CN111502646A - 一种基于电机变频控制的旋转导向指令下传系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电机变频控制的旋转导向指令下传系统，属于石油钻井技术领域，包括电机、泥浆泵、旋转导向机构和MWD系统，其特征在于：还包括UPS、输入触摸屏、电机控制器箱体、电机变频控制箱、涡轮发电机、电压采集判断器和井下微处理器，输入触摸屏与电机控制器箱体电连接，电机控制器箱体与电机变频控制箱电连接，泥浆泵与涡轮发电机连接，涡轮发电机与电压采集判断器电连接，井下微处理器与旋转导向机构电连接，MWD系统分别与井下微处理器和电压采集判断器电连接。本发明结合井下涡轮电机采集电压判断和井下微处理器编码处理实现下传指令验证，极大的减小了误码率，具有下传速度快、精度高和操作简便的特点。

Description

一种基于电机变频控制的旋转导向指令下传系统
技术领域
本发明涉及到石油钻井技术领域，尤其涉及一种基于电机变频控制的旋转导向指令下传系统。
背景技术
旋转导向系统是在钻柱旋转钻进时，随钻实时完成导向功能的一种导向式钻井系统。旋转导向钻进时具有摩阻与扭阻小、钻速高、成本低、建井周期短、井眼轨迹平滑、易调控及可延长水平段长度的特点，被认为是现代导向钻井技术的发展方向。旋转导向系统工作模式通过编码记录在工具内部，当工程师需要改变工作模式，通过改变顶驱转速或者排量来实现编码下传给工具识别，工具在识别到编码以后切换工作模式，以脉冲信号传出至地面，这样的双向通讯方式。
目前下传指令的方式主要有以下两种方法：一是以改变顶驱转速为基础的方法，通过将“1”“0”编码对应为顶驱转速高低。当需要下传指令时，司钻将钻头提离井底并保持顶驱高转速一定时间，然后按照编码对应高低转速快速调整顶驱转速，每个转速保持一定时间，反复以往完成一系列编码。这种方法优点是能够保持井下排量不变，转速变化实现快。二是以改变泥浆排量为基础的方法，通过将“1”“0”泥浆脉冲编码对应为泥浆泵“开”和“关”，或将“1”“0”泥浆脉冲编码对应为泥浆泵高低排量。当需要下传指令时，通过结合泥浆泵“开”“关”状态及时间进行编码，形成特定的编码以便进行地面指令的下传，或通过手动调节泥浆泵排量，结合泵的排量及时间，形成特定的编码以便进行地面指令的下传。该方法是当前旋转导向钻井系统普遍应用的指令下传方法，但通过“开”“关”泵和手动调整泥浆排量发送下传指令速度慢、精度低、操作繁琐且误码率高，影响指令下传速度和导向精度，同时频繁开关泵也大幅降低了泥浆泵的寿命，增加作业成本。
公开号为CN 106703793A，公开日为2017年05月24日的中国专利文献公开了一种旋转导向地面控制指令下传执行装置，其特征在于：所述旋转导向地面控制指令下传执行装置通过气动控制系统，搭建指令下传控制系统，配备手动位置调节气缸，实现泄流泥浆排量调整。
该专利文献公开的旋转导向地面控制指令下传执行装置，虽然能够在地面控制指令自动下传执行，不影响正常钻进；传分流泥浆排量可手动调节，适应现场排量需要。但是，仍然存在下传速度慢、精度低、操作繁琐及误码率高的问题。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于电机变频控制的旋转导向指令下传系统，本发明接入变频控制箱进行电机转速控制，进而改变泥浆泵特定时间的泵冲，形成不同时间下的对应泥浆泵排量，井下涡轮改变转速形成各排量下的电压，结合井下涡轮电机采集电压判断和井下微处理器编码处理实现下传指令验证，极大的减小了误码率，具有下传速度快、精度高和操作简便的特点。