一种带温度补偿的电磁阀控制系统的制作方法

本发明涉及电磁阀控制领域，特别涉及一种带温度补偿的电磁阀控制系统。

背景技术

随钻测量仪器广泛应用在油气开发中，其测得的数据从井下到地面的传输主要通过泥浆脉冲器来实现。泥浆脉冲器通常使用一个由电磁阀控制的节流阀执行器件来短暂改变泥浆通过钻杆的横截面积，从而产生一个压力脉冲信号，该压力脉冲信号传播到地面，再由压力传感器接收和解码得到数据。这个压力脉冲信号的幅度和宽度在预定泥浆流速下，主要由电磁阀的驱动电流决定。

目前通常使用的泥浆脉冲器的电磁阀的驱动方式是使用泥浆发电机给电磁阀提供直流电以驱动电磁阀，具体过程是：井下泥浆流动使泥浆发电机的涡轮旋转，旋转的涡轮通过磁耦合带动泥浆发电机的转子切割磁场，从而产生三相交流电，泥浆发电机产生的三相交流电经过直流转换模块转换成常用电压(常用电压通常设为36v)的直流电后，给电磁阀的电磁线圈提供驱动电流以驱动电磁阀。

泥浆脉冲器的电磁阀通常工作在-25℃～175℃的温度区间内，电磁阀的性能和温度相关，其中电磁阀的电磁线圈的电阻值的温升系数为0.004/℃，即在100℃的温升下电磁线圈的电阻值会增加40％，在150℃的温升下电磁线圈的电阻值会增加60％。如果使用上述的电磁阀驱动方式，那么在温升较大时电磁阀会因为电磁线圈的电阻值增加较大而出现驱动电流过小的情况，从而导致电磁阀的驱动能力严重不足，进而导致泥浆脉冲器不能产生应有的压力脉冲信号。例如，电磁阀的驱动电流通常为1.5a，如果在25℃的井温下电磁线圈的电阻值为20ω，那么泥浆发电机产生的三相交流电转换得到的36v直流电可以提供大于1.5a的驱动电流，电磁阀的驱动能力足够，但由于井温会随井深的增加而增加，电磁线圈的电阻值在井温为175℃时会变成32ω，这样36v的直流电最多只能提供1.125a的驱动电流，驱动电流不足1.5a导致电磁阀的驱动能力不足，从而不能产生应有的压力脉冲信号。

现有的泥浆脉冲器通常引入升压电路来解决电磁阀驱动能力不足的问题：在上述井温升高至175℃导致电磁线圈的电阻值升高至32ω，进而导致36v的直流电无法提供1.5a的驱动电流时，通过升压电路把36v的直流电提高至48v以提供1.5a的驱动电流给电磁阀。在上述的升压过程中电能会有损耗，这种损耗会进一步产生热能，导致仪器的温度升高，从而进一步损害仪器的正常工作和使用寿命。

如果根据高温下电磁线圈的电阻值来提高直流电的电压，那么在电磁线圈的电阻值较小时驱动电流会过大，驱动电流过大会迅速增加电磁阀的温升，从而降低电磁阀的使用寿命。驱动电流过大还会导致电磁阀过驱动，电磁阀过驱动会使得电磁阀的剩磁加大，造成电磁阀的移动杆不能迅速回位，从而降低电磁阀的动作频率。

此外，在交流转直流的过程中会损耗约30％的电能，损耗的电能会以热能的方式升高随钻测量仪器的温度，从而影响随钻测量仪器的正常工作和使用寿命。同时直流电的电压由于受其它仪器的限制，不能随温度而调整，使得在高温下直流电压太低不能提供电磁阀正常工作所需的电流。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种电磁阀控制系统，该电磁阀控制系统在电磁线圈的电阻值较大时能给电磁线圈提供足够的驱动电流，在电磁线圈的电阻值较小时不会提供过大的驱动电流，且能消除交流转直流的电能损耗。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种带温度补偿的电磁阀控制系统，包括泥浆发电机，还包括三相整流模块、控制器、pwm模块、mos管和电流采样模块，所述三相整流模块接在泥浆发电机的输出端，把泥浆发电机产生的三相交流电转换为三相整流电后直接给电磁阀的电磁线圈供电，所述控制器、pwm模块、mos管和电磁线圈依次连接，所述电流采样模块分别连接控制器和电磁线圈，所述控制器包括存储器和处理器，其中所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能够实现以下步骤：接收来自电流采样模块的驱动电流信号，并根据驱动电流信号来判断电磁线圈的驱动电流的大小，若驱动电流的电流值大于预设值，则控制pwm模块输出的pwm脉冲减小占空比。

