一种用于智能钻井工具的12v稳压电源电路的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于智能钻井工具的12V稳压电源电路，包括泥浆涡轮发电机，所述泥浆涡轮发电机经三相整流滤波电路后分别与电压采集第二电路和变压器连接，所述变压器经电流反馈电路、电压信号采集第一电路和电压反馈回路后与脉宽调制电路连接，所述脉宽调制电路连接微处理器。有益效果：本发明所述的用于智能钻井工具的12V稳压电源电路，解决了智能钻井工具工作时测量、控制芯片的供电问题，通过信号采集电路和微处理器的设置，实现了对12V稳压电源关键节点参数的实时监测与记录，提高了12V直流电能输出的安全性和稳定性，对提高智能钻井工具的整体工作性能具有重要的意义和应用价值。
【专利说明】
-种用于智能钻井工具的12V稳压电源电路
技术领域
[0001] 本发明属于石油、天然气钻井领域，尤其是设及一种用于智能钻井工具的12V稳压 电源电路。
【背景技术】
[0002] 智能钻井工具中，井底信息的采集和处理、控制命令的发出均由测量、控制忍片完 成，测量、控制忍片所需的供电电压范围通常在3.3V~12V之间，通过12V直流电源经直流- 直流(DC-DC)变换得到。若电源电压不稳定，会直接影响到电路系统的正常工作，进而影响 智能钻井工具的整体工作性能。采用裡电池供电的方式，输出电压纹波小、稳定性好，但单 体裡电池的电压值为3.6V，采用串并联方式的裡电池组由于单体裡电池间性能不均衡，会 影响其供电性能，并且在高溫环境下，裡电池放电速度加快，工具长时间井下工作时存在储 能不足的问题。
【发明内容】
[0003] 有鉴于此，本发明旨在提出一种用于智能钻井工具的12V稳压电源电路，W解决智 能钻井工具的测量、控制忍片在工作时所需的电源供电电压不稳定或电池供电易出现供电 不足的问题。
[0004] 为达到上述目的，本发明的技术方案是运样实现的：
[0005] -种用于智能钻井工具的12V稳压电源电路，包括泥浆满轮发电机、Ξ相整流滤波 电路、变压器、高频整流滤波电路、电流反馈电路、脉宽调制电路、电压反馈回路、微处理器、 电压信号采集第一电路、电压采集第二电路和功率器件Q1，所述泥浆满轮发电机经所述Ξ 相整流滤波电路后分别与所述电压采集第二电路和所述变压器的输入端连接，所述变压器 初级绕组的输出端通过电容巧和二极管D8连接至所述Ξ相整流滤波电路的输出端，所述电 容巧两端连接电阻R3作为放电回路，所述变压器初级绕组的输出端经所述功率器件Q1后与 所述脉宽调制电路连接，所述脉宽调制电路的输入端和所述电压信号采集第二电路的输出 端均与所述微处理器连接，所述变压器次级绕组经所述高频整流滤波电路后分别与所述电 压信号采集第一电路和所述电压反馈回路的输入端连接，所述电压反馈回路的输出端与所 述脉宽调制电路连接，所述电压信号采集第一电路的输出端与所述微处理器连接，所述功 率器件Q1的漏极连接所述初级绕组的输出端，栅极通过电阻R4连接至所述脉宽调制电路输 出端，源级连接所述电流反馈电路的输入端。
[0006] 进一步的，所述电压信号采集第一电路由电阻R1、电阻R2、电容CIO和运算放大器 U1组成，所述电阻R1的第一端接至所述Ξ相整流滤波电路的输出端，第二端与所述电阻R2 的第一端连接，所述电阻R2的第二端接地，所述电阻R2的两端分别与所述电容CIO的两端连 接，所述电容CIO的第二端接地，所述电容CIO的第一端与所述运算放大器U1的正向输入端 连接，所述运算放大器U1的负向输入端和输出端均连接至所述微处理器，所述电压采集第 二电路由电阻R7、电阻R8、电容C9和运算放大器U2组成，所述电阻R7的第一端接至电压输出 端Vout，第二端与所述电阻R8的第一端连接，所述电阻R8的第二端接地，所述电阻R8的两端 分别与所述电容C9的两端连接，所述电容C9的第二端接地，所述电容C9的第一端与所述运 算放大器U2的正向输入端连接，所述运算放大器U2的负向输入端和输出端均连接至所述微 处理器。