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于电机变频控制的旋转导向指令下传系统，包括电机、泥浆泵、旋转导向机构和MWD系统，电机与泥浆泵连接，其特征在于：还包括UPS、输入触摸屏、电机控制器箱体、电机变频控制箱、涡轮发电机、电压采集判断器和井下微处理器，所述电机控制器箱体与UPS电连接，所述输入触摸屏与电机控制器箱体电连接，所述电机控制器箱体与电机变频控制箱电连接，所述电机变频控制箱与电机电连接，所述泥浆泵与涡轮发电机连接，所述涡轮发电机与电压采集判断器电连接，所述电压采集判断器与井下微处理器电连接，所述井下微处理器与旋转导向机构电连接，所述MWD系统分别与井下微处理器和电压采集判断器电连接，MWD系统用于执行无效指令重发请求，下传指令传输至旋转导向机构。
所述井下微处理器，用于处理电压信号并判断乱码无效下传指令和空码无效下传指令。
所述电机控制器箱体，用于接收输入触摸屏的输入参数，进行输入数据处理并输出电机变频控制指令。
所述电机变频控制箱，用于接收电机变频控制指令，进行指令变换和控制信号放大，将放大后的控制信号传输至电机。
所述电机，用于接收变频信号进行转速控制，通过电机转速调整泥浆泵的泵冲，形成对应排量。
所述涡轮发电机，用于在泥浆作用下形成涡轮电压，并将涡轮电压传输至电压采集判断器。
所述电压采集判断器，用于电压采集和无效电压判断，并将采集的有效电压信号传输至井下微处理器处理。
所述电机控制器箱体包括控制电路主板、电连接在控制电路主板上的中央处理模块、供电模块、数据采集模块和指令发送模块，电机控制器箱体上设置有电源端口、数据输入端口和指令输出端口，供电模块和数据采集模块均与中央处理模块电连接，中央处理模块与指令发送模块电连接，数据采集模块与数据输入端口连接，用于输入数据采集并为中央处理模块提供数据，中央处理模块进行输入数据处理并通过指令输出端口输出电机变频控制指令。
所述中央处理模块，用于将数据采集模块的模拟电信号转换为中央处理模块能识别的二进制编码，并进行运算。
所述电机变频控制箱包括指令变换电路、驱动电路和变频器，指令变换电路，用于按照下传位延迟时间及泥浆泵排量变化量设置参数，将需要的数据转换为电机转速的控制信号后输出给驱动电路，驱动电路对控制信号放大，将放大后的控制信号传输至电机。
所述电机控制器箱体通过电源端口与UPS电连接，通过数据输入端口接收输入触摸屏的输入参数，通过控制电路主板进行输入数据处理并通过指令输出端口输出电机变频控制指令。
所述电机变频控制箱的一端与电机控制器箱体的指令输出端口连接，电机变频控制箱的另一端与电机连接。
本发明所述UPS是指不间断电源。
本发明所述MWD系统是指随钻测量系统，是一项在钻井过程中进行井下测量及实现无线传输，利用钻柱中的泥浆脉冲将测量信息数据传输到地面的系统。
本发明的有益效果主要表现在以下方面：
1、本发明，“电机控制器箱体与UPS电连接，输入触摸屏与电机控制器箱体电连接，电机控制器箱体与电机变频控制箱电连接，电机变频控制箱与电机电连接，泥浆泵与涡轮发电机连接，涡轮发电机与电压采集判断器电连接，电压采集判断器与井下微处理器电连接，井下微处理器与旋转导向机构电连接，MWD系统分别与井下微处理器和电压采集判断器电连接，MWD系统用于执行无效指令重发请求，下传指令传输至旋转导向机构”，引入UPS和输入触摸屏，配备电机控制器箱体，接入电机变频控制箱进行电机转速控制，进而改变泥浆泵特定时间的泵冲，形成不同时间下的对应泥浆泵排量，涡轮发电机在泥浆作用下涡轮改变转速形成各排量下的涡轮电压，进一步结合采集电压判断和井下微处理器编码处理实现下传指令验证，并借助MWD系统完成无效指令重发请求，进而实现旋转导向指令有效下传及验证，较现有技术而言，极大的减小了误码率，具有下传速度快、精度高和操作简便的特点。
2、本发明，基于输入二进制下传编码、排量保持时间、编码排量这些参数，采用电机控制器箱体进行输入数据采集和数据高效处理，实现电机变频控制信号输出，进一步利用电机变频控制箱快速、精准控制电机转速，从而实现对泥浆泵泵冲的高效、精准控制，有效解决了传统旋转导向指令下传速度慢和精度低的问题。
