微型液压动力系统的PWM控制研究

　　0　引言

　　本文所讨论的微型液压动力系统是一种组装在用于石油勘探的自动垂直钻具上的液压动力单元。该动力单元集成了单柱塞泵、电磁阀、纠斜液压缸、油箱等液压系统的基本要件。在自动垂直钻具的近钻头处径向均布了三组这种高度集成的液压动力单元，以起到控制钻头走向、保证井眼垂直的作用^[1-2]。

　　由于井下工作环境恶劣，使得液压动力单元上使用的控制阀只能是开关式的电磁换向阀，这就导致由三组径向均布的液压动力单元产生的作用于井壁的纠斜合力的方向最多只能有6个^[1]。虽然这样也能起到纠斜的作用，但如果能够在井眼的任意方向上都进行准确的纠斜控制，就可以极大地提高纠斜的速度，进一步改善纠斜的效果，这就要求对液压动力单元产生的纠斜力进行连续控制。而对现有的液压动力单元上的电磁换向阀进行脉宽调制(PWM)控制就有可能实现对该微型液压动力系统输出的纠斜力的连续控制。

　　对电磁阀进行PWM控制时，电磁阀的阀口一直工作在全开或全闭的状态，并且与计算机之间接口无需D/A转换，因而抗污染能力和抗干扰能力很强。目前，国内大多是采用进口的高速电磁开关阀对流量连续的液压系统进行位置或速度的PWM控制^[3-4]，而本文则试图采用普通的电磁换向阀对一种具有较小容积、流量，且流量不连续的微型液压动力系统进行输出力的脉宽调制控制。

　　1　微型液压动力系统工作原理

　　自动垂直钻具上所用的微型液压动力系统的组成结构如图1所示。液压系统的工作原理如下：若电磁阀通电，在偏心轴承的回程阶段，柱塞泵通过吸油单向阀从油箱吸油;在偏心轴承的推程阶段，吸油单向阀关闭，液压油通过压油单向阀进入纠斜液压缸的无杆腔。当柱塞泵的出口压力达到溢流阀的设定压力时，压油单向阀不再开启，液压油直接通过溢流阀流回油箱。若电磁阀断电，则液压油依次经过压油单向阀、电磁阀流回油箱，液压缸无压力。电磁阀的通电或断电由井下单片机控制系统根据实测的井斜角和井斜相对方位角来决定，电磁阀的驱动电源由电池提供^[5]。

　　为了适应井下狭小的工作空间，液压动力单元上的所有液压阀均为插装式结构，且结构尺寸非常小，如其中的两位两通电磁换向阀的阀口只有0.1mm左右，而液压泵所提供的平均流量不足0.5L/min，并且是不连续的。因此，对这种流量微小又不连续的液压系统进行输出力的PWM控制是有一定难度的。

　　2　系统输出力的PWM控制策略

　　2.1　电磁阀工作特性分析