优选地，若驱动电流的电流值小于预设值，则控制pwm模块输出的pwm脉冲增大占空比。

优选地，所述电流采样模块中设有电流监控仪，电流采样模块在采样过程中通过该电流监控仪对电磁线圈的电流进行监测。

优选地，所述电流采样模块包括采样电阻，其把电磁线圈的驱动电流信号转为电压信号，再把该电压信号输至控制器，所述控制器根据电压信号和采样电阻计算出实际的驱动电流。

优选地，所述控制器是pid控制器。

优选地，若所述控制器没有接收到脉冲驱动信号，则所述控制器控制pwm模块输出的pwm脉冲维持在低的占空比。

优选地，若所述控制器有接收到脉冲驱动信号，则所述控制器控制pwm模块输出的pwm脉冲维持在高的占空比。

优选地，若所述控制器持续接收到脉冲驱动信号超过预定时间，则所述控制器控制pwm模块输出的pwm脉冲维持在中等的占空比。

优选地，所述预定时间设为5ms。

优选地，若所述控制器从有接收到脉冲驱动信号变为没有接收到脉冲驱动信号，则所述控制器控制pwm模块输出的pwm脉冲减小占空比。

本发明具有以下有益效果：

1、三相交流电经过三相整流模块转换成三相整流电后，三相整流电的电压能达到60v，这样在井温较高导致电磁线圈的电阻值较大时，三相整流电能给电磁线圈提供1.5a的驱动电流；

2、直接使用三相整流电给电磁线圈供电可以消除交流转直流的损耗；

3、若井温较低导致电磁线圈的电阻值较小，进而导致电磁线圈的驱动电流过大，则控制器根据采样电流信号控制pwm模块输出的pwm脉冲减小占空比，从而调整mos管的开关占空比减小，进而调节电磁线圈上的驱动电流变小，以使得实际的驱动电流不会过大。

附图说明

图1是带温度补偿的电磁阀控制系统连接电磁线圈的电路框图；

图2是电磁阀处于不同工作状态的时序图。

附图标记说明：1-泥浆发电机；2三相整流模块；3-pid控制器；4-pwm模块；5-mos管；6-电流采样模块；7-电磁线圈。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，电磁阀控制系统包括泥浆发电机1、三相整流模块2、pid控制器3、pwm模块4、mos管5和电流采样模块6。泥浆发电机1、三相整流模块2和电磁阀的电磁线圈7依次连接，pid控制器3、pwm模块4和mos管5依次连接，且mos管5连接电磁线圈7，电流采样模块6分别连接pid控制器3和电磁线圈7。

泥浆发电机1的发电动力来自井下泥浆的流动，井下泥浆的流动使得泥浆发电机1的涡轮旋转，旋转的涡轮通过磁耦合带动泥浆发电机1的转子切割磁场，从而产生三相交流电，泥浆发电机1产生的三相交流电经过三相整流模块2整流后，得到三相整流电而不是直流电，通过使用三相整流电直接给电磁线圈7供电而不使用直流电，可以减少交流转直流的损耗，且三相整流电的电压能达到60v，足以满足1.5a的驱动电流需求。

pwm模块4用来调整mos管5的开关占空比，通过减小mos管5的开关占空比可以减小电磁线圈7上的驱动电流，以使得在电磁线圈的电阻值较小时驱动电流不会过大，例如：如在25℃的井温下电磁线圈7的电阻值为20ω，那么可调整mos管5的开关占空比为50％，这样输入电磁线圈7的三相整流电的电压约为60v*50％＝30v，即可为电磁线圈7提供30v/20ω＝1.5a的驱动电流，从而避免驱动电流过大。

