國外鉆井技術(shù)研究新動態(tài)

1、國外鉆井技術(shù)研發(fā)新動向 鉆井的目的不止是構(gòu)建油氣通道，更重要的是發(fā)現(xiàn)更多的油氣資源和盡量提高油氣產(chǎn)量和采收率。鉆井工程面臨的問題始終是如何確?！皟?yōu)，快，省，HSE”。鉆井技術(shù)的研發(fā)一直是針對這些問題展開的。自上世紀(jì)80年代以來，鉆井技術(shù)發(fā)展很快，極大地推動了鉆井的實時化、信息化、數(shù)字化、可視化、集成化、自動化、智能化，使鉆井變得“更聰明”。從國外鉆井前沿技術(shù)和在研技術(shù)判斷，當(dāng)前鉆井技術(shù)的研發(fā)在這四個方面出現(xiàn)一些值得關(guān)注的新動向。一、優(yōu)“優(yōu)”指優(yōu)質(zhì)，也就是如何提高工程質(zhì)量，更好地保護(hù)油氣層，準(zhǔn)確地監(jiān)控井眼軌跡。1.提高井下數(shù)據(jù)傳輸速率，完善雙向通訊鉆井目標(biāo)復(fù)雜化對井眼軌跡的控制精度提出了越來越高

2、的要求。近些年，國外一直在探索新的數(shù)據(jù)傳輸方式，包括聲波、光纖和有纜鉆桿。目前，聲波信道和用于常規(guī)鉆桿的光纖信道尚在研究中。在有纜鉆桿領(lǐng)域，目前投入商業(yè)應(yīng)用的只有美國Intelliserv公司的“軟連接”有纜鉆桿，即所謂的智能鉆桿。智能鉆桿的主要特點是：(1)數(shù)據(jù)傳輸高速、大容量、實時：數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)5.76104 bit/s；(2)真正實現(xiàn)雙向通訊；(3)適用于包括欠平衡鉆井、氣體鉆井在內(nèi)的任何井況下的數(shù)據(jù)傳輸。智能鉆桿是鉆井井下信號傳輸技術(shù)的一個重大突破和重要里程碑，應(yīng)用前景樂觀。下一步是開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1105 bit/s的智能鉆桿。2.發(fā)展隨鉆前視功能，完善地質(zhì)導(dǎo)向地質(zhì)導(dǎo)向是MW

3、D和LWD技術(shù)的重大突破，但目前的地質(zhì)導(dǎo)向儀離鉆頭的距離在0.91m以上，不能探測鉆頭前方的地質(zhì)情況。為此，需要發(fā)展隨鉆地震等具有隨鉆前視功能的技術(shù)，更好地進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向和儲層導(dǎo)向。二、快“快”指高效，也就是如何提高鉆井效率?！翱臁笔怯凸?、鉆井承包商和技術(shù)服務(wù)公司一貫追求的重要目標(biāo)。近兩三年，鉆井日費暴漲，提高鉆速尤為重要，對深井鉆井和深水鉆井來說更是如此。1.探索新的破巖方式，以期在破巖技術(shù)上取得突破近幾年，國外還在探索中的破巖技術(shù)主要是激光鉆井、等離子體通道鉆井(Plasma Channel Drilling)。激光鉆井仍處于室內(nèi)試驗階段，預(yù)計2020年投入商業(yè)化應(yīng)用，并有望給鉆井帶來一場

4、革命。等離子體通道鉆井技術(shù)的開發(fā)者是挪威的獾式鉆探器(Badger Explorer)公司。該技術(shù)的核心是高電壓脈沖能量技術(shù)。等離子體的破巖機(jī)理是用電法霧化巖石，即利用高電壓脈沖在“鉆頭”前方的巖石中形成高能等離子體，等離子體在不到一微秒的時間內(nèi)在巖石中極迅速地膨脹，導(dǎo)致局部巖石破裂和破碎。這項破巖技術(shù)目前尚處于原理驗證階段，其可行性還有待進(jìn)一步驗證。如果它最終能夠通過現(xiàn)場試驗，則有望成為一種新的簡單、高效、成本低、風(fēng)險小、環(huán)境友好的破巖方式，將主要用于修井和鉆小井眼。2.改進(jìn)高溫高壓深井鉆井技術(shù)，進(jìn)一步提高鉆井速度，降低鉆井成本美國能源部于2001年設(shè)立了一個深井鉆井計劃 Deep Trek

