孔底电动冲击器控制系统 【技术领域】
本发明属于钻探领域，具体涉及一种孔底电动冲击器的控制系统。
背景技术
为了提高硬岩的钻探效率，国内外研制了多种液动、气动孔底冲击器，并取得显著成果。但传统的液动、气动冲击器在国内推广使用的程度并不理想，主要有以下四个原因：一是传统液动、气动冲击器的结构复杂，现场组装调试的技术要求高，每次拆装费工费时；二是它要求很大的泵(风机)排量和压力——超过孔底正常钻进的需要，从而要求更换设备，在孔内钻具上增加分流接头，有时过大的流量还会带来孔壁失稳等负面效果；三是液动冲击器对循环介质的含砂量等有严格要求；四是由于重力对传统液动、气动冲击器的配液、配气机构工作稳定性有影响，在大顶角斜孔和水平孔中使用有局限性。孔底电动冲击器(如图6所示)能够克服以上不足，同时大幅度提高钻探效率，应用前景十分广泛，而孔底电动冲击器成败的关键是其控制系统，控制系统是其核心，研究孔底电动冲击器的控制系统具有重大意义。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种孔底电动冲击器控制系统，该控制系统能够实现对孔底电动冲击器的电磁冲击装置的控制。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：孔底电动冲击器控制系统，其特征在于它包括监控系统用电池、主电池、一个检测模块、一个控制模块；监控系统用电池给检测模块和控制模块供电，主电池给控制模块供电；检测模块的输出口和控制模块的输入口之间通过CAN总线相连，可完成控制命令及各部分检测数据的通讯；
所述检测模块包括温度传感器、压力传感器、放大电路、第一AD转换器、电阻分压电路、电压比较器、渗漏传感器、第一微处理器；第一微处理器设置在孔底电动冲击器的控制系统密封筒25内；温度传感器设置在孔底电动冲击器的电磁冲击装置的线圈29内(封在线圈29内)，温度传感器的输出端与第一微处理器的输入端相连；压力传感器设置在孔底电动冲击器的钻井液仓35内(钻井液仓与外相连通，能获得泥浆压力信号)，压力传感器的输出端与放大电路的输入端相连，放大电路的输出端与第一AD转换器的输入端相连，第一AD转换器的输出端与第一微处理器的输入端相连；电阻分压电路设置在主电池19上，电阻分压电路的输入端与主电池的输出端相连，电阻分压电路的输出端与电压比较器的输入端相连，电压比较器的输出端与第一微处理器的输入端相连；渗漏传感器设置在孔底电动冲击器的电磁冲击装置密封筒30的底端，渗漏传感器的输出端与第一微处理器的输入端相连；
所述控制模块包括第二微处理器、可编程控制器(现有的GAL器件)、IGBT全桥控制电路、毫欧电阻、仪表放大器、第二AD转换器；第二微处理器的输出端与可编程控制器的输入端相连，可编程控制器的输出端与IGBT全桥控制电路的输入端相连，IGBT全桥控制电路的控制输出端与电磁冲击装置8的线圈29相连；IGBT全桥控制电路的控制电流信号输出端与毫欧电阻的输入端相连，毫欧电阻的输出端与仪表放大器的输入端相连，仪表放大器的输出端与第二AD转换器的输入端相连，第二AD转换器的输出端与第二微处理器的数字信号反馈输入端相连.