[0007] 进一步的，所述Ξ相整流滤波电路包括Ξ相全波整流电路和电容滤波电路，所述 电容滤波电路由Ξ个分别串联后并联的二极管组形成，所述二极管组分别为二极管D1和二 极管D2、二极管D3和二极管D4、二极管D5和二极管D6,所述电容滤波电路由两个分别串联后 并联的电容组形成，所述电容组分别为电容C1和电容C2、电容C3和电容C4,所述电容组与所 述二极管组并联。
[0008] 进一步的，所述高频整流滤波电路包括二极管D7、电容C7、电容C8和电感L1，所述 电容C7的第二端与所述电容C8的第二端均接地，所述电容C7的第一端与所述电容C8的第一 端分别连接所述电感L1的两端，所述电容C8的第一端接至电压输出端Vout，所述电容C7的 第一端与所述二极管D7负极连接，所述二极管D7正极与所述次级绕组的输出端连接。
[0009] 进一步的，所述电流反馈电路由电阻R5、电阻R6和电容C6组成，所述电阻R6的第二 端和所述电容C6的第二端均接地，所述电容C6第一端经所述电阻R5的第二端后连接至所述 脉宽调制电路的输入端，所述电阻R6第一端分别连接所述电阻R5的第一端和所述功率器件 Q1的源级。
[0010] 进一步的，所述电压反馈回路由电阻R7、电阻R8和电容C9组成，所述电阻R7的第一 端接至电压输出端Vout，第二端与所述电阻R8的第一端连接，所述电阻R8的第二端接地，所 述电阻R8的两端分别与所述电容C9的两端连接，所述电容C9的第二端接地，所述电容C9的 第一端与所述脉宽调制电路的输入端连接。
[0011] 进一步的，所述泥浆满轮发电机产生的Ξ相低频交流电压的变化范围为30V~ 70V，频率范围为83化~18甜Z。
[0012] 进一步的，所述变压器为反激式变压器，所述变压器磁忍为圆环形铁氧体材料，紧 禪合方式绕制，同名端反向，所述初级绕组和所述次级绕组应数比为150:80。
[0013] 进一步的，所述脉宽调制电路的核屯、忍片型号为SG3525,所述脉宽调制电路的开 关频率设计为200曲Z。
[0014] 进一步的，所述的微处理器采用肥S12系列单片机。
[0015] 相对于现有技术，本发明所述的用于智能钻井工具的12V稳压电源电路具有W下 优势：
[0016] (1)本发明所述的用于智能钻井工具的12V稳压电源电路，将泥浆满轮发电机产生 的宽变化范围交流输入电压通过整流滤波、直流-直流变换等一系列措施转换成12V直流电 能输出，由单片机对稳压电源关键节点的电压值进行实时采集、处理，W控制脉宽调制电路 的电能转换过程，从而保证12V直流电能输出的稳定性。
[0017] (2)本发明所述的用于智能钻井工具的12V稳压电源电路，电容巧和二极管D8组成 的峰值保持电路，使后续电路有足够的时间转换为数字信号，保证了数据的精确性。
【附图说明】
[0018] 构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实 施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0019] 图1为本发明实施例所述的用于智能钻井工具的12V稳压电源电路图；
[0020] 图2为本发明实施例由示波器监测得到的12V直流电能输出曲线图；
[0021] 图3为本发明实施例的输入-输出效率测试图。
[0022] 附图标记说明：
[0023] 1-泥浆满轮发电机;2-Ξ相整流滤波电路;3-变压器;4-高频整流滤波电路;5-电 流反馈电路;6-脉宽调制电路;7-电压反馈回路;8-微处理器;9-电压信号采集第一电路； 10-电压采集第二电路;Q1-功率器件;D-Q1的漏极;G-Q1的栅极;S-Q1的源级。
【具体实施方式】
[0024] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可W相 互组合。