5、計劃。該計劃側(cè)重于4個關(guān)鍵領(lǐng)域的技術(shù)開發(fā)：(1)智能鉆井系統(tǒng)；(2)高科技材料；(3)先進(jìn)的深井鉆井完井方法；(4)新的鉆頭技術(shù)。該計劃是一系列技術(shù)創(chuàng)新的集成，是當(dāng)今鉆井技術(shù)前沿的集中體現(xiàn)，代表新一代深井鉆井技術(shù)，反映深井鉆井技術(shù)的發(fā)展方向。其中的多數(shù)單項技術(shù)還處于實驗室研究或現(xiàn)場試驗階段，個別單項技術(shù)已投入商業(yè)化應(yīng)用，總體技術(shù)將于2010年投入商業(yè)應(yīng)用。 3.鉆機(jī)多樣化、數(shù)字化、自動化、智能化，運移方便鉆機(jī)的多樣性主要表現(xiàn)在出現(xiàn)了適應(yīng)不同地面條件、井深和作業(yè)需要的大、中、小型鉆機(jī)，包括各種陸地鉆機(jī)、海洋鉆機(jī)、車載鉆機(jī)和連續(xù)管鉆機(jī)等，正在研制微井眼鉆機(jī)。國外在鉆機(jī)自動化設(shè)備的基礎(chǔ)上于上世紀(jì)90

6、年代中后期推出了自動化鉆機(jī)。自動化鉆機(jī)分為交流變頻電驅(qū)動和液壓驅(qū)動兩大類。自動化鉆機(jī)代表當(dāng)今石油鉆機(jī)的最高水平，是石油鉆機(jī)的重要發(fā)展方向，正在陸地和海上得到推廣應(yīng)用。4.開發(fā)有利于提高鉆井完井效率和降低鉆井完井成本的新材料新材料一直是國外超前研究的熱點。鋁合金鉆桿、鈦合金鉆桿和碳纖維鉆桿可大大減輕鉆桿重量，提高鉆桿韌性。納米外加劑可提高鉆井液性能。利用可膨脹管和自膨脹管可解決很多井下問題，建成單直徑井。路易斯安那州M&D工業(yè)公司研制的超級水泥已投放市場。 自膨脹管是為美國能源部的微井眼計劃研制的。它通過旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)彈性膨脹，操作簡便，徑向膨脹率大，最大膨脹率可達(dá)200%以上。膨脹后能夠?qū)崿F(xiàn)自密封，

7、額定耐壓能力高達(dá)68.95MPa（10000psi）。同時還研制成功了自膨脹篩管，其膨脹率為125%150%。自膨脹管是膨脹管技術(shù)的新發(fā)展，它既可用于常規(guī)井，也可用于微井眼；既可用于旋轉(zhuǎn)鉆井，也可用于連續(xù)管鉆井。自膨脹管還處于現(xiàn)場試驗階段，有望在不久的將來投入商業(yè)應(yīng)用。超級水泥實質(zhì)上是一種樹脂密封劑，其基本成份是液態(tài)的樹脂和硬化劑，可按需要添加其他外加劑。它是一種非水泥類固井材料，可替代水泥，是固井和擠水泥技術(shù)的一大突破。但是目前其成本太高，使其商業(yè)性應(yīng)用僅限于海上的擠水泥作業(yè)。三、省“省”指經(jīng)濟(jì)，也就是如何節(jié)省鉆井完井成本，降低噸油成本，實現(xiàn)效益的最大化。“省”也一直是各方共同努力的重要目標(biāo)

8、。節(jié)省鉆井成本對降低勘探開發(fā)總支出具有十分重要的意義，尤其是開發(fā)低滲、特低滲油氣藏和邊際油氣田。深井鉆井和深水鉆井也對節(jié)省成本提出了更高的要求。1.盡量增加井筒與儲層的可控接觸面積，以便增儲上產(chǎn)和提高采收率建井技術(shù)已發(fā)展到了多分支井、魚骨井、樹根井、最大儲層接觸面積井(MRC井)。 2.鉆超大位移井，實現(xiàn)海油陸采迄今為止，全球已鉆了很多大位移井，其中多數(shù)是為開發(fā)近海油田而鉆的，有不少大位移井鉆在岸上，進(jìn)行海油陸采。3.簡化井身結(jié)構(gòu)，建單直徑井，少用套管，甚至不用套管單直徑井的核心技術(shù)是可膨脹管，因此目前擁有單直徑井技術(shù)的公司也就是能夠生產(chǎn)可膨脹管的公司，即Enventure全球技術(shù)公司、威德福