本发明的有益效果是：
1)通过检测地表泥浆泵以一定顺序开合在钻孔内产生的一定顺序地泥浆压力脉冲信号，并对该检测信号进行解析，进而获得地表控制命令，从而控制孔底电动冲击器的执行机构电磁冲击装置实现不同动作的控制系统；本发明能很好的完成孔底电动冲击器的电磁冲击装置不同频率的直线往复运动或停止动作的控制，该控制系统能够实现对孔底电动冲击器的电磁冲击装置的控制。同时本控制系统还能完成孔底电动冲击器的电池电量、温度、渗漏、电磁冲击装置工作电流等工作参数的监测，并能根据各种参数调整对冲击器的控制。具有防止渗漏、温度过高、电流等方面的保护功能。
2)传统的液动、气动冲击器在井下开始工作后无法通过地表控制，冲击频率等工作参数一经确定无法在井下调整；遇到紧急情况需停止工作时，必须关闭泥浆泵(风机)，可能造成烧钻等事故。本控制系统可以控制孔底电动冲击器根据钻进地层和孔底电动冲击器工作情况的不同，在地表遥控孔底电动冲击器实现冲击频率和冲击功的调整以及停机等工作，控制灵活，操作简便，具有很高的自动化程度。
【附图说明】
图1为本发明系统框图；
图2为检测模块框图；
图3为控制模块框图；
图4为IGBT管引脚定义图；
图5为图3中的IGBT全桥控制电路图；
图6为孔底电动冲击器的结构示意图；
图5中的标识说明：1-第一基于555定时器(IC555)，2-第一栅级驱动芯片IR2110(ICIR2110)，3-全桥控制信号输入端(即IGBT全桥控制电路的输入端)，4-第一功率管(IGBT)，5-第二功率管(IGBT)，6-保险管，7-主电池正极，8-电磁冲击装置，9-第二栅级驱动芯片IR2110(ICIR2110)，10-第三功率管(IGBT)，11-第四功率管(IGBT)，12-毫欧电阻输出信号正极，13-毫欧电阻输出信号负极，14-第二基于555定时器(IC555)，15-主电池负极，16-毫欧电阻；
图6中：17-上接头；18-水眼；19-主电池(主电池组)；20-主电池(主电池组)密封筒；21-外壳；22-电线；23-水密接头；24-压力传感器；25-控制系统密封筒；26-监控系统用电池；27-检测模块；28-控制模块；29-电磁冲击装置的线圈；30-电磁冲击装置密封筒；31-密封圈；32-压盖；33-磁杆；34-冲锤；35-钻井液仓。
【具体实施方式】
参见图1、图2、图3，孔底电动冲击器控制系统，它包括监控系统用电池、主电池、一个检测模块、一个控制模块；监控系统用电池给检测模块和控制模块供电，主电池给控制模块供电；检测模块的输出口和控制模块的输入口之间通过CAN总线相连，可完成控制命令及各部分检测数据的通讯；
所述检测模块包括温度传感器、压力传感器、放大电路、第一AD转换器、电阻分压电路、电压比较器、渗漏传感器、第一微处理器；第一微处理器设置在孔底电动冲击器的控制系统密封筒25内；温度传感器设置在孔底电动冲击器的电磁冲击装置的线圈29内(封在线圈29内)，温度传感器的输出端与第一微处理器的输入端相连；压力传感器设置在孔底电动冲击器的钻井液仓35内(钻井液仓与外相连通，能获得泥浆压力信号)，压力传感器的输出端与放大电路的输入端相连，放大电路的输出端与第一AD转换器的输入端相连，第一AD转换器的输出端与第一微处理器的输入端相连；电阻分压电路设置在主电池19上，电阻分压电路的输入端与主电池的输出端相连，电阻分压电路的输出端与电压比较器的输入端相连，电压比较器的输出端与第一微处理器的输入端相连；渗漏传感器设置在孔底电动冲击器的电磁冲击装置密封筒30的底端，渗漏传感器的输出端与第一微处理器的输入端相连；