[0025] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中屯、"、"纵向横向上"、"下"、 "前"、"后V'左'、"右V'竖曹'、"水甲V'顶'、"底V'胖V'外"等指示的方位或位置关系为 基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗 示所指的装置或元件必须具有特定的方位、W特定的方位构造和操作，因此不能理解为对 本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相 对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"等的特征可 W明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，"多个" 的含义是两个或两个W上。
[0026] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相 连"、"连接"应做广义理解，例如，可W是固定连接，也可W是可拆卸连接，或一体地连接;可 W是机械连接，也可W是电连接;可W是直接相连，也可W通过中间媒介间接相连，可W是 两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可W通过具体情况理解上述术语 在本发明中的具体含义。
[0027] 下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0028] -种用于智能钻井工具的12V稳压电源电路，如图1至3所示，包括泥浆满轮发电机 1、Ξ相整流滤波电路2、变压器3、高频整流滤波电路4、电流反馈电路5、脉宽调制电路6、电 压反馈回路7、微处理器8、电压信号采集第一电路9、电压采集第二电路10和功率器件Q1，所 述泥浆满轮发电机1经所述Ξ相整流滤波电路2后分别与所述电压采集第二电路10和所述 变压器3的输入端连接，所述变压器3初级绕组的输出端通过电容巧和二极管D8连接至所述 Ξ相整流滤波电路2的输出端，所述电容巧两端连接电阻R3作为放电回路，所述变压器3初 级绕组的输出端经所述功率器件Q1后与所述脉宽调制电路6连接，所述脉宽调制电路6和所 述电压信号采集第二电路10的输出端均与所述微处理器8连接，所述变压器3次级绕组经所 述高频整流滤波电路4后分别与所述电压信号采集第一电路9和所述电压反馈回路7的输入 端连接，所述电压反馈回路7的输出端与所述脉宽调制电路6连接，所述电压信号采集第一 电路9的输出端与所述微处理器8连接，所述功率器件Q1的漏极连接所述初级绕组的输出 端，栅极通过电阻R4连接至所述脉宽调制电路6输出端，源级连接所述电流反馈电路5的输 入端。
[0029] 所述电压信号采集第一电路9由电阻Rl、电阻R2、电容CIO和运算放大器υ?组成，所 述电阻R1的第一端接至所述Ξ相整流滤波电路2的输出端，第二端与所述电阻R2的第一端 连接，所述电阻R2的第二端接地，所述电阻R2的两端分别与所述电容CIO的两端连接，所述 电容CIO的第二端接地，所述电容CIO的第一端与所述运算放大器U1的正向输入端连接，所 述运算放大器U1的负向输入端和输出端均连接至所述微处理器8,所述电压采集第二电路 10由电阻R7、电阻R8、电容C9和运算放大器U2组成，所述电阻R7的第一端接至电压输出端 Vout，第二端与所述电阻R8的第一端连接，所述电阻R8的第二端接地，所述电阻R8的两端分 别与所述电容C9的两端连接，所述电容C9的第二端接地，所述电容C9的第一端与所述运算 放大器U2的正向输入端连接，所述运算放大器U2的负向输入端和输出端均连接至所述微处 理器8。