9、、貝克休斯、斯倫貝謝和哈里伯頓等。目前單直徑井技術(shù)還處于商業(yè)應(yīng)用的初期，仍在發(fā)展中。4.研究微井眼技術(shù)，以便經(jīng)濟(jì)有效地開發(fā)淺層剩余油資源微井眼就是直徑不超過3-1/2的井眼，當(dāng)前研究和試驗的微井眼技術(shù)適合的最大井深約1500m。微井眼技術(shù)在鉆井領(lǐng)域著重研究：(1)全新的小型化地面設(shè)備小型化混合型連續(xù)管鉆機(jī)及相應(yīng)的小型化泥漿循環(huán)處理系統(tǒng)等；(2)超小尺寸的井下鉆具和儀器井下動力鉆具(包括導(dǎo)向泥漿馬達(dá))、地質(zhì)導(dǎo)向儀、MWD和LWD等。5.鉆桿輕型化近幾年，美國能源部在資助非金屬類輕型鉆桿碳纖維鉆桿的研制。碳纖維鉆桿最大的技術(shù)難點是如何實現(xiàn)碳纖維鉆桿本體和鋼接頭的可靠粘結(jié)。碳纖維鉆桿和有纜碳纖維鉆桿

10、目前還處于現(xiàn)場試驗階段，經(jīng)過不斷的試驗與改進(jìn)，有望在5年后投入商業(yè)應(yīng)用。一旦投入商業(yè)應(yīng)用，必將給鉆井帶來一系列的變革。碳纖維鉆桿和有纜碳纖維鉆桿由于具有重量輕、韌性好、耐腐蝕等優(yōu)點，特別適合鉆短曲率半徑和超短曲率半徑水平井，并有望在大位移井、深井鉆井以及深水鉆井中得到應(yīng)用。6.鉆井自動化和遠(yuǎn)程控制是21世紀(jì)鉆井技術(shù)非常重要的發(fā)展方向鉆井自動化向著將地面和井下作為一個整體的大閉環(huán)控制方向發(fā)展。借助計算機(jī)技術(shù)和衛(wèi)星通訊，目前鉆井已實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視。7.改進(jìn)深水和超深水鉆井技術(shù)，進(jìn)一步提高鉆井速度，降低鉆井成本，保護(hù)海洋環(huán)境深水和超深水油氣勘探開發(fā)已成為新的熱點，并不斷取得重大油氣發(fā)現(xiàn)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展

11、，在國外，深水鉆井及裝備技術(shù)總體上已經(jīng)成熟，但仍在發(fā)展中，比如發(fā)展無隔水管鉆井技術(shù)、雙梯度鉆井技術(shù)、高溫高壓井鉆井完井技術(shù)等。8.無鉆機(jī)鉆井不用鉆機(jī)也能打探井要想從根本上降低勘探鉆井費用和勘探風(fēng)險，就必須開發(fā)出一種完全不同的鉆井方式。挪威的獾式鉆探器公司正在研制的獾式鉆探器正是這種嶄新的鉆井方式。獾式鉆探器是一種無鉆機(jī)的井下自動鉆探器，長約25m，設(shè)計鉆深能力超過3000m。其主要特點是：(1)不用陸地鉆機(jī)或海上鉆井平臺，能避開海洋環(huán)境對鉆井作業(yè)的干擾；(2)通過電纜給井下電動鉆具供電，電動鉆具驅(qū)動鉆頭旋轉(zhuǎn)；(3)不用鉆桿，靠自身重量給鉆頭施加鉆壓；(4)不用泥漿，無廢棄物排放，對環(huán)境無污染，

12、無井噴的風(fēng)險，也不用擔(dān)心井漏，可及時測得真實的地質(zhì)信息；(5)不用套管和水泥固井；(6)通過電纜實現(xiàn)雙向通訊；(7)鉆達(dá)目標(biāo)后，留在井底，繼續(xù)監(jiān)測地層；(8)實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和自動化鉆井。 與常規(guī)勘探鉆井相比，獾式鉆探器存在如下不足：鉆速慢；只能作為勘探手段；勘探目的只能通過有線隨鉆測井系統(tǒng)來實現(xiàn)。9.海底鉆井不用海上鉆機(jī)而用海底鉆機(jī)進(jìn)行海洋石油鉆井 國外提出了海底鉆井的設(shè)想，并有多家公司參與研究，提出了多種方案。這些海底鉆井方案的共同特點主要有以下幾點。(1)海底鉆機(jī)是一種無人值守、有壓力補償?shù)拿荛]裝置，能實現(xiàn)全自動化鉆井、完井和修井，司鉆只需在小型浮式輔助船上進(jìn)行遙控。浮式輔助船還用于運送海底