3、本发明，输入下传指令编码启动开始下传功能后，无需手工“开”、“关”泥浆泵或人工调整泥浆泵泵冲进行指令编码，解决传统手动调节泥浆泵进行指令下传存在的操作繁琐和误码率的问题，同时也增加了泥浆泵的使用寿命。
附图说明
下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的具体说明，其中：
图1为本发明下传系统的结构框图。
具体实施方式
实施例1
参见图1，一种基于电机变频控制的旋转导向指令下传系统，包括电机、泥浆泵、旋转导向机构和MWD系统，电机与泥浆泵连接，还包括UPS、输入触摸屏、电机控制器箱体、电机变频控制箱、涡轮发电机、电压采集判断器和井下微处理器，所述电机控制器箱体与UPS电连接，所述输入触摸屏与电机控制器箱体电连接，所述电机控制器箱体与电机变频控制箱电连接，所述电机变频控制箱与电机电连接，所述泥浆泵与涡轮发电机连接，所述涡轮发电机与电压采集判断器电连接，所述电压采集判断器与井下微处理器电连接，所述井下微处理器与旋转导向机构电连接，所述MWD系统分别与井下微处理器和电压采集判断器电连接，MWD系统用于执行无效指令重发请求，下传指令传输至旋转导向机构。
“电机控制器箱体与UPS电连接，输入触摸屏与电机控制器箱体电连接，电机控制器箱体与电机变频控制箱电连接，电机变频控制箱与电机电连接，泥浆泵与涡轮发电机连接，涡轮发电机与电压采集判断器电连接，电压采集判断器与井下微处理器电连接，井下微处理器与旋转导向机构电连接，MWD系统分别与井下微处理器和电压采集判断器电连接，MWD系统用于执行无效指令重发请求，下传指令传输至旋转导向机构”，引入UPS和输入触摸屏，配备电机控制器箱体，接入电机变频控制箱进行电机转速控制，进而改变泥浆泵特定时间的泵冲，形成不同时间下的对应泥浆泵排量，涡轮发电机在泥浆作用下涡轮改变转速形成各排量下的涡轮电压，进一步结合采集电压判断和井下微处理器编码处理实现下传指令验证，并借助MWD系统完成无效指令重发请求，进而实现旋转导向指令有效下传及验证，较现有技术而言，极大的减小了误码率，具有下传速度快、精度高和操作简便的特点。
实施例2
参见图1，一种基于电机变频控制的旋转导向指令下传系统，包括电机、泥浆泵、旋转导向机构和MWD系统，电机与泥浆泵连接，还包括UPS、输入触摸屏、电机控制器箱体、电机变频控制箱、涡轮发电机、电压采集判断器和井下微处理器，所述电机控制器箱体与UPS电连接，所述输入触摸屏与电机控制器箱体电连接，所述电机控制器箱体与电机变频控制箱电连接，所述电机变频控制箱与电机电连接，所述泥浆泵与涡轮发电机连接，所述涡轮发电机与电压采集判断器电连接，所述电压采集判断器与井下微处理器电连接，所述井下微处理器与旋转导向机构电连接，所述MWD系统分别与井下微处理器和电压采集判断器电连接，MWD系统用于执行无效指令重发请求，下传指令传输至旋转导向机构。
所述井下微处理器，用于处理电压信号并判断乱码无效下传指令和空码无效下传指令。
所述电机控制器箱体，用于接收输入触摸屏的输入参数，进行输入数据处理并输出电机变频控制指令。
所述电机变频控制箱，用于接收电机变频控制指令，进行指令变换和控制信号放大，将放大后的控制信号传输至电机。
实施例3
参见图1，一种基于电机变频控制的旋转导向指令下传系统，包括电机、泥浆泵、旋转导向机构和MWD系统，电机与泥浆泵连接，还包括UPS、输入触摸屏、电机控制器箱体、电机变频控制箱、涡轮发电机、电压采集判断器和井下微处理器，所述电机控制器箱体与UPS电连接，所述输入触摸屏与电机控制器箱体电连接，所述电机控制器箱体与电机变频控制箱电连接，所述电机变频控制箱与电机电连接，所述泥浆泵与涡轮发电机连接，所述涡轮发电机与电压采集判断器电连接，所述电压采集判断器与井下微处理器电连接，所述井下微处理器与旋转导向机构电连接，所述MWD系统分别与井下微处理器和电压采集判断器电连接，MWD系统用于执行无效指令重发请求，下传指令传输至旋转导向机构。