[0030] 所述Ξ相整流滤波电路2包括Ξ相全波整流电路和电容滤波电路，所述电容滤波 电路由Ξ个分别串联后并联的二极管组形成，所述二极管组分别为二极管D1和二极管D2、 二极管D3和二极管D4、二极管D5和二极管D6,所述电容滤波电路由两个分别串联后并联的 电容组形成，所述电容组分别为电容C1和电容C2、电容C3和电容C4,所述电容组与所述二极 管组并联。
[0031] 所述高频整流滤波电路4包括二极管D7、电容C7、电容C8和电感L1，所述电容C7的 第二端与所述电容C8的第二端均接地，所述电容C7的第一端与所述电容C8的第一端分别连 接所述电感L1的两端，所述电容C8的第一端接至电压输出端Vout，所述电容C7的第一端与 所述二极管D7负极连接，所述二极管D7正极与所述次级绕组的输出端连接。
[0032] 所述电流反馈电路5由电阻R5、电阻R6和电容C6组成，所述电阻R6的第二端和所述 电容C6的第二端均接地，所述电容C6第一端经所述电阻R5的第二端后连接至所述脉宽调制 电路6的输入端，所述电阻R6第一端分别连接所述电阻R5的第一端和所述功率器件Q1的源 级。
[0033] 所述电压反馈回路7由电阻R7、电阻R8和电容C9组成，所述电阻R7的第一端接至电 压输出端Vout，第二端与所述电阻R8的第一端连接，所述电阻R8的第二端接地，所述电阻R8 的两端分别与所述电容C9的两端连接，所述电容C9的第二端接地，所述电容C9的第一端与 所述脉宽调制电路6的输入端连接。
[0034] 所述泥浆满轮发电机1产生的Ξ相低频交流电压的变化范围为30V~70V，频率范 围为83Hz~18甜Z。
[0035] 所述变压器3为反激式变压器，所述变压器3磁忍为圆环形铁氧体材料，紧禪合方 式绕制，同名端反向，所述初级绕组和所述次级绕组应数比为150:80。
[0036] 所述脉宽调制电路6的核屯、忍片型号为SG3525,所述脉宽调制电路6的开关频率设 计为200曲Z。
[0037] 所述的微处理器8采用肥S12系列单片机。
[0038] -种用于智能钻井工具的12V稳压电源电路各部分功能为
[0039] 泥浆满轮发电机1，用于产生Ξ相低频交流电能；
[0040] Ξ相整流滤波电路2,将泥浆满轮发电机产生的Ξ相低频交流电能转换成粗直流 电能并滤除粗直流电能中的纹波成分；
[0041] 变压器3,当功率器件Q1导通时，变压器3将输入的粗直流电能转换成高频交流电 能存储在初级绕组中，当功率器件Q1关断时，变压器3将存储在初级绕组中的高频交流电能 传递至次级绕组处；
[0042] 高频整流滤波电路4,在功率器件Q1关断时间内，由二极管D7对所述的变压器3次 级绕组输出的高频交流电能进行半波整流，由电容C7、电容C8和电感L1组成31型滤波器，用 于滤除12V直流电能中的纹波成分；
[0043] 脉宽调制电路6,通过控制功率器件Q1的导通和关断，将整流滤波电路2输出的粗 直流电能转换成高频交流电能，通过变压器3进行存储和传输；
[0044] 电流反馈电路5,对功率器件Q1的源级S电流采样，反馈至脉宽调制电路6中；
[0045] 电压反馈电路7,对输出的12V直流电能采样，反馈至脉宽调制电6中；
[0046] 电压信号采集第二电路10和电压信号采集第一电路9,分别采集整流滤波电路输 出的粗直流电能和稳压电源输出的12V直流电能，将数据传递给微处理器8;
[0047] 微处理器8,根据电压信号采集第二电路10和电压信号采集第一电路9采集的数 据，控制脉宽调制电路6的工作。
[0048] 一种用于智能钻井工具的12V稳压电源电路工作原理：
[0049] 如图1所示，Ξ相整流滤波电路2中二极管D1~D6组成的Ξ相全波整流电路，将泥 浆满轮发电机1产生的Ξ相低频交流电能转换为粗直流电能，电容C1~C4组成的电容滤波 电路，用于滤除粗直流电能中的纹波成分。电容巧和二极管D8组成峰值保持电路，电阻R3为 电容巧提供放电回路；