所述控制模块包括第二微处理器、可编程控制器(现有的GAL器件)、IGBT全桥控制电路、毫欧电阻、仪表放大器、第二AD转换器；第二微处理器的输出端与可编程控制器的输入端相连，可编程控制器的输出端与IGBT全桥控制电路的输入端相连，IGBT全桥控制电路的控制输出端与电磁冲击装置8的线圈29相连；IGBT全桥控制电路的控制电流信号输出端与毫欧电阻的输入端相连，毫欧电阻的输出端与仪表放大器的输入端相连，仪表放大器的输出端与第二AD转换器的输入端相连，第二AD转换器的输出端与第二微处理器的数字信号反馈输入端相连。
如图5所示，IGBT全桥控制电路包括第一基于555定时器(IC555)1、第一栅级驱动芯片IR2110(ICIR2110)2、第一功率管(IGBT)4、第二功率管(IGBT)5、保险管6、第二栅级驱动芯片IR2110(ICIR2110)9、第三功率管(IGBT)10、第四功率管(IGBT)11、第二基于555定时器(IC555)14、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10、第十一电容C11、第十二电容C12、第十三电容C13、第十四电容C14、第十五电容C15、第十六电容C16、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8、第九二极管D9、第十二极管D10、第一稳压二极管ZD1、第二稳压二极管ZD2、第三稳压二极管ZD3、第四稳压二极管ZD4、第五稳压二极管ZD5、第六稳压二极管ZD6；
第一栅级驱动芯片IR2110(图5中的U2)2的12脚(为IGBT全桥控制电路的输入端，即全桥控制信号输入端3)分别与可编程控制器(现有的GAL器件)的输出端、第二栅级驱动芯片IR2110(ICIR2110)9的10脚相连，第一栅级驱动芯片IR21102的13脚与第一栅级驱动芯片IR21102的9脚之间串联一第十六电容C16，第一栅级驱动芯片IR21102的9脚与+5V电源相连，第一栅级驱动芯片IR21102的13脚接地GNDA，第一栅级驱动芯片IR21102的11脚接地GNDA，第一栅级驱动芯片IR21102的10脚与第二栅级驱动芯片IR2110(ICIR2110)9的12脚相连，第一栅级驱动芯片IR21102的7脚串联第六电阻R6后与第一功率管Q1(IGBT)4的G极相连，第一栅级驱动芯片IR21102的6脚分别与第二二极管D2的阴极、第三二极管D3的阴极、第四电容C4的一端相连，第一栅级驱动芯片IR21102的5脚分别与第五电容C5的一端、第三电阻R3的一端、第二稳压二极管ZD2的阳极相连，第一栅级驱动芯片IR21102的3脚与第一栅级驱动芯片IR21102的2脚之间串联一第六电容C6，第一栅级驱动芯片IR21102的3脚与+15V电源相连，第一栅级驱动芯片IR21102的2脚接地GNDA，第一栅级驱动芯片IR21102的1脚串联第四电阻R4后与第二功率管Q2(IGBT)5的G极相连；
第二栅级驱动芯片IR2110(图5中的U3)9的12脚(为IGBT全桥控制电路的输入端，即全桥控制信号输入端)与可编程控制器(现有的GAL器件)的输出端{同时与第一栅级驱动芯片IR2110(ICIR2110)2的10脚相连}相连，第二栅级驱动芯片IR2110(ICIR2110)9的13脚与第二栅级驱动芯片IR2110的9脚之间串联一第八电容C8，第二栅级驱动芯片IR2110的13脚接地GNDA，第二栅级驱动芯片IR2110的9脚与+5V电源相连，第二栅级驱动芯片IR2110的11脚接地GNDA，第二栅级驱动芯片IR2110的1脚串联第十电阻R10后与第三功率管Q3(IGBT)10的G极相连，第二栅级驱动芯片IR2110的2脚与第二栅级驱动芯片IR2110的3脚之间串联一第九电容C9，第二栅级驱动芯片IR2110的2脚接地GNDA，第二栅级驱动芯片IR2110的3脚与+15V电源相连，第二栅级驱动芯片IR2110的5脚分别与第十二电阻R12的一端、第十二电容C12的一端、第五稳压二极管ZD5的阳极相连，第二栅级驱动芯片IR2110的6脚分别与第八二极管D8的阴极、第九二极管D9的阴极、第十一电容C11的一端相连，第二栅级驱动芯片IR2110的7脚串联第九电阻R9后分别与第三功率管Q3(IGBT)10的G极、IGBT全桥控制电路的第二输出端点b、第四功率管Q4(IGBT)11的G极相连；