13、鉆機(jī)模塊、鉆桿和套管，提供電力，配制和補充泥漿以及注水泥。(2)不用海上鉆井平臺或鉆井船，也不用隔水管，容許浮式輔助船有很大的漂移范圍。(3)海底鉆機(jī)的運轉(zhuǎn)不受海況、水深和天氣的限制，但在極端惡劣的海況和風(fēng)速下，需要撤走浮式輔助船，中斷鉆井作業(yè)。(4)海底鉆機(jī)的建造費用明顯低于海上鉆井平臺和鉆井船。四、HSE 當(dāng)今，HSE（健康、安全和環(huán)保）越來越受重視，貫穿于鉆完井全過程。小井眼鉆井、連續(xù)管鉆井、單直徑井鉆井、微井眼鉆井可減少井場占地面積，減少鉆井廢棄物，有利于環(huán)保。通過大位移井和超大位移井可實現(xiàn)海油陸采，減少對海洋環(huán)境的影響。用獾式鉆探器進(jìn)行無鉆機(jī)鉆井，不需要井場，沒有廢棄物排放，無環(huán)境污

14、染。自動化鉆機(jī)有利于鉆井人員的健康與安全。 永磁交流伺服電機(jī)位置反饋傳感器檢測相位與電機(jī)磁極相位的對齊方式2008-11-07來源：internet瀏覽：504 主流的伺服電機(jī)位置反饋元件包括增量式編碼器，絕對式編碼器，正余弦編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器等。為支持永磁交流伺服驅(qū)動的矢量控制，這些位置反饋元件就必須能夠為伺服驅(qū)動器提供永磁交流伺服電機(jī)的永磁體磁極相位，或曰電機(jī)電角度信息，為此當(dāng)位置反饋元件與電機(jī)完成定位安裝時，就有必要調(diào)整好位置反饋元件的角度檢測相位與電機(jī)電角度相位之間的相互關(guān)系，這種調(diào)整可以稱作電角度相位初始化，也可以稱作編碼器零位調(diào)整或?qū)R。下面列出了采用增量式編碼器，絕對式編碼器，正

15、余弦編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器等位置反饋元件的永磁交流伺服電機(jī)的傳感器檢測相位與電機(jī)電角度相位的對齊方式。增量式編碼器的相位對齊方式 在此討論中，增量式編碼器的輸出信號為方波信號，又可以分為帶換相信號的增量式編碼器和普通的增量式編碼器，普通的增量式編碼器具備兩相正交方波脈沖輸出信號A和B，以及零位信號Z；帶換相信號的增量式編碼器除具備ABZ輸出信號外，還具備互差120度的電子換相信號UVW，UVW各自的每轉(zhuǎn)周期數(shù)與電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁極對數(shù)一致。帶換相信號的增量式編碼器的UVW電子換相信號的相位與轉(zhuǎn)子磁極相位，或曰電角度相位之間的對齊方法如下： 1.用一個直流電源給電機(jī)的UV繞組通以小于額定電流的直流電，U入

16、，V出，將電機(jī)軸定向至一個平衡位置； 2.用示波器觀察編碼器的U相信號和Z信號； 3.調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸的相對位置； 4.一邊調(diào)整，一邊觀察編碼器U相信號跳變沿，和Z信號，直到Z信號穩(wěn)定在高電平上（在此默認(rèn)Z信號的常態(tài)為低電平），鎖定編碼器與電機(jī)的相對位置關(guān)系； 5.來回扭轉(zhuǎn)電機(jī)軸，撒手后，若電機(jī)軸每次自由回復(fù)到平衡位置時，Z信號都能穩(wěn)定在高電平上，則對齊有效。 撤掉直流電源后，驗證如下： 1.用示波器觀察編碼器的U相信號和電機(jī)的UV線反電勢波形； 2.轉(zhuǎn)動電機(jī)軸，編碼器的U相信號上升沿與電機(jī)的UV線反電勢波形由低到高的過零點重合，編碼器的Z信號也出現(xiàn)在這個過零點上。 上述驗證方法，也可以

17、用作對齊方法。 需要注意的是，此時增量式編碼器的U相信號的相位零點即與電機(jī)UV線反電勢的相位零點對齊，由于電機(jī)的U相反電勢，與UV線反電勢之間相差30度，因而這樣對齊后，增量式編碼器的U相信號的相位零點與電機(jī)U相反電勢的-30度相位點對齊，而電機(jī)電角度相位與U相反電勢波形的相位一致，所以此時增量式編碼器的U相信號的相位零點與電機(jī)電角度相位的-30度點對齊。 有些伺服企業(yè)習(xí)慣于將編碼器的U相信號零點與電機(jī)電角度的零點直接對齊，為達(dá)到此目的，可以： 1.用3個阻值相等的電阻接成星型，然后將星型連接的3個電阻分別接入電機(jī)的UVW三相繞組引線； 2.以示波器觀察電機(jī)U相輸入與星型電阻的中點，就可以近似