所述井下微处理器，用于处理电压信号并判断乱码无效下传指令和空码无效下传指令。
所述电机控制器箱体，用于接收输入触摸屏的输入参数，进行输入数据处理并输出电机变频控制指令。
所述电机变频控制箱，用于接收电机变频控制指令，进行指令变换和控制信号放大，将放大后的控制信号传输至电机。
所述电机，用于接收变频信号进行转速控制，通过电机转速调整泥浆泵的泵冲，形成对应排量。
所述涡轮发电机，用于在泥浆作用下形成涡轮电压，并将涡轮电压传输至电压采集判断器。
所述电压采集判断器，用于电压采集和无效电压判断，并将采集的有效电压信号传输至井下微处理器处理。
实施例4
参见图1，一种基于电机变频控制的旋转导向指令下传系统，包括电机、泥浆泵、旋转导向机构和MWD系统，电机与泥浆泵连接，还包括UPS、输入触摸屏、电机控制器箱体、电机变频控制箱、涡轮发电机、电压采集判断器和井下微处理器，所述电机控制器箱体与UPS电连接，所述输入触摸屏与电机控制器箱体电连接，所述电机控制器箱体与电机变频控制箱电连接，所述电机变频控制箱与电机电连接，所述泥浆泵与涡轮发电机连接，所述涡轮发电机与电压采集判断器电连接，所述电压采集判断器与井下微处理器电连接，所述井下微处理器与旋转导向机构电连接，所述MWD系统分别与井下微处理器和电压采集判断器电连接，MWD系统用于执行无效指令重发请求，下传指令传输至旋转导向机构。
所述井下微处理器，用于处理电压信号并判断乱码无效下传指令和空码无效下传指令。
所述电机控制器箱体，用于接收输入触摸屏的输入参数，进行输入数据处理并输出电机变频控制指令。
所述电机变频控制箱，用于接收电机变频控制指令，进行指令变换和控制信号放大，将放大后的控制信号传输至电机。
所述电机，用于接收变频信号进行转速控制，通过电机转速调整泥浆泵的泵冲，形成对应排量。
所述涡轮发电机，用于在泥浆作用下形成涡轮电压，并将涡轮电压传输至电压采集判断器。
所述电压采集判断器，用于电压采集和无效电压判断，并将采集的有效电压信号传输至井下微处理器处理。
所述电机控制器箱体包括控制电路主板、电连接在控制电路主板上的中央处理模块、供电模块、数据采集模块和指令发送模块，电机控制器箱体上设置有电源端口、数据输入端口和指令输出端口，供电模块和数据采集模块均与中央处理模块电连接，中央处理模块与指令发送模块电连接，数据采集模块与数据输入端口连接，用于输入数据采集并为中央处理模块提供数据，中央处理模块进行输入数据处理并通过指令输出端口输出电机变频控制指令。
所述中央处理模块，用于将数据采集模块的模拟电信号转换为中央处理模块能识别的二进制编码，并进行运算。
基于输入二进制下传编码、排量保持时间、编码排量这些参数，采用电机控制器箱体进行输入数据采集和数据高效处理，实现电机变频控制信号输出，进一步利用电机变频控制箱快速、精准控制电机转速，从而实现对泥浆泵泵冲的高效、精准控制，有效解决了传统旋转导向指令下传速度慢和精度低的问题。
实施例5
参见图1，一种基于电机变频控制的旋转导向指令下传系统，包括电机、泥浆泵、旋转导向机构和MWD系统，电机与泥浆泵连接，还包括UPS、输入触摸屏、电机控制器箱体、电机变频控制箱、涡轮发电机、电压采集判断器和井下微处理器，所述电机控制器箱体与UPS电连接，所述输入触摸屏与电机控制器箱体电连接，所述电机控制器箱体与电机变频控制箱电连接，所述电机变频控制箱与电机电连接，所述泥浆泵与涡轮发电机连接，所述涡轮发电机与电压采集判断器电连接，所述电压采集判断器与井下微处理器电连接，所述井下微处理器与旋转导向机构电连接，所述MWD系统分别与井下微处理器和电压采集判断器电连接，MWD系统用于执行无效指令重发请求，下传指令传输至旋转导向机构。