电磁阀控制系统的主逻辑由pid控制器3来实现，pid控制器3的驱动电流反馈信号是来自电流采样模块6的信号，电流采样模块6可以使用一个采样电阻把电磁线圈7的驱动电流信号转为电压信号，再把该电压信号输至pid控制器3，pid控制器3根据电压信号和采样电阻的阻值计算出电磁线圈7的实际驱动电流。电流采样模块6中设有电流监控仪(图中未示出)，电流采样模块6在采样过程中通过该电流监控仪可对电磁线圈的电流进行监测。pid控制器3跟据实际的驱动电流和预定的驱动电流的之间的电流大小误差来控制pwm模块4输出的pwm脉冲(其中，预定的驱动电流的预设值为1.5a)，从而调整mos管5的开关占空比，实现最终误差接近零，例如：如在25℃的井温下电磁线圈7的电阻值为20ω，此时为了得到1.5a的预定驱动电流，需要输入电磁线圈7的三相整流电的电压为30v，即需要mos管5的开关占空比为50％；如果井温升高至175℃，那么电磁线圈7的电阻值升高至32ω，电磁线圈7中的驱动电流变为0.9a，则电流采样模块6把0.9a的驱动电流信号传至pid控制器3后，pid控制器3控制pwm模块4输出的pwm脉冲，从而调整mos管5的开关占空比为80％，这样输入电磁线圈7的三相整流电的电压约为60v*80％＝48v，即可使得电磁线圈7的实际驱动电流升高至48v/32ω＝1.5a。本实施例的电磁阀控制系统是一个闭环控制系统，其能够自动补偿温度带来的电磁线圈7的电阻值变化导致的驱动电流变化。

电磁阀有三个工作状态，分别是启动、维持和关闭，那么pid控制器3也分三个阶段分别对驱动电流进行控制。输入pid控制器3的脉冲驱动信号由泥浆脉冲器提供，利用电位监测仪(图中未示出)对脉冲驱动信号的输入串口进行电位监测，并把电位监测结果输入至pid控制器3中。因为电磁阀关闭时泥浆脉冲器不能产生脉冲驱动信号，电磁阀开启时泥浆脉冲器能产生脉冲驱动信号，而无脉冲驱动信号输入则输入串口为低电位，有脉冲驱动信号输入则输入串口为高电位，所以输入串口低电位意味着电磁阀关闭，高电位意味着电磁阀开启。

图2是电磁阀处于不同工作状态的时序图，电磁阀默认处于关闭状态，则默认没有脉冲驱动信号输入pid控制器3，即输入串口为低电位。若输入串口的电位从低电位上升至高电位，即意味着有脉冲驱动信号输入pid控制器3，即电磁阀开始启动。电磁阀在启动时需要大的驱动电流来克服启动阻力带动移动杆，则pid控制器3需控制pwm模块4输出的pwm脉冲维持在高的占空比(高的占空比设为高于80％，因为在电磁阀的最高工作温度175℃时mos管5的开关占空比为80％)，使得电磁阀能以大电流迅速移动。当电磁阀启动后，如果输入串口的电位保持在高电位超过预定时间(如5ms)，即意味着持续有脉冲驱动信号输入pid控制器3超过预定时间(如5ms)，即电磁阀持续开启超过预定时间(如5ms)，即电磁阀进入维持状态。在电磁阀保持在维持状态时，驱动电流需低于启动时的驱动电流，则pid控制器3应控制pwm模块4输出的pwm脉冲维持在中等的占空比(中等的占空比设为40％～80％，因为在电磁阀的最低工作温度-25℃时mos管5的开关占空比为40％，具体计算过程在此不再赘述)，以减少电磁线圈7的发热量。输入串口的电位从高电位下降至低电位意味着pid控制器3从有脉冲驱动信号输入变为没有脉冲驱动信号输入，即电磁阀结束维持状态重新进入默认的关闭状态。在电磁阀关闭时，pid控制器3需控制pwm模块4进一步减小输出的pwm脉冲的的占空比，以使得电磁阀的移动杆可以快速回收等待下一个脉冲驱动信号。在电磁阀关闭状态下，pid控制器3需控制pwm模块4输出的pwm脉冲维持在低的占空比(低的占空比设为低于40％)，以使得驱动电流在电磁阀关闭后可以继续保持较小值，而不需要减为零，这样可以让电磁阀在下次启动时，缩短实际的驱动电流升至预定的驱动电流的过程，从而令电磁阀迅速启动。