18、得到電機(jī)的U相反電勢波形； 3.依據(jù)操作的方便程度，調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸的相對位置，或者編碼器外殼與電機(jī)外殼的相對位置； 4.一邊調(diào)整，一邊觀察編碼器的U相信號上升沿和電機(jī)U相反電勢波形由低到高的過零點，最終使上升沿和過零點重合，鎖定編碼器與電機(jī)的相對位置關(guān)系，完成對齊。 由于普通增量式編碼器不具備UVW相位信息，而Z信號也只能反映一圈內(nèi)的一個點位，不具備直接的相位對齊潛力，因而不作為本討論的話題。 絕對式編碼器的相位對齊方式 絕對式編碼器的相位對齊對于單圈和多圈而言，差別不大，其實都是在一圈內(nèi)對齊編碼器的檢測相位與電機(jī)電角度的相位。早期的絕對式編碼器會以單獨的引腳給出單圈相位的最高位的電平

19、，利用此電平的0和1的翻轉(zhuǎn)，也可以實現(xiàn)編碼器和電機(jī)的相位對齊，方法如下： 1.用一個直流電源給電機(jī)的UV繞組通以小于額定電流的直流電，U入，V出，將電機(jī)軸定向至一個平衡位置； 2.用示波器觀察絕對編碼器的最高計數(shù)位電平信號； 3.調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸的相對位置； 4.一邊調(diào)整，一邊觀察最高計數(shù)位信號的跳變沿，直到跳變沿準(zhǔn)確出現(xiàn)在電機(jī)軸的定向平衡位置處，鎖定編碼器與電機(jī)的相對位置關(guān)系； 5.來回扭轉(zhuǎn)電機(jī)軸，撒手后，若電機(jī)軸每次自由回復(fù)到平衡位置時，跳變沿都能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，則對齊有效。 這類絕對式編碼器目前已經(jīng)被采用EnDAT，BiSS，Hyperface等串行協(xié)議，以及日系專用串行協(xié)議的新型絕對式

20、編碼器廣泛取代，因而最高位信號就不符存在了，此時對齊編碼器和電機(jī)相位的方法也有所變化，其中一種非常實用的方法是利用編碼器內(nèi)部的EEPROM，存儲編碼器隨機(jī)安裝在電機(jī)軸上后實測的相位，具體方法如下： 1.將編碼器隨機(jī)安裝在電機(jī)上，即固結(jié)編碼器轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸，以及編碼器外殼與電機(jī)外殼； 2.用一個直流電源給電機(jī)的UV繞組通以小于額定電流的直流電，U入，V出，將電機(jī)軸定向至一個平衡位置； 3.用伺服驅(qū)動器讀取絕對編碼器的單圈位置值，并存入編碼器內(nèi)部記錄電機(jī)電角度初始相位的EEPROM中； 4.對齊過程結(jié)束。 由于此時電機(jī)軸已定向于電角度相位的-30度方向，因此存入的編碼器內(nèi)部EEPROM中的位置檢測值

21、就對應(yīng)電機(jī)電角度的-30度相位。此后，驅(qū)動器將任意時刻的單圈位置檢測數(shù)據(jù)與這個存儲值做差，并根據(jù)電機(jī)極對數(shù)進(jìn)行必要的換算，再加上-30度，就可以得到該時刻的電機(jī)電角度相位。這種對齊方式需要編碼器和伺服驅(qū)動器的支持和配合方能實現(xiàn)，日系伺服的編碼器相位之所以不便于最終用戶直接調(diào)整的根本原因就在于不肯向用戶提供這種對齊方式的功能界面和操作方法。這種對齊方法的一大好處是，只需向電機(jī)繞組提供確定相序和方向的轉(zhuǎn)子定向電流，無需調(diào)整編碼器和電機(jī)軸之間的角度關(guān)系，因而編碼器可以以任意初始角度直接安裝在電機(jī)上，且無需精細(xì)，甚至簡單的調(diào)整過程，操作簡單，工藝性好。 如果絕對式編碼器既沒有可供使用的EEPROM，又

22、沒有可供檢測的最高計數(shù)位引腳，則對齊方法會相對復(fù)雜。如果驅(qū)動器支持單圈絕對位置信息的讀出和顯示，則可以考慮： 1.用一個直流電源給電機(jī)的UV繞組通以小于額定電流的直流電，U入，V出，將電機(jī)軸定向至一個平衡位置； 2.利用伺服驅(qū)動器讀取并顯示絕對編碼器的單圈位置值； 3.調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸的相對位置； 4.經(jīng)過上述調(diào)整，使顯示的單圈絕對位置值充分接近根據(jù)電機(jī)的極對數(shù)折算出來的電機(jī)-30度電角度所應(yīng)對應(yīng)的單圈絕對位置點，鎖定編碼器與電機(jī)的相對位置關(guān)系； 5.來回扭轉(zhuǎn)電機(jī)軸，撒手后，若電機(jī)軸每次自由回復(fù)到平衡位置時，上述折算位置點都能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，則對齊有效。 如果用戶連絕對值信息都無法獲得，那么就