第一功率管4的C极分别与主电池正极7、第四二极管D4的阴极、第七二极管D7的阴极、第三功率管10的C极相连，第四二极管D4的阳极与IGBT全桥控制电路的第一输出端点a相连，第七二极管D7的阳极与IGBT全桥控制电路的第二输出端点b相连，第一功率管4的E极与IGBT全桥控制电路的第一输出端点a相连，第二功率管5的C极与IGBT全桥控制电路的第一输出端点a相连，第二功率管5的E极分别与第二电阻R2的一端、第七电容C7的一端、第三稳压二极管ZD3的阳极、第五电阻R5的一端、第五二极管D5的阳极、第六二极管D6的阳极、第四功率管11的E极、毫欧电阻16的一端、第七电阻R7的一端、第十电容C10的一端、第四稳压二极管ZD4的阴极、第十一电阻R11的一端相连，第五二极管D5的阴极与IGBT全桥控制电路的第一输出端点a相连，第六二极管D6的阴极与IGBT全桥控制电路的第二输出端点b相连；IGBT全桥控制电路的第一输出端点a前设有保险管6；IGBT全桥控制电路的第一输出端点a与电磁冲击装置的线圈29的一接线端(正极)相连；IGBT全桥控制电路的第二输出端点b与电磁冲击装置的线圈29的另一接线端(负极)相连；
第五电阻R5的另一端、第十一电阻R11的另一端分别与+15V电源相连，
第一基于555定时器(IC555，图5中的U1)1的1脚分别与第一电容C1的一端、第三电容C3的一端、第二电阻R2的另一端、第一稳压二极管ZD1的阳极相连，第一基于555定时器的2脚分别与第一基于555定时器的6脚、第一电容C1的另一端、第一电阻R1的一端相连，第一基于555定时器的3脚分别与第一电阻R1的另一端、第二电容C2的一端相连，第一基于555定时器的4脚、第一基于555定时器的8脚分别与IGBT全桥控制电路的第一输出端点a相连，第三电容C3的另一端、第一稳压二极管ZD1的阴极、第二稳压二极管ZD2的阴极、第五电容C5的另一端、第四电容C4的另一端、第一二极管D1的阳极分别与IGBT全桥控制电路的第一输出端点a相连，第二电容C2的另一端分别与第一二极管D1的阴极、第二二极管D2的阳极相连，第三二极管D3的阳极与+15V电源相连，第三电阻R3的另一端接地GNDA，第七电容C7的另一端、第三稳压二极管ZD3的阳极接地GNDA；
第二基于555定时器(IC555，图5中的U4)14的1脚分别与第十五电容C15的一端、第十四电容C14的一端、第七电阻R7的另一端、第六稳压二极管ZD6的阳极相连，第二基于555定时器14的2脚分别与第二基于555定时器14的6脚、第十五电容C15的另一端、第八电阻R8的一端相连，第二基于555定时器14的3脚分别与第八电阻R8的另一端、第十三电容C13的一端相连，第二基于555定时器14的4脚、第二基于555定时器14的8脚分别与IGBT全桥控制电路的第二输出端点b相连，第十四电容C14的另一端、第六稳压二极管ZD6的阴极、第十二电容C12的另一端、第五稳压二极管ZD5的阴极、第十一电容C11的另一端、第十二极管D10的阳极分别与IGBT全桥控制电路的第二输出端点b相连，第九二极管D9的阳极分别与第十二极管D10的阴极、第十三电容C13的另一端相连，第八二极管D8的阳极与+15V电源相连，第十二电阻R12的另一端接地GNDA，第十电容C10的另一端、第四稳压二极管ZD4的阳极分别接地GNDA。
在控制IGBT全桥驱动长时间(极低频率)导通时，一般需要在系统中高端部分采用独立电源供电，会增加系统成本，同时体积较大。在本发明的控制系统中设计了基于555定时器的电荷泵高端浮动自举电路，实现了高压浮动IGBT/MOSFET栅级驱动芯片IR2110在极低频率下对全桥电路的驱动。