[0050] 当功率器件Q1导通时，变压器3将Ξ相整流滤波电路2输入的粗直流电能转换成高 频交流电能存储在初级绕组中，电流反馈电路5对功率器件Q1的源级S电流采样反馈至脉宽 调制电路6中；当功率器件Q1关断时，变压器3将存储在初级绕组中的高频交流电能传递至 次级绕组处，高频整流滤波电路4中的二极管D7对变压器3次级绕组输出的高频交流电能进 行半波整流，输出12V直流电能，电压反馈电路7对12V直流电能采样反馈至脉宽调制电路6 中；电压反馈信号与基准电压进行比较、误差放大后，与电流反馈信号一起控制脉宽调制电 路6输出脉冲信号在一个周期内的占空比值，从而控制功率器件Q1导通与关断的时间间隔， W达到稳定12V输出电能的目的。
[0051] 电压信号采集第二电路10采集Ξ相整流滤波电路2输出的粗直流电能，传递至微 处理器8中；电压信号采集第一电路9采集输出的12V直流电能，传递至微处理器8中；
[0052] 当Ξ相整流滤波电路2输出的粗直流电能低于设定的启动电压时，或者当输出的 12V直流电能低于设定的阔值电压时，微处理器8输出低电平至脉宽调制电路6中，脉宽调制 电路6停止输出脉宽调制信号，稳压电源无12V电能输出，微处理器8转为单体裡电池供电， 当微处理器8接收到的信号处于正常阔值范围内时，微处理器8输出高电平，且供电电压由 12V稳压电源提供。
[0053] 如图2所示，为本发明实施例的示波器测量图，100为示波器第一通道连接Ξ相整 流滤波电路2输出端的测量曲线，200为示波器第二通道连接12V直流电能输出测量曲线， 300为示波器第Ξ通道连接脉宽调制电路6的脉冲信号输出端测量曲线。从图中可W看出， 当Ξ相整流滤波电路2输出的粗直流电能升高至微处理器8设置的启动电压时，脉宽调制电 路6开始工作，输出脉宽调制波形，稳压电源输出稳定的12V直流电能，本实施例中启动电压 设置为45V。
[0054] 如图3所示，为本发明实施例的输入-输出效率测试图，测试数据如表1所示。
[0055] 表1智能钻井工具12V稳压电源输入-输出效率测试数据
[0化6]
[0057]从图3中可W看出，随着负载电流从空载增加到0.397A，负载电压从12.18V下降到 11.38V，输入-输出效率维持在80 %左右，负载电压和输入-输出效率基本稳定，能够满足智 能钻井工具测量、控制忍片对供电电源的用电需求，达到了设计要求。
[005引 W上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用W限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种用于智能钻井工具的12V稳压电源电路，其特征在于:包括泥浆涡轮发电机（1)、 三相整流滤波电路(2)、变压器(3)、高频整流滤波电路(4)、电流反馈电路(5)、脉宽调制电 路（6)、电压反馈回路（7)、微处理器（8)、电压信号采集第一电路(9)、电压采集第二电路 (1〇)和功率器件讥， 所述泥浆涡轮发电机（1)经所述三相整流滤波电路(2)后分别与所述电压采集第二电 路（10)和所述变压器(3)的输入端连接，所述变压器(3)初级绕组的输出端通过电容C5和二 极管D8连接至所述三相整流滤波电路(2)的输出端，所述电容C5两端连接电阻R3作为放电 回路，所述变压器（3)初级绕组的输出端经所述功率器件Q1后与所述脉宽调制电路（6)连 接，所述脉宽调制电路(6)的输入端和所述电压信号采集第二电路（10)的输出端均与所述 微处理器(8)连接， 所述变压器(3)次级绕组经所述高频整流滤波电路(4)后分别与所述电压信号采集第 一电路(9)和所述电压反馈回路(7)的输入端连接，所述电压反馈回路(7)的输出端与所述 脉宽调制电路(6)连接，所述电压信号采集第一电路(9)的输出端与所述微处理器(8)连接， 所述功率器件Q1的漏极连接所述初级绕组的输出端，栅极通过电阻R4连接至所述脉宽 调制电路(6)输出端，源级连接所述电流反馈电路(5)的输入端。2. 