23、只能借助原廠的專用工裝，一邊檢測絕對位置檢測值，一邊檢測電機(jī)電角度相位，利用工裝，調(diào)整編碼器和電機(jī)的相對角位置關(guān)系，將編碼器相位與電機(jī)電角度相位相互對齊，然后再鎖定。這樣一來，用戶就更加無從自行解決編碼器的相位對齊問題了。 個人推薦采用在EEPROM中存儲初始安裝位置的方法，簡單，實用，適應(yīng)性好，便于向用戶開放，以便用戶自行安裝編碼器，并完成電機(jī)電角度的相位整定。 正余弦編碼器的相位對齊方式 普通的正余弦編碼器具備一對正交的sin，cos 1Vp-p信號，相當(dāng)于方波信號的增量式編碼器的AB正交信號，每圈會重復(fù)許許多多個信號周期，比如2048等；以及一個窄幅的對稱三角波Index信號，相當(dāng)于增量

24、式編碼器的Z信號，一圈一般出現(xiàn)一個；這種正余弦編碼器實質(zhì)上也是一種增量式編碼器。另一種正余弦編碼器除了具備上述正交的sin、cos信號外，還具備一對一圈只出現(xiàn)一個信號周期的相互正交的1Vp-p的正弦型C、D信號，如果以C信號為sin，則D信號為cos，通過sin、cos信號的高倍率細(xì)分技術(shù)，不僅可以使正余弦編碼器獲得比原始信號周期更為細(xì)密的名義檢測分辨率，比如2048線的正余弦編碼器經(jīng)2048細(xì)分后，就可以達(dá)到每轉(zhuǎn)400多萬線的名義檢測分辨率，當(dāng)前很多歐美伺服廠家都提供這類高分辨率的伺服系統(tǒng)，而國內(nèi)廠家尚不多見；此外帶C、D信號的正余弦編碼器的C、D信號經(jīng)過細(xì)分后，還可以提供較高的每轉(zhuǎn)絕對位置

25、信息，比如每轉(zhuǎn)2048個絕對位置，因此帶C、D信號的正余弦編碼器可以視作一種模擬式的單圈絕對編碼器。 采用這種編碼器的伺服電機(jī)的初始電角度相位對齊方式如下： 1.用一個直流電源給電機(jī)的UV繞組通以小于額定電流的直流電，U入，V出，將電機(jī)軸定向至一個平衡位置； 2.用示波器觀察正余弦編碼器的C信號波形； 3.調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸的相對位置； 4.一邊調(diào)整，一邊觀察C信號波形，直到由低到高的過零點準(zhǔn)確出現(xiàn)在電機(jī)軸的定向平衡位置處，鎖定編碼器與電機(jī)的相對位置關(guān)系； 5.來回扭轉(zhuǎn)電機(jī)軸，撒手后，若電機(jī)軸每次自由回復(fù)到平衡位置時，過零點都能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，則對齊有效。 撤掉直流電源后，驗證如下： 1.用示波

26、器觀察編碼器的C相信號和電機(jī)的UV線反電勢波形； 2.轉(zhuǎn)動電機(jī)軸，編碼器的C相信號由低到高的過零點與電機(jī)的UV線反電勢波形由低到高的過零點重合。 這種驗證方法，也可以用作對齊方法。 此時C信號的過零點與電機(jī)電角度相位的-30度點對齊。如果想直接和電機(jī)電角度的0度點對齊，可以考慮： 1.用3個阻值相等的電阻接成星型，然后將星型連接的3個電阻分別接入電機(jī)的UVW三相繞組引線； 2.以示波器觀察電機(jī)U相輸入與星型電阻的中點，就可以近似得到電機(jī)的U相反電勢波形； 3.調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸的相對位置； 4.一邊調(diào)整，一邊觀察編碼器的C相信號由低到高的過零點和電機(jī)U相反電勢波形由低到高的過零點，最終使2

27、個過零點重合，鎖定編碼器與電機(jī)的相對位置關(guān)系，完成對齊。 由于普通正余弦編碼器不具備一圈之內(nèi)的相位信息，而Index信號也只能反映一圈內(nèi)的一個點位，不具備直接的相位對齊潛力，因而在此也不作為討論的話題。 如果可接入正余弦編碼器的伺服驅(qū)動器能夠為用戶提供從C、D中獲取的單圈絕對位置信息，則可以考慮： 1.用一個直流電源給電機(jī)的UV繞組通以小于額定電流的直流電，U入，V出，將電機(jī)軸定向至一個平衡位置； 2.利用伺服驅(qū)動器讀取并顯示從C、D信號中獲取的單圈絕對位置信息； 3.調(diào)整旋變軸與電機(jī)軸的相對位置； 4.經(jīng)過上述調(diào)整，使顯示的絕對位置值充分接近根據(jù)電機(jī)的極對數(shù)折算出來的電機(jī)-30度電角度所應(yīng)對

