和715相似，并且因而在本说明书中不作描述。

对值持续积分或不积分的微处理器是本领域的技术人员众所周知的。例如，至少在模拟电路中如图7的步骤705以及在图8的步骤811所计算的那样对速度的所得值持续积分的一种方式是采用运算放大器。

图9示出运算放大器555，它可在用于对k·[V - (I·R)]的数值乘积进行积分的模拟方法中使用，如同图7的步骤705所示的方法中以及图8的步骤811所示的方法中那样。

通过数字部件或其它数值积分部件对所感测/计算值(在本例中是给定时间段期间的速度的值)持续积分的其它手段和方法现在是本领域的技术人员显而易见的。

现在参照图10，示出用于操作泥浆脉冲器10的另一种方法。这种方法可存储在微控制器302或其它微处理器(未示出)的计算机可读介质322中或者在任何其它适当计算机可读介质上，包括诸如CD-ROM和DVD之类的基于光盘的介质、诸如硬盘驱动器和其它形式的磁盘存储之类的磁介质、诸如闪速介质、随机存取存储器和只读存储器之类的基于半导体的介质。

按照图10所示的方法，微控制器开始于步骤1000，并且进入步骤1001，以便通过按照上述方式对定子绕组A、B和C进行激励和去激励来使BLDC马达5换向。换向使马达的转子沿顺时针或逆时针方向旋转，通常(但不一定)从导阀8处于全开位置的位置旋转，在这种情况下，马达旋转是顺时针的，以便使导阀8朝闭合位置移动，或者如果处于全闭位置，则转子逆时针旋转，以便使导阀8朝全开位置移动。步骤1001和1003与图7所示方法的步骤701和703相似，并且因而这些步骤在本文中不作论述。

一旦BLDC马达5正在操作并且正产生反emf信号，马达控制电路300能够在步骤1006测量反emf信号，并且在步骤1008识别和保持反emf信号中发生的相转变的计数。一旦对于马达已经旋转的给定时间段期间计数相转变，则能够在步骤1010确定马达5的总角旋转“d”。由于马达轴的角旋转与导阀8的线性移动之间的关系(由旋转至线性转换器5a创建)，能够确定对于马达的给定角旋转的导阀8的移动范围，并且由此能够确定马达的角旋转的极限，以便避免在全开或全闭位置的导阀8的不必要的过驱动。

因此，图10的判定步骤1013使马达控制电路300在驱动马达5之后确定马达的角旋转的极限是否达到预定义极限。如果是的话，则在步骤1015停止驱动马达。如果不是的话，则在一可选实施例中，进行关于马达电流是否大于预定义极限的进一步查询(以便防止过驱动马达)(步骤1014)。如果是的话，则停止马达的驱动(步骤1015)。如果不是的话，马达的驱动返回到步骤1001继续进行。

如上所述，马达控制电路300中包含的微控制器能够使BLDC马达5沿顺时针或逆时针方向旋转。在本实施例中，马达5的这种运动可用于传送“0”和“1”信号，随后进行论述。在这种二进制信令方案中，能够通过完全开启导阀8，例如通过逆时针旋转BLDC马达5以使导阀8从阀座/孔9回收以使得导阀8没有阻碍通过阀孔9的泥浆流，来发送高压或“1”信号。类似地，能够通过闭合导阀8，例如通过顺时针旋转BLDC马达5以使导阀8的端头堵塞阀座/孔9，这阻止泥浆流经阀孔9，来发送低压或“0”信号。

通过井下部署之前的校准，微控制器302能够被编程成具有用于将导阀8从全闭位置(即，在使导阀8尽可能深地插入阀座9时)转变成全开位置(即，当导阀8尽可能深地从阀座9回收时)的马达旋转的总数(包括其分数部分或增量)。通过确定相转变数量并且因而确定BLDC马达5相对于全开或全闭位置已经经过的当前角旋转θ，微控制器302能够确定导阀8的端头在全开与全闭位置之间的位置。因此，微控制器302能够改变通过导阀8的泥浆的流率。这样，微控制器302能够控制泥浆脉冲器10传送的压力脉冲的高度，并且发送使用非二进制调制方案、例如正交幅度调制所编码的消息。

现在参照图11来描述用于控制电动马达的方法。该方法包括：步骤1100，基于来自附连到电动马达的定子的一个或多个传感器的信号使电动马达换向；以及步骤1102，采用电连接到电动马达的马达控制电路、基于定子的一个或多个绕组的反emf电压并且与来自一个或多个传感器的信号无关地确定电动马达的转子的总角旋转。

上述示范实施例的一个或多个提供电动马达以及用于基于传感器测量使马达换向并且用于基于无传感器方式来确定旋转位置的对应控制器。应当理解，本描述并不是要限制本发明。相反，示范实施例预计涵盖包含在所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围之内的备选、修改和等效方案。此外，在示范实施例的详细描述中，提出大量具体细节，以便提供对要求保护的本发明的综合理解。但是，本领域的技术人员会理解，即使没有这类具体细节也可实现各个实施例。

虽然在采用具体组合的实施例中描述当前示范实施例的特征和元件，但是各特征或元件能够单独使用而无需实施例的其它特征和元件，或者在具有或没有本说明书所公开的其它特征和元件的各种组合中使用。

本书面描述使用所公开主题的示例以使本领域的任何技术人员能够对其进行实施，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本主题的专利范围由权利要求书来限定，并且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。这类其它示例预计落入权利要求书的范围之内。