所述检测模块通过检测压力传感器获得进入钻井液仓35内的泥浆压力信号，该泥浆压力信号经过放大电路和AD转换器转换为数字信号，传输给第一微处理器MCU-1；第一微处理器MCU-1获得该数字信号，进而对压力脉冲命令进行检测、解析，并通过CAN总线接口通知控制模块执行相应的命令；通过电阻分压电路和电压比较器，对主电池的电量进行检测，并将相关结果送给第一微处理器MCU-1；由渗漏传感器输出开关量给第一微处理器MCU-1，检测孔底电动冲击器的渗漏情况；温度传感器检测孔底电动冲击器的温度，并将相应信号送给第一微处理器MCU-1，获得工作温度情况。当孔底电动冲击器的电量不足或者发生渗漏、温度过高等情况，第一微处理器MCU-1将通过CAN总线接口发送相应控制命令给控制模块，通知控制模块做出适当的调整。
所述检测模块主要实现压力脉冲命令的检测、解析，并通过CAN总线通知控制模块执行相应的命令；负责检测系统的渗漏、控制用电池电量、工作温度等状态参数。
所述控制模块的第二微处理器MCU-2通过CAN总线接口接收检测模块发送来的控制命令，根据控制命令的不同通过GAL器件、IGBT全桥控制电路来控制电磁冲击装置带动冲锤以不同的频率做直线往复运动打击铁砧完成冲击或者停止运动；IGBT全桥控制电路主要通过控制4个IGBT管的通断，实现电磁冲击装置的正反双向工作，其输出的控制电流信号通过毫欧电阻、仪表放大器、AD转换器转换为数字信号，然后反馈到第二微处理器MCU-2，第二微处理器MCU-2处理该数字信号结合检测模块发送的控制命令做出相应的动作，防止电流过大引起IGBT全桥控制电路过热或者烧毁电磁冲击装置；其中保险管是为了防止电流过大而烧毁电磁冲击装置，起保护作用。
所述控制模块主要根据检测模块发送来的控制命令，来控制电磁冲击装置带动冲锤以不同的频率做直线往复运动打击铁砧完成冲击或者停止运动。设计了基于555定时器和IR2110的IGBT全桥驱动电路。
工作过程如下：通过在地表按一定顺序开合泥浆泵在钻孔内产生一定顺序的泥浆压力脉冲编码，孔底电动冲击器控制系统的检测模块对该泥浆压力脉冲编码进行检测和解析后获得地表的控制命令，然后检测模块将该控制命令通过CAN总线发送给控制模块，控制模块根据命令的不同控制孔底电磁冲击装置完成不同的动作，如：快速、慢速、停止等等。同时本控制系统完成孔底电动冲击器各种工作参数的监测，在渗漏等危险情况发生时能切断电源，具备一定的自保护能力。
如图6所示，孔底电动冲击器包括上接头17、主电池(主电池组)密封筒20、外壳21、控制系统密封筒25、电磁冲击装置密封筒30、压盖32、冲锤34、电磁冲击装置；电磁冲击装置包括电磁冲击装置的线圈29、磁杆33，电磁冲击装置的线圈29位于电磁冲击装置密封筒30内，磁杆33的上端穿过压盖32、电磁冲击装置密封筒30的底部、线圈29，磁杆33与电磁冲击装置密封筒30的底部之间采用密封圈31密封，磁杆33的下端与冲锤34连接(铰接)；电磁冲击装置密封筒30位于外壳21内并固定，外壳21的下端为开口端，冲锤34位于外壳21的下端部，压盖32分别与电磁冲击装置密封筒30、外壳21固定连接；电磁冲击装置的线圈29的上方是控制系统密封筒25，监控系统用电池26、检测模块27、控制模块28分别位于控制系统密封筒25内，控制系统密封筒25的上方是钻井液仓35，钻井液仓35的上方是主电池(主电池组)密封筒20，主电池(主电池组)19位于主电池(主电池组)密封筒20内，主电池由电线与控制模块相连，主电池密封筒位于外壳21内并固定；外壳21的上端与上接头17相连；外壳21上设有水眼18，水眼18分别与钻井液仓35、上接头17相连通。线圈29接通电与断开电，控制磁杆33做直线往复运动。