28、應(yīng)的絕對位置點，鎖定編碼器與電機(jī)的相對位置關(guān)系； 5.來回扭轉(zhuǎn)電機(jī)軸，撒手后，若電機(jī)軸每次自由回復(fù)到平衡位置時，上述折算絕對位置點都能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，則對齊有效。 此后可以在撤掉直流電源后，得到與前面基本相同的對齊驗證效果： 1.用示波器觀察正余弦編碼器的C相信號和電機(jī)的UV線反電勢波形； 2.轉(zhuǎn)動電機(jī)軸，驗證編碼器的C相信號由低到高的過零點與電機(jī)的UV線反電勢波形由低到高的過零點重合。 如果利用驅(qū)動器內(nèi)部的EEPROM等非易失性存儲器，也可以存儲正余弦編碼器隨機(jī)安裝在電機(jī)軸上后實測的相位，具體方法如下： 1.將正余弦隨機(jī)安裝在電機(jī)上，即固結(jié)編碼器轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸，以及編碼器外殼與電機(jī)外殼； 2.用一個

29、直流電源給電機(jī)的UV繞組通以小于額定電流的直流電，U入，V出，將電機(jī)軸定向至一個平衡位置； 3.用伺服驅(qū)動器讀取由C、D信號解析出來的單圈絕對位置值，并存入驅(qū)動器內(nèi)部記錄電機(jī)電角度初始安裝相位的EEPROM等非易失性存儲器中； 4.對齊過程結(jié)束。 由于此時電機(jī)軸已定向于電角度相位的-30度方向，因此存入的驅(qū)動器內(nèi)部EEPROM等非易失性存儲器中的位置檢測值就對應(yīng)電機(jī)電角度的-30度相位。此后，驅(qū)動器將任意時刻由編碼器解析出來的與電角度相關(guān)的單圈絕對位置值與這個存儲值做差，并根據(jù)電機(jī)極對數(shù)進(jìn)行必要的換算，再加上-30度，就可以得到該時刻的電機(jī)電角度相位。 這種對齊方式需要伺服驅(qū)動器的在國內(nèi)和操作

30、上予以支持和配合方能實現(xiàn)，而且由于記錄電機(jī)電角度初始相位的EEPROM等非易失性存儲器位于伺服驅(qū)動器中，因此一旦對齊后，電機(jī)就和驅(qū)動器事實上綁定了，如果需要更換電機(jī)、正余弦編碼器、或者驅(qū)動器，都需要重新進(jìn)行初始安裝相位的對齊操作，并重新綁定電機(jī)和驅(qū)動器的配套關(guān)系。 旋轉(zhuǎn)變壓器的相位對齊方式 旋轉(zhuǎn)變壓器簡稱旋變，是由經(jīng)過特殊電磁設(shè)計的高性能硅鋼疊片和漆包線構(gòu)成的，相比于采用光電技術(shù)的編碼器而言，具有耐熱，耐振。耐沖擊，耐油污，甚至耐腐蝕等惡劣工作環(huán)境的適應(yīng)能力，因而為武器系統(tǒng)等工況惡劣的應(yīng)用廣泛采用，一對極（單速）的旋變可以視作一種單圈絕對式反饋系統(tǒng)，應(yīng)用也最為廣泛，因而在此僅以單速旋變?yōu)橛懻搶?/p>

31、象，多速旋變與伺服電機(jī)配套，個人認(rèn)為其極對數(shù)最好采用電機(jī)極對數(shù)的約數(shù)，一便于電機(jī)度的對應(yīng)和極對數(shù)分解。 旋變的信號引線一般為6根，分為3組，分別對應(yīng)一個激勵線圈，和2個正交的感應(yīng)線圈，激勵線圈接受輸入的正弦型激勵信號，感應(yīng)線圈依據(jù)旋變轉(zhuǎn)定子的相互角位置關(guān)系，感應(yīng)出來具有SIN和COS包絡(luò)的檢測信號。旋變SIN和COS輸出信號是根據(jù)轉(zhuǎn)定子之間的角度對激勵正弦信號的調(diào)制結(jié)果，如果激勵信號是sint，轉(zhuǎn)定子之間的角度為，則SIN信號為sintsin，則COS信號為sintcos，根據(jù)SIN，COS信號和原始的激勵信號，通過必要的檢測電路，就可以獲得較高分辨率的位置檢測結(jié)果，目前商用旋變系統(tǒng)的檢測分辨