Claims

1. 一种将传感器用于换向并且使用反emf电压来确定角位置的电动马达组装件，所述电动马达组装件包括：

具有转子和包括一个或多个绕组的定子的电动马达；

所述定子上的一个或多个传感器，配置成确定所述转子的角位置；以及

马达控制电路，电连接到所述电动马达和所述一个或多个传感器，并且配置成基于从所述一个或多个传感器所接收的信号来控制所述电动马达的换向，

其中所述马达控制电路配置成基于所述一个或多个绕组的反emf电压并且与来自所述一个或多个传感器的信号无关地确定所述转子的总角旋转。

2. 如权利要求1所述的电动马达组装件，其中，所述一个或多个传感器是霍耳传感器。

3. 如权利要求1所述的电动马达组装件，其中，所述马达控制电路配置成从提供给所述电动马达的总电流、提供给所述电动马达的总电压和所述一个或多个绕组的平均电阻的值来计算所述反emf电压。

4. 如权利要求3所述的电动马达组装件，其中，所述马达控制电路还配置成使用所述反emf电压、通过在一时间段上对所述反emf电压和常数k的乘积进行积分以产生所述转子在所述时间段上的总角旋转的值，来计算所述转子的总角旋转。

5. 如权利要求1所述的电动马达组装件，还包括：

阀构件，附连到所述电动马达的转子，

其中所述马达控制电路配置成存储与引起所述阀构件从第一全开位置移动到第二全闭位置或者反之的所述电动马达的角旋转的量对应的预定义角旋转极限。

6. 如权利要求5所述的电动马达组装件，其中，所述马达控制电路还配置成在所述总角旋转达到所述预定义角旋转极限时停止所述电动马达以避免进一步使所述转子旋转。

7. 如权利要求1所述的电动马达组装件，其中，所述反emf电压是基于公式：反emf = (V - I·R)·k所确定的计算值，其中V是提供给所述马达的电压，I是提供给所述绕组的电流，R是所述一个或多个绕组的电阻，以及k是比例常数。

8. 如权利要求1所述的电动马达组装件，其中，所述电动马达是无刷直流马达。

9. 一种泥浆脉冲器，配置成通过在井内流动的液柱中产生的压力波将数据从所述井的内部传送到所述井的表面，所述泥浆脉冲器包括：

壳体，配置成由所述井的壁来支承；

电动马达，位于所述壳体的马达座穴中并且具有转子和包括一个或多个绕组的定子；

所述定子上的一个或多个传感器，配置成确定所述转子的角位置；

导阀，连接到所述电动马达，并且配置成在导阀室中移动以用于闭合和开启阀孔以产生通过所述液柱传播到所述表面的压力信号；以及

10. 如权利要求9所述的泥浆脉冲器，还包括：

旋转至线性转换器，机械耦合在所述电动马达与所述导阀之间，以便在所述转子旋转时实现所述导阀的线性往复运动，

其中所述一个或多个传感器是霍耳传感器。

11. 如权利要求9所述的泥浆脉冲器，其中，所述马达控制电路配置成从提供给所述电动马达的总电流、提供给所述电动马达的总电压和所述一个或多个绕组的平均电阻的值来计算所述反emf电压。

12. 如权利要求11所述的泥浆脉冲器，其中，所述马达控制电路还配置成使用所述反emf电压、通过在一时间段上对所述反emf电压和已知常数k的乘积进行积分以产生所述转子在所述时间段上的总角旋转的值，来计算所述转子的总角旋转。

13. 如权利要求9所述的泥浆脉冲器，其中，所述马达控制电路配置成存储与引起所述导阀从第一全开位置移动到第二全闭位置或者反之的所述电动马达的角旋转的量对应的预定义角旋转极限。

14. 如权利要求13所述的泥浆脉冲器，其中，所述马达控制电路还配置成在所述总角旋转达到所述预定义角旋转极限时停止所述电动马达以避免进一步使所述转子旋转。

15. 如权利要求9所述的泥浆脉冲器，其中，所述反emf电压是基于公式：反emf = (V - I·R)·k所确定的计算值，其中V是提供给所述电动马达的电压，I是提供给所述一个或多个绕组的电流，R是所述一个或多个绕组的电阻，以及k是比例常数。

16. 如权利要求9所述的泥浆脉冲器，其中，所述电动马达是无刷直流马达。

17. 如权利要求9所述的泥浆脉冲器，其中，所述马达控制电路配置成基于所述反emf电压而不基于来自所述一个或多个传感器的信号来定位所述导阀。

18. 如权利要求9所述的泥浆脉冲器，其中，所述马达控制电路还配置成通过计数相对于所述全闭位置或所述全开位置的相转变的数量来跟踪所述导阀的位置，并且将相转变的数量转换成所述电动马达的总角旋转。

19. 一种用于控制电动马达的方法，所述方法包括：

基于来自附连到所述电动马达的定子的一个或多个传感器的信号来使所述电动马达换向；以及

采用电连接到所述电动马达的马达控制电路、基于所述定子的一个或多个绕组的反emf电压而与来自所述一个或多个传感器的信号无关地确定所述电动马达的转子的总角旋转。

20. 如权利要求19所述的方法，其还包括：

从电流、电压和所述一个或多个绕组的电阻的值来计算所述反emf电压。

21. 如权利要求20所述的方法，其还包括：

使用所述反emf电压、通过在一时间段上对所述反emf电压和已知常数k的乘积求积分以产生指定所述转子在所述时间段上的总角旋转量的值，来计算所述转子的总角旋转。

22. 如权利要求19所述的方法，其还包括：

测量所述电动马达的换向期间在给定时间没有被激励的所述一个或多个绕组的反emf电压。