根据权利要求1所述的一种用于智能钻井工具的12V稳压电源电路，其特征在于:所 述电压信号采集第一电路(9)由电阻R1、电阻R2、电容C10和运算放大器U1组成，所述电阻R1 的第一端接至所述三相整流滤波电路(2)的输出端，第二端与所述电阻R2的第一端连接，所 述电阻R2的第二端接地，所述电阻R2的两端分别与所述电容C10的两端连接，所述电容C10 的第二端接地，所述电容CIO的第一端与所述运算放大器U1的正向输入端连接，所述运算放 大器U1的负向输入端和输出端均连接至所述微处理器(8)， 所述电压采集第二电路（10)由电阻R7、电阻R8、电容C9和运算放大器U2组成，所述电阻 R7的第一端接至电压输出端Vout，第二端与所述电阻R8的第一端连接，所述电阻R8的第二 端接地，所述电阻R8的两端分别与所述电容C9的两端连接，所述电容C9的第二端接地，所述 电容C9的第一端与所述运算放大器U2的正向输入端连接，所述运算放大器U2的负向输入端 和输出端均连接至所述微处理器(8)。3. 根据权利要求1所述的一种用于智能钻井工具的12V稳压电源电路，其特征在于:所 述三相整流滤波电路(2)包括三相全波整流电路和电容滤波电路，所述电容滤波电路由三 个分别串联后并联的二极管组形成，所述二极管组分别为二极管D1和二极管D2、二极管D3 和二极管D4、二极管D5和二极管D6,所述电容滤波电路由两个分别串联后并联的电容组形 成，所述电容组分别为电容C1和电容C2、电容C3和电容C4,所述电容组与所述二极管组并 联。4. 根据权利要求1所述的一种用于智能钻井工具的12V稳压电源电路，其特征在于:所 述高频整流滤波电路(4)包括二极管D7、电容C7、电容C8和电感L1，所述电容C7的第二端与 所述电容C8的第二端均接地，所述电容C7的第一端与所述电容C8的第一端分别连接所述电 感L1的两端，所述电容C8的第一端接至电压输出端Vout，所述电容C7的第一端与所述二极 管D7负极连接，所述二极管D7正极与所述次级绕组的输出端连接。5. 根据权利要求1所述的一种用于智能钻井工具的12V稳压电源电路，其特征在于:所 述电流反馈电路(5)由电阻R5、电阻R6和电容C6组成，所述电阻R6的第二端和所述电容C6的 第二端均接地，所述电容C6第一端经所述电阻R5的第二端后连接至所述脉宽调制电路(6) 的输入端，所述电阻R6第一端分别连接所述电阻R5的第一端和所述功率器件Q1的源级。6. 根据权利要求1所述的一种用于智能钻井工具的12V稳压电源电路，其特征在于:所 述电压反馈回路(7)由电阻R7、电阻R8和电容C9组成，所述电阻R7的第一端接至电压输出端 Vout，第二端与所述电阻R8的第一端连接，所述电阻R8的第二端接地，所述电阻R8的两端分 别与所述电容C9的两端连接，所述电容C9的第二端接地，所述电容C9的第一端与所述脉宽 调制电路(6)的输入端连接。7. 根据权利要求1所述的一种用于智能钻井工具的12V稳压电源电路，其特征在于:所 述泥浆涡轮发电机（1)产生的三相低频交流电压的变化范围为30V~70V，频率范围为83Hz ~185Hz。8. 根据权利要求1所述的一种用于智能钻井工具的12V稳压电源电路，其特征在于:所 述变压器(3)为反激式变压器，所述变压器(3)磁芯为圆环形铁氧体材料，紧耦合方式绕制， 同名端反向，所述初级绕组和所述次级绕组匝数比为150:80。9. 根据权利要求1所述的一种用于智能钻井工具的12V稳压电源电路，其特征在于:所 述脉宽调制电路(6)的核心芯片型号为SG3525,所述脉宽调制电路(6)的开关频率设计为 200kHz〇10. 根据权利要求1所述的一种用于智能钻井工具的12V稳压电源电路，其特征在于:所 述的微处理器(8)采用HCS12系列单片机。
【文档编号】H02M3/335GK105871234SQ201610294329
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月5日
【发明人】李绍辉, 白大鹏, 魏庆振, 马哲, 杨春
【申请人】中国石油集团渤海钻探工程有限公司