32、率可以達(dá)到每圈2的12次方，即4096，而科學(xué)研究和航空航天系統(tǒng)甚至可以達(dá)到2的20次方以上，不過體積和成本也都非?？捎^。 商用旋變與伺服電機(jī)電角度相位的對齊方法如下： 1.用一個直流電源給電機(jī)的UV繞組通以小于額定電流的直流電，U入，V出； 2.然后用示波器觀察旋變的SIN線圈的信號引線輸出； 3.依據(jù)操作的方便程度，調(diào)整電機(jī)軸上的旋變轉(zhuǎn)子與電機(jī)軸的相對位置，或者旋變定子與電機(jī)外殼的相對位置； 4.一邊調(diào)整，一邊觀察旋變SIN信號的包絡(luò)，一直調(diào)整到信號包絡(luò)的幅值完全歸零，鎖定旋變； 5.來回扭轉(zhuǎn)電機(jī)軸，撒手后，若電機(jī)軸每次自由回復(fù)到平衡位置時，信號包絡(luò)的幅值過零點都能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，則對齊有效 。

33、 撤掉直流電源，進(jìn)行對齊驗證： 1.用示波器觀察旋變的SIN信號和電機(jī)的UV線反電勢波形； 2.轉(zhuǎn)動電機(jī)軸，驗證旋變的SIN信號包絡(luò)過零點與電機(jī)的UV線反電勢波形由低到高的過零點重合。 這個驗證方法，也可以用作對齊方法。 此時SIN信號包絡(luò)的過零點與電機(jī)電角度相位的-30度點對齊。如果想直接和電機(jī)電角度的0度點對齊，可以考慮： 1.用3個阻值相等的電阻接成星型，然后將星型連接的3個電阻分別接入電機(jī)的UVW三相繞組引線； 2.以示波器觀察電機(jī)U相輸入與星型電阻的中點，就可以近似得到電機(jī)的U相反電勢波形； 3.依據(jù)操作的方便程度，調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸的相對位置，或者編碼器外殼與電機(jī)外殼的相對位置

34、； 4.一邊調(diào)整，一邊觀察旋變的SIN信號包絡(luò)的過零點和電機(jī)U相反電勢波形由低到高的過零點，最終使這2個過零點重合，鎖定編碼器與電機(jī)的相對位置關(guān)系，完成對齊。 需要指出的是，在上述操作中需有效區(qū)分旋變的SIN包絡(luò)信號中的正半周和負(fù)半周。由于SIN信號是以轉(zhuǎn)定子之間的角度為的sin值對激勵信號的調(diào)制結(jié)果，因而與sin的正半周對應(yīng)的SIN信號包絡(luò)中，被調(diào)制的激勵信號與原始激勵信號同相，而與sin的負(fù)半周對應(yīng)的SIN信號包絡(luò)中，被調(diào)制的激勵信號與原始激勵信號反相，據(jù)此可以區(qū)別和判斷旋變輸出的SIN包絡(luò)信號波形中的正半周和負(fù)半周。對齊時，需要取sin由負(fù)半周向正半周過渡點對應(yīng)的SIN包絡(luò)信號的過零點，

35、如果取反了，或者未加準(zhǔn)確判斷的話，對齊后的電角度有可能錯位180度，從而造成速度外環(huán)進(jìn)入正反饋。如果可接入旋變的伺服驅(qū)動器能夠為用戶提供從旋變信號中獲取的與電機(jī)電角度相關(guān)的絕對位置信息，則可以考慮： 1.用一個直流電源給電機(jī)的UV繞組通以小于額定電流的直流電，U入，V出，將電機(jī)軸定向至一個平衡位置； 2.利用伺服驅(qū)動器讀取并顯示從旋變信號中獲取的與電機(jī)電角度相關(guān)的絕對位置信息； 3.依據(jù)操作的方便程度，調(diào)整旋變軸與電機(jī)軸的相對位置，或者旋變外殼與電機(jī)外殼的相對位置； 4.經(jīng)過上述調(diào)整，使顯示的絕對位置值充分接近根據(jù)電機(jī)的極對數(shù)折算出來的電機(jī)-30度電角度所應(yīng)對應(yīng)的絕對位置點，鎖定編碼器與電機(jī)的相對位置關(guān)系； 5.來回扭轉(zhuǎn)電機(jī)軸，撒手后，若電機(jī)軸每次自由回復(fù)到平衡位置時，上述折算絕對位置點都能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，則對齊有效。 此后可以在撤掉直流電源