所述井下微处理器，用于处理电压信号并判断乱码无效下传指令和空码无效下传指令。
所述电机控制器箱体，用于接收输入触摸屏的输入参数，进行输入数据处理并输出电机变频控制指令。
所述电机变频控制箱，用于接收电机变频控制指令，进行指令变换和控制信号放大，将放大后的控制信号传输至电机。
所述电机，用于接收变频信号进行转速控制，通过电机转速调整泥浆泵的泵冲，形成对应排量。
所述涡轮发电机，用于在泥浆作用下形成涡轮电压，并将涡轮电压传输至电压采集判断器。
所述电压采集判断器，用于电压采集和无效电压判断，并将采集的有效电压信号传输至井下微处理器处理。
所述电机控制器箱体包括控制电路主板、电连接在控制电路主板上的中央处理模块、供电模块、数据采集模块和指令发送模块，电机控制器箱体上设置有电源端口、数据输入端口和指令输出端口，供电模块和数据采集模块均与中央处理模块电连接，中央处理模块与指令发送模块电连接，数据采集模块与数据输入端口连接，用于输入数据采集并为中央处理模块提供数据，中央处理模块进行输入数据处理并通过指令输出端口输出电机变频控制指令。
所述中央处理模块，用于将数据采集模块的模拟电信号转换为中央处理模块能识别的二进制编码，并进行运算。
所述电机变频控制箱包括指令变换电路、驱动电路和变频器，指令变换电路，用于按照下传位延迟时间及泥浆泵排量变化量设置参数，将需要的数据转换为电机转速的控制信号后输出给驱动电路，驱动电路对控制信号放大，将放大后的控制信号传输至电机。
实施例6
参见图1，一种基于电机变频控制的旋转导向指令下传系统，包括电机、泥浆泵、旋转导向机构和MWD系统，电机与泥浆泵连接，还包括UPS、输入触摸屏、电机控制器箱体、电机变频控制箱、涡轮发电机、电压采集判断器和井下微处理器，所述电机控制器箱体与UPS电连接，所述输入触摸屏与电机控制器箱体电连接，所述电机控制器箱体与电机变频控制箱电连接，所述电机变频控制箱与电机电连接，所述泥浆泵与涡轮发电机连接，所述涡轮发电机与电压采集判断器电连接，所述电压采集判断器与井下微处理器电连接，所述井下微处理器与旋转导向机构电连接，所述MWD系统分别与井下微处理器和电压采集判断器电连接，MWD系统用于执行无效指令重发请求，下传指令传输至旋转导向机构。
所述井下微处理器，用于处理电压信号并判断乱码无效下传指令和空码无效下传指令。
所述电机控制器箱体，用于接收输入触摸屏的输入参数，进行输入数据处理并输出电机变频控制指令。
所述电机变频控制箱，用于接收电机变频控制指令，进行指令变换和控制信号放大，将放大后的控制信号传输至电机。
所述电机，用于接收变频信号进行转速控制，通过电机转速调整泥浆泵的泵冲，形成对应排量。
所述涡轮发电机，用于在泥浆作用下形成涡轮电压，并将涡轮电压传输至电压采集判断器。
所述电压采集判断器，用于电压采集和无效电压判断，并将采集的有效电压信号传输至井下微处理器处理。
所述电机控制器箱体包括控制电路主板、电连接在控制电路主板上的中央处理模块、供电模块、数据采集模块和指令发送模块，电机控制器箱体上设置有电源端口、数据输入端口和指令输出端口，供电模块和数据采集模块均与中央处理模块电连接，中央处理模块与指令发送模块电连接，数据采集模块与数据输入端口连接，用于输入数据采集并为中央处理模块提供数据，中央处理模块进行输入数据处理并通过指令输出端口输出电机变频控制指令。
所述中央处理模块，用于将数据采集模块的模拟电信号转换为中央处理模块能识别的二进制编码，并进行运算。
所述电机变频控制箱包括指令变换电路、驱动电路和变频器，指令变换电路，用于按照下传位延迟时间及泥浆泵排量变化量设置参数，将需要的数据转换为电机转速的控制信号后输出给驱动电路，驱动电路对控制信号放大，将放大后的控制信号传输至电机。
所述电机控制器箱体通过电源端口与UPS电连接，通过数据输入端口接收输入触摸屏的输入参数，通过控制电路主板进行输入数据处理并通过指令输出端口输出电机变频控制指令。
所述电机变频控制箱的一端与电机控制器箱体的指令输出端口连接，电机变频控制箱的另一端与电机连接。
输入下传指令编码启动开始下传功能后，无需手工“开”、“关”泥浆泵或人工调整泥浆泵泵冲进行指令编码，解决传统手动调节泥浆泵进行指令下传存在的操作繁琐和误码率的问题，同时也增加了泥浆泵的使用寿命。

Claims (10)

1.一种基于电机变频控制的旋转导向指令下传系统，包括电机、泥浆泵、旋转导向机构和MWD系统，电机与泥浆泵连接，其特征在于：还包括UPS、输入触摸屏、电机控制器箱体、电机变频控制箱、涡轮发电机、电压采集判断器和井下微处理器，所述电机控制器箱体与UPS电连接，所述输入触摸屏与电机控制器箱体电连接，所述电机控制器箱体与电机变频控制箱电连接，所述电机变频控制箱与电机电连接，所述泥浆泵与涡轮发电机连接，所述涡轮发电机与电压采集判断器电连接，所述电压采集判断器与井下微处理器电连接，所述井下微处理器与旋转导向机构电连接，所述MWD系统分别与井下微处理器和电压采集判断器电连接，MWD系统用于执行无效指令重发请求，下传指令传输至旋转导向机构。
2.根据权利要求1所述的一种基于电机变频控制的旋转导向指令下传系统，其特征在于：所述井下微处理器，用于处理电压信号并判断乱码无效下传指令和空码无效下传指令。
3.根据权利要求1所述的一种基于电机变频控制的旋转导向指令下传系统，其特征在于：所述电机控制器箱体，用于接收输入触摸屏的输入参数，进行输入数据处理并输出电机变频控制指令。
4.根据权利要求3所述的一种基于电机变频控制的旋转导向指令下传系统，其特征在于：所述电机变频控制箱，用于接收电机变频控制指令，进行指令变换和控制信号放大，将放大后的控制信号传输至电机。
5.根据权利要求4所述的一种基于电机变频控制的旋转导向指令下传系统，其特征在于：所述电机，用于接收变频信号进行转速控制，通过电机转速调整泥浆泵的泵冲，形成对应排量。
6.根据权利要求1所述的一种基于电机变频控制的旋转导向指令下传系统，其特征在于：所述涡轮发电机，用于在泥浆作用下形成涡轮电压，并将涡轮电压传输至电压采集判断器。
7.根据权利要求6所述的一种基于电机变频控制的旋转导向指令下传系统，其特征在于：所述电压采集判断器，用于电压采集和无效电压判断，并将采集的有效电压信号传输至井下微处理器处理。
8.根据权利要求7所述的一种基于电机变频控制的旋转导向指令下传系统，其特征在于：所述电机控制器箱体包括控制电路主板、电连接在控制电路主板上的中央处理模块、供电模块、数据采集模块和指令发送模块，电机控制器箱体上设置有电源端口、数据输入端口和指令输出端口，供电模块和数据采集模块均与中央处理模块电连接，中央处理模块与指令发送模块电连接，数据采集模块与数据输入端口连接，用于输入数据采集并为中央处理模块提供数据，中央处理模块进行输入数据处理并通过指令输出端口输出电机变频控制指令。
9.根据权利要求8所述的一种基于电机变频控制的旋转导向指令下传系统，其特征在于：所述中央处理模块，用于将数据采集模块的模拟电信号转换为中央处理模块能识别的二进制编码，并进行运算。
10.根据权利要求9所述的一种基于电机变频控制的旋转导向指令下传系统，其特征在于：所述电机变频控制箱包括指令变换电路、驱动电路和变频器，指令变换电路，用于按照下传位延迟时间及泥浆泵排量变化量设置参数，将需要的数据转换为电机转速的控制信号后输出给驱动电路，驱动电路对控制信号放大，将放大后的控制信号传